Содержание к диссертации
Введение
1. Методологические основы систем адаптивно ландшафтных мелиорации 11
1.1. Общие положения 11
1.2. Экологическое обоснование систем адаптивно-ландшафтных мелиорации 13
1.3. Системная сущность объекта адаптивно-ландшафтных мелиорации 17
1.4. Методологические аспекты исследований 22
1.5. Ландшафтная структура малых речных систем 25
2. Условия, структура и опытные стационары экспериментальных исследований 33
2.1. Агроресурсный потенциал региона 33
2.2. Особенности проявления водной эрозии. Эрозионное районирование 39
2.3. Условия и объекты экспериментальных исследований 41
3. Эколого-гидрологическая характеристика малых речных систем 47
3.1. Влияние неорошаемого земледелия на водный баланс речных систем 47
3.2. Антропогенные воздействия на внутригодовое распределение жидкого, твердого и химического стока малых рек 55
4. Эрозионно-гидрологический процесс 68
4.1. Водный баланс водосборов 70
4.2. Закономерности формирования поверхностного стока талых вод 78
4.3. Характеристики весеннего стока и обоснование принятых аналитических кривых обеспеченности 90
4.4. Аналитические кривые обеспеченности и расчетные значения весеннего стока 97
4.5. Определение расчетного весеннего распределения стока с малых водосборов 101
4.6. Закономерности формирования дождевого стока 110
4.7. Вероятностные характеристики дождей и стока от них 120
4.8. Совместные аналитические кривые и расчетные характеристики годового поверхностного стока 125
4.9. Теоретические основы прогностической модели инфильтрационного питания грунтовых вод 127
5. Эрозионно-аккумулятивный процесс 139
5.1. Закономерности формирования водной эрозии почв 139
5.2. Аналитические кривые обеспеченности и расчетные значения стока наносов 155
5.3. Пространственно-временная эволюция почвенного плодородия эродированных склонов 162
6. Система адаптивно-ландшафтных мелиорации на плакорно-равнинном, склоново-ложбинном и склоново-овражном агроландшафтах 170
6.1. Адаптивно-ландшафтное устройство водосборов 170
6.1.1. Основные принципы устройства агроландшафтов 170
6.1.2. Способы размещения линейных рубежей на водосборах 174
6.2. Теоретическое обоснование параметров линейных элементов системы адаптивно-ландшафтных мелиорации 180
6.2.1. Основные положения и порядок расчета межрубежных расстояний и ширины лесных полос на склонах 180
6.2.2. Допустимый среднегодовой смыв для почв Нижнего Поволжья 189
6.2.3. Противоэрозионное и гидрологическое обоснование основных параметров защитных лесных полос и гидротехнических сооружений 191
6.2.4. Особенности расчета линейных рубежей с продольным уклоном 203
6.2.5. Методика расчета ширины межполосных полей по мелиоративной эффективности 208
6.3. Влияние систем адаптивно-ландшафтных мелиорации на эрозионно-гидрологические процессы 213
6.3.1. Агромелиоративные противоэрозионные мероприятия 213
6.3.2. Гидротехнические мелиорации на пашне 218
6.3.3. Лесомелиорации склоновых земель 223
6.3.4. Системы адаптивно-ландшафтньїх мелиорации 228
6.4. Трансформация почвенного плодородия мелиорированных склонов 235
6.4.1. Изменение морфологических признаков эродированных почв под влиянием мелиорации 235
6.4.2. Изменение агрохимических свойств почв на склонах 250
6.4.3. Воздействие мелиорации на водно-физические свойства склоновых почв 254
7. Комплексные мелиорации балочно-овражного и крутосклонового агроландшафтов .262
7.1. Состояние вопроса 262
7.2. Лесолуговые мелиорации крутых балочных склонов 270
7.3. Модульные схемы мелиорации оврагов по категориям площадей эродированных склонов 276
7.4. Лесная мелиорация оврагов 280
7.4.1. Защита мелиорируемых оврагов от повторного размыва 280
7.4.2. Влияние способов подготовки оврагов к облесению на водно-физические свойства, плодородие и микробиологическую активность почв 284
7.4.3. Приживаемость, сохранность и рост лесных культур 295
7.4.4. Совершенствование технологии облесения оврагов по отсыпанным откосам 300
7.5. Малые водохранилища (пруды) 304
7.5.1. Влияние прудов на качественный состав русловых вод 304
7.5.2. Особенности проектирования водохранилищ на местном стоке 306
8. Эколого-мелиоративная, экономическая и энергетическая эффективность систем адаптивно ландшафтных мелиорации 321
8.1. Влияние мелиорации на валовое увлажнение территорий и урожай сельскохозяйственных культур 321
8.2. Экономическая и энергетическая эффективность мелиорации водосборов 327
Основные выводы 335
Предложения производству 341
Список литературы 343
Приложения 376
- Системная сущность объекта адаптивно-ландшафтных мелиорации
- Теоретические основы прогностической модели инфильтрационного питания грунтовых вод
- Воздействие мелиорации на водно-физические свойства склоновых почв
- Экономическая и энергетическая эффективность мелиорации водосборов
Системная сущность объекта адаптивно-ландшафтных мелиорации
Развивающееся земледелие уже в прошлом веке породило целый комплекс экологических проблем, но оно же послужило и толчком к возникновению и развитию многообразных мелиорации: лесомелиорации [313, 307], фитомелиорации [161,105], гидромелиорации [210,281], агролесомелиорации [9, 231, 242], противоэрозионной мелиорации [161, 160], противоэрозионной агролесомелиорации [128], сельскохозяйственной мелиорации [171,204] и др.
В.В. Докучаев, глубоко понимая отрицательные стороны далеко зашедшей дифференциации в естествознании, подчеркивал, что все природные факторы сельского хозяйства - вода, воздух, почва, грунты, растительный и животный мир - до такой степени тесно связаны между собой, что мы никогда не сумеем управлять ими, если не будем постоянно иметь в виду «...всю единую, цельную и нераздельную природу, а не отрывочные ее части» [89, с. 97]. Несмотря на главную объединяющую научно-практическую идею всех видов улучшений - мелиорацию, специализация и дифференциация в мелиоративных исследованиях продолжают углубляться, а системный язык, открывающий широкие возможности для различных наук, в мелиорации пока еще не нашел широкого применения.
Нельзя сказать, что системная концепция, которая с начала 60-х годов стала приобретать характер общенаучной парадигмы как в точных, так и в традиционно описательных (география, ландшафтоведение, экология) науках, застала врасплох мелиораторов. Элементы системного подхода уже отмечаются в обосновании противоэрозионных комплексов [161, 290, 300, 180, 212, ПО и др.], в агролесомелиоративных [20, 126, 71] и агроландшафтных [188,221, 238] исследованиях.
Однако применение основных принципов, подходов и научного аппарата общей теории систем в мелиорации сдерживается, как уже отмечалось, далеко зашедшей дифференциацией мелиорации и земледелия, отсутствием ландшафтной систематики естественных и антропогенно нарушенных территорий, внесистемным (часто интуитивным) подходом к определению предмета исследований.
Использование физико-географического районирования, основанного на принципе дифференциации, не нашло применения из-за отсутствия теории и моделей энерго-, массопереноса в ландшафтах, особенно антропогенно нарушенных, а без этого прикладные мелиоративные исследования по оптимизации ландшафтов теряют смысл.
Попытки использования в качестве подлинно системных, функциональных территориальных образований (объектов изучения) речных водосборов вызвали возражения среди географов [134, 295]. На их взгляд, русловый сток, в отличие от склонового, не может играть роли интегрирующего фактора. Ему отводится лишь транзитная роль, тогда как стокам поверхностному и внутригрунтовому из-за перераспределения по фациям ландшафта влаги, минеральных и органических веществ - системообразующая.
В целом, соглашаясь с такой постановкой вопроса применительно к средним и крупным рекам, когда говорить о действительном функциональном единстве всех частей водосбора сегодня нельзя, следует признать, что объектом мелиоративно-ландшафтных исследований могут и должны служить водосборы малых рек. В антропогенно нарушенных ландшафтах, когда русловый сток малых рек претерпевает существенные количественные и качественные изменения во времени и в пространстве, объективная экологическая оценка ландшафтообразующей деятельности человека может быть дана только применительно к бассейнам малых рек.
Следует отметить, что на овражно-балочных водосборах из эрозионно-аккумулятивного цикла исключаются русловые воды, а на водосборах средних и крупных рек, в силу большого разнообразия условий формирования склонового и речного стоков, трудно осуществима оценка количественных и качественных изменений, происходящих в цепи «водосбор-река». Приоритетное значение малых рек определяется и их ведущим значением в формировании водных ресурсов страны: на долю малых рек приходится свыше 99 % общей численности рек и 94,6 % их общей протяженности [137]. Только в Саратовской обл. протекает 358 рек длиной более 10 км.
Систематизация территорий по водосборам не отменяет, как этого боятся географы, ландшафтных пршшипов физико-географического районирования. Напротив, такой подход упрощает интеграцию районирования, делая более простой, понятной и доступной идею функционально-динамических исследований.
Бассейны рек следует рассматривать как систему особого класса со сложной структурой и отношениями взаимной обусловленности между компонентами, подчиненными общим закономерностям. Такую систему правомерно именовать малой речной системой (МРС). В этом термине содержится особый акцент на системную сущность объекта и его принадлежность к системам как универсальной форме организованности в природе. Кроме того, в нем заключено и видовое отличие географического объекта.
Р. Уиттекер в своей монографии [315] рассматривает речной водосбор как ландшафтную единицу, одновременно трактуя его и как крупную экосистему.
С учетом изложенного и принимая во внимание тот факт, что в мире практически не осталось естественных ландшафтов, под малой речной системой следует понимать территориальную систему, ограниченную водораздельной линией речного водосбора, в которой взаимосвязаны как природные, так и антропогенно-техногенные элементы.
Характеризуемые этим определением системные образования представляют собой особый тип географических систем, служащий объектом научных исследований.
Следует признать, что «малая речная система» и «ландшафт» не являются синонимами. Как на территории одного речного водосбора можно встретить различные ландшафты, так и в пределах одного ландшафта - разные МРС. Ближе по определению к малой речной системе - термин «геосистема», предложенный В.Б. Сочавой [295] (от греческого ge - Земля и systema - буквально «целое, составленное из частей»). Родовое понятие системы -«...совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность, единство» [240, с. 329]. Корневые слова термина «геосистема» не обусловливают ограничений сферы его применения (в рамках семейства наук о Земле). Не имеет это понятие и ограничений таксономического порядка, «...оно может применяться к образованиям локального, регионального и глобального масштаба» [240, с. 57].
Основным свойством МРС как открытой геосистемы является ее функционирование, включающее в себя совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии. Помимо функционирования МРС отвечают и другим требованиям системности: целостности, упорядоченности (структурности), организованности и пр.
Целостность системы проявляется в ее относительной автономности и устойчивости к внешним воздействиям, в наличии объективных естественных границ, упорядоченности структуры, большой тесноте внутренних связей.
Пространственный аспект структуры состоит в упорядоченности взаимного расположения водосборов меньших порядков, наличии четко обозначенных внутри- и межсистемных связей. Временной аспект структуры и динамики МРС определяется именно их принадлежностью к геосистемам, которым присуща временная (сезонная) упорядоченность.
Формирование современных МРС и их функционирование происходили и происходят в результате взаимодействия природных компонентов (атмосферы, гидросферы, литосферы, биоты - сообществ организмов - растений, животных и микроорганизмов) и системы хозяйственных мероприятий человека. Особо большое влияние на формирование обмена, структуры и функций ландшафтов МРС оказывает сельскохозяйственная деятельность и поэтому в структуре МРС должны быть представлены формирующие элементы САЛМ (рис. 1.1).
Управление МРС может осуществляться воздействием на основные функции систем (территориальные, производственные, метеорологические, гидрологические, биологические, физико-химические) через изменение (улучшение) ее структуры.
При формировании структуры МРС главным условием выступает высокая степень адаптации новых элементов САЛМ (лесных пород, гидротехнических сооружений, дорог и т.п.) в ландшафтах.
Теоретические основы прогностической модели инфильтрационного питания грунтовых вод
Влияние САЛМ на распределение снежного покрова, увлажнение территории, урожай сельскохозяйственных культур, а также на водность, гидрологический режим и качество воды рек необходимо рассматривать, исходя из сравнения составляющих водного баланса мелиорированных и немелиориро-ванных (открытых, полевых) водосборов.
Система мелиоративных мероприятий вызывает определенные изменения в естественных процессах влагообмена территорий. Преобразованные части водосбора способствуют снижению поверхностного стока и, как следствие, увеличению грунтовой составляющей водного баланса, что оказывает позитивное влияние на речной сток. Полевые водосборы, напротив, теряют влагу выпадающих осадков на сток, что влечет за собой эрозию почв, снижение урожайности сельскохозяйственных культур, а также уменьшение водности рек в меженный период.
В целом влияние противоэрозионных мероприятий на водный баланс водосборов сводится к решению следующего уравнения [201]: где х-осадки, мм, „-поверхностный сток, мм, угр-грунтовый сток, мм, е-испарение, мм, и - аккумуляционный член, мм.
До настоящего времени метод водного баланса ни в гидрологии (например, для определения составляющей внутригодового распределения стока), ни в мелиорации не нашел достаточно широкого применения из-за трудности определения "е"и V.
Одной из важнейших задач гидрологических аспектов мелиорации является выбор метода прогноза постмелиоративных изменений во всех звеньях влагообмена (осадки, испарение, сток, влагосодержание зоны аэрации) и модели влагопереноса в системе «зона аэрации - грунтовые воды».
Для мелиоративного комплекса, включающего в себя лесные полосы и гидротехнические сооружения, применительно к грунтовой составляющей S уравнение водного баланса можно представить в виде: S = H + X + hB+hM-E-hJBI, (4.35) где Н - снегозапасы + осадки периода снеготаяния в обвалованной лесной полосе, мм; Х-осадки бесснежного периода, мм; Ав-сток с вышележащих угодий, образуемый весенним снеготаянием, мм; / д-сток с вышележащих угодий, образуемый дождевыми осадками, мм; -эвапотранспирация, мм; hjjjj -поверхностный сток из лесной полосы, мм.
Однако учет составляющей S, а тем более прогноз ее изменения при проектировании систем противоэрозионных мероприятий, вызывают наибольшее затруднение. Еще большую трудность вызывает определение объема фильтрации заданной вероятности превышения. В связи с этим нами предлагается метод решения одномерной задачи влагопереноса в зоне аэрации и фильтрационного пополнения грунтовых вод. Постановка задачи предусматривает представление гидрогеологических закономерностей в виде, допускающем математическую формулировку. При этом устанавливаются характер протекания процесса во времени и его граничные условия.
В основу предлагаемой модели положен метод вероятных вариантов А.Д. Саваренского [280], разработанный для расчета водохранилищ многолетнего регулирования стока. Сущность метода применительно к поставленной задаче заключается в установлении соотношения приходной и расходной статей баланса влаги, определяющих величину притока в грунтовые воды. Расчет основан на представлении всей толщи зоны аэрации под элементом мелиоративного комплекса (например, под обвалованной лесной полосой) как некоего «резервуара» и рассмотрении баланса влаги в данном элементарном объеме.
Приращение расхода воды в этой толще почвогрунтов будет определяться приходной и расходной статьями уравнения водного баланса (4.35). При решении задачи необходимо рассчитать влагоперенос с учетом сезонного цикла поступления и расходования влаги в зоне аэрации для многолетнего ряда.
На начальном этапе решения рассматриваемой задачи целесообразно задаться параметрами мелиоративной системы с обоснованием основных элементов, технические параметры которых играют значительную роль в режиме промачивания зоны аэрации. Их роль в данном случае сводится к задержанию и накоплению атмосферных осадков и поверхностного стока,
В предлагаемой прогностической модели делается допущение, что лесная полоса, усиленная ГТС, способна задержать сток заданной вероятности превышения полностью (не уточняя размеры водозадерживающих ГТС). Следовательно, значение поверхностного стока из лесной полосы h в уравнении (4.35) в расчетах не учитывается.
Основные экспериментальные данные для решения модели приняты по Вязовскому опытному стационару.
Расчет по указанной методике произведен для наиболее простого варианта агрофона - выбитого пастбища. Такой выбор обусловлен, во-первых, тем обстоятельством, что пастбище является наиболее стокоформирующим агрофоном, а во-вторых, сложностью расчета приходной части водного баланса сельскохозяйственных полей, чередующихся по схеме севооборота.
На склоне южной экспозиции длиной 300 м и крутизной 3, занятом эродированным пастбищем, глубина залегания грунтовых вод составляет 7 м.
Почвенный покров представлен черноземами южными на плотных коренных породах, горизонты В и С - среднесуглинистые, песчано-крупнопылеватые. В качестве расчетного принимается сегмент лесной полосы, усиленной ГТС, шириной 15 м и длиной 1 м при условии сплошного затопления поверхности водой. Данная почвенно-грунтовая колонка площадью 15 м представляется как чрезвычайно эффективная аккумулирующая среда, приходную часть которой составляют осадки и поверхностный сток с пастбища (весенний и ливневой).
Для определения грунтовой составляющей в соответствии с выражением (46) составлена вспомогательная расчетная таблица (табл. 4.14).
При известных водно-фильтрационных свойствах почвогрунтовой толщи принимаются три условия начальной влажности зоны аэрации: I -влажность всей зоны находится на уровне влажности завядания (ВЗ); П - то же на уровне (ВЗ+НВ)/2; III - то же на уровне наименьшей влагоемкости (НВ). При этом ВЗ и НВ рассчитываются как общие для всей семиметровой толщи почвогрунта. Для определения значений, составляющих приходную статью баланса заданной вероятности превышения, строятся аналитические кривые обеспеченности: осадков бесснежного периода и снегозапасов в лесной полосе; дождевого и весеннего стоков с пастбища. Статистический ряд годовых осадков смешанного происхождения получается путем суммирования по каждому году осадков бесснежного периода и снегозапасов в лесной полосе (прил. 26). Аналитическая кривая обеспеченности осадков рассчитывается и строится по аналогии с кривыми слоя и модуля стока (прил. 27).
Таким образом, на основании многолетних данных наблюдений за осадками (твердыми и жидкими), рассчитана совместная кривая осадков представленная на рис. 4.15.
Расходную статью формирует эвапотранспирация. Значения этой характеристики водного баланса приняты нами по [175], [96], [112].
Воздействие мелиорации на водно-физические свойства склоновых почв
Обогащение южных черноземов органическим веществом и илистыми частицами за счет окультуривания привело к оструктуриванию почвы и улучшению водно-физических свойств. Так, в верхних слоях почвы присете-вого фонда в 1,5 - 3,0 раза снижается глыбистость структуры (частицы диаметром 10 мм) по сравнению с контрольными приводораздельными почвами, что усилило формирование агрономически ценных агрегатов (частицы диаметром 0Д0 -0,25 мм) на 9 - 21 % и повышение коэффициента структурности до 1,9 -4,3 против 1,5 на контроле (табл. 6.30). Однако следует отметить, что глыбистость структуры в горизонтах ВІ разреза 5 и, особенно, в горизонтах В2 разрезов 7, 8 присетевого фонда, а также во всем профиле разреза 11 гидрографического фонда возрастает на 10 - 30 % по сравнению с глы-бистостью почвы контроля. Это, очевидно, вызвано усилением щелочности почвенного раствора в этих разрезах (рН 7,4 - 8,5) и некоторым увеличением содержания объемного натрия в почвенно-поглощающем комплексе от 1,87 до 2,60 % (разрезы 5, 7, 11, табл. 6.29), которые обусловливают диспергирование минеральной и органической частей почвы, с образованием подвижных форм гумусовых кислот, формирующих слитную структуру [60]. Все это снизило содержание агрономически ценных агрегатов и коэффициент структурности до 0,6 - 0,9 (табл. 6.30), но эти процессы протекали на глубине 56 -65 см и на развитие растений не могли оказать существенное влияние.
Важным свойством структуры является её водопрочность, которая по мнению многих исследователей [283] зависит от содержания деятельного гумуса, илистых частиц и "стража" структуры - кальция.
Результаты анализов (мокрый рассев по методу Н.И. Савина [56]) показывают, что водопрочность структуры находится в прямой зависимости от количества обменного кальция. Так, почвы приводораздельного фонда не утратили своей хорошей водопрочной (62,2 %, табл. 6.30) структуры за счет высокого содержания обменного кальция (61,2 - 71,0 %, табл. 6.29). В структурном состоянии окультуренных почв склона (разрезы 5, 6, 7) прослеживается тенденция усиления водопрочное агрегатов нижних горизонтов там, где более высокое содержание кальция. Такое распределение кальция по профилю окультуренных склоновых почв возможно объяснить тем, что корневая система ранее возделываемых многолетних злаков при жизни развивалась в верхних слоях почвы, а корни многолетних бобовых вследствие большой потребности их в кальции распространялись в более глубокие слои. По мнению В.Р. Вильямса значение злаковых трав в придании почве структуры и способности накапливать в верхнем слое почвы перегноя не подлежит сомнению. Но при разложении корневых систем злаков выделяется слишком малое количество таких соединений кальция, которые могли бы образовать катион кальция [60]. В то же время корни многолетних бобовых имеют корневые шейки, обогащенные питательными веществами, содержащими серу и кальций. При разложении этих шеек, кроме углекислой извести, образуется значительное количество азотнокислого и сернокислого кальция, которые при электрической ионизации образуют катион кальция. Этот катион кальция поглощается органическим веществом, образующимся во время распада корней злаков, придавая большую прочность перегною и структуре почвы [60].
Поэтому для повышения почвенного плодородия рекомендуют совместные посевы злаково-бобовых трав. Благодаря этим процессам водопрочность структуры присетевого фонда в целом хорошая и находится в пределах 55,1 -70,8 % (табл. 6.30). Исключением являются верхние горизонты почв ЛП (разрез 4), где содержание водостойких агрегатов составляет 72,3 %, что определяет водопрочность структуры как отличную за счет большего обогащения этой почвы органическим веществом. На увеличение водопрочности агрегатов черноземов обыкновенных и южных в 2 - 3 раза указывали Б.П. Ахтыр-цев и И.А. Лепилин [18]. Следует отметить, что более низкая водопрочность структуры образовалась в тех почвах и слоях, где наименьшее содержание кальция. В верхних горизонтах разрезов 5, 7, 8 водопрочность ниже, чем на контроле (разрезы 1, 3, табл. 6.30) и составляет 54,2 - 58,6 % против 62,2 -61,8 % почв водораздела. Соответственно разрезам количество кальция было 55,6 - 50,6 % от суммы обменных оснований по сравнению с контролем 71,0 -69,0 (табл. 6.29). В склоновых почвах присетевого фонда было меньше и содержание перегноя - 3,19 - 3,48 % (табл. 6.25), по сравнению с почвами водораздела 5,33 и 4,59 % соответственно.
Водопроницаемость - одно из важнейших водно-физических свойств: величина её является определяющим фактором формирования поверхностного стока.
Водопроницаемость почвы в различные интервалы времени на различных сельскохозяйственных угодьях приведена в табл. 6.31.
Щебенчатые черноземы с большим включением опоки пропускают воду с поверхности вниз по крупным порам под воздействием силы тяжести. Движение воды происходит под преобладающем действием впитывающих сил вогнутых менисков, образующихся в большом количестве в еще незаполненных порах промачиваемого слоя. Т.к. силы трения и сопротивления почвенного воздуха, вытесняемого из пор, в начале опыта малы, а капиллярные силы имеют максимально возможную величину, то вода в большом ко личестве поступает вглубь почвогрунта. Эту стадию просачивания называют инфильтрацией.
При достижении определенной мощности промоченного слоя количество просачивающейся воды уменьшается до постоянной. Дальнейшее продвижение воды происходит сплошным потоком с постоянной скоростью под действием силы тяжести: наступает стадия фильтрации. Величина фильтрации зависит от многих факторов: первоначальной влажности почв, наличия или отсутствия водоупора, гранулометрического состава, плотности, наличия корней, структуры и т.п. Скорость фильтрации на старопашке (водораздел, тяжелый суглинок) составила 1,75 мм/мин. По наблюдениям, выполненным ранее В.А. Калужским [144], скорость фильтрации здесь составляла 1,52 мм/мин. Увеличение скорости фильтрации объясняется некоторым улучшением поверхностного слоя почвы. В почве СЛП, густо пронизанной корнями древесной растительности и насыщенной включениями щебня, отмечена очень высокая скорость фильтрации - 9 мм/мин.
Опыты в ПЛП, где почвы тяжелосуглинистые и менее пронизаны корнями, показали тоже высокую, но меньшую скорость фильтрации, равную 6 мм/мин.
В спелом лесу сказывается влияние лесной подстилки, обладающей высокой водопроницаемостью. По В.Д. Бодрову [37] просачивание воды через подстилку достигает скорости 300 мм/мин. В нашем опыте лесная подстилка маломощная, разложившаяся, почва легкосуглинистая на продуктах выветривания опоки. Подстилка и верхний слой почвы сильно выбиты и уплотнены скотом, пронизанность корнями слабая. Несмотря на то, что в горизонтах В и С много включений опоки, водопроницаемость в лесу сравнительно невысокая (2 мм/мин) и величина её определяется трудно проходимым для воды верхним распыленным слоем. Верхний слой почвы определяет фильтрацию и на выбитом пастбище, где скорость фильтрации в 3 - 4 раза ниже, чем на некосимом и невыпасаемом.
Практически во всех разрезах почва и почвогрунт с глубины 25-30 см сильно насыщены включениями опоки, а с глубины 60 см подстилается опокой, которая обладает большой водопроницаемостью. Во многократных опытах при определении водопроницаемости горизонта С нами наблюдалась провальная фильтрация; нижние слои (частично горизонт В и полностью горизонт С) не являлись определяющими для величины фильтрации. Влага в этом случае обтекает частицы почвогрунта, не заполняя пор; характер движения воды определяется расходом воды из верхнего слоя. Кроме того, на величину фильтрации влияют такие факторы как способность к набуханию -увеличению объема почвогрунта при увлажнении, в основе чего лежат коллоидные явления, а также вмывание мелкозема в поры - заиливание поверхности почвы. Все эти, далеко не полностью перечисленные факторы, существенно влияют на характер движения воды в почвах и грунтах.
На щебенчатых южных черноземах скорость фильтрации устанавливается очень быстро - практически в течение одного часа. Скорость фильтрации составляет в СЛП - 9,00, ПЛП - 6,00, на зяби (тяжелый суглинок) - 3,75, на невыбитом скотом пастбище - 3,50, многолетних травах - 3,00, старопашке и лесу (выбитом скотом) - 2,12 - 2,25, на выбитом пастбище -1 мм/мин.
Больше всего впитывалось воды в ЛП, затем на зяби и некосимой не-выбитой степи и многолетних травах. Наименьшее впитывание наблюдалось на выпасаемом пастбище, где почва выбита и уплотнена скотом. Количество впитавшейся воды в СЛП в 9, ГОШ - 6, на зяби - 4, многолетних травах - 3, старопашке и лесу (выбитом скотом) - 2 раза больше, чем на выбитом пастбище.
Щебенчатые почвы в целом обладают высокой фильтрационной способностью, превосходящей интенсивность ливней в Поволжье. Но из-за уплотненности и распыленности верхнего слоя почвы, ливни с большой интенсивностью вызывают сток, концентрирующийся в водные потоки из-за расчлененности склонов густой сетью промоин и микроложбин.
Экономическая и энергетическая эффективность мелиорации водосборов
Следствием физического ущерба плодородию земли является снижение урожайности сельскохозяйственных культур. В нашем случае участок, на котором внедрен комплекс противоэрозионных мероприятий, вообще выбыл из сельскохозяйственного оборота. Ввести его в сельскохозяйственное использование возможно только путем применения современных технологий и технических средств, различных видов мелиорации, что требует определенных затрат.
На практике все многообразие почвозащитных мероприятий сводится в две группы:
1) профилактические, которые выполняются с целью не допущения эрозионных процессов, а, следовательно, и ущерба от них;
2) мероприятия, направленные на ликвидацию отрицательных последствий эрозии и на восстановление земель.
Среди многих мелиорации, агролесомелиорация является одним из доступных, мощных, длительно действующих и экологически чистых способов биологической мелиорации степных почв. Научно организованная, взаимодействующая система защитных лесных насаждений (ЗЛН) изменяет не только облик безлесных территорий, но и существенно сокращает процессы эрозии почв, улучшает микроклиматический и гидрологический режимы территории, повышает плодородие почв и продуктивность земли. Мелиоративная роль ЗЛН возрастает при проведении на мелиорированных склонах простейших агротехнических приемов и строительстве гидротехнических сооружений. Что и было осуществлено на опытном водосборе ОПС "Вязовский".
Основным источником окупаемости затрат является стоимость прибавки урожая.
Другим источником окупаемости является предотвращенный ущерб от водной эрозии почв, для расчета которого необходимо знать площадь ежегодного отчуждения заовраженных земель. По данным А.В. Лысова и П.Н. Проездова [199] в зоне наших исследований прирост заовраженных земель составляет 0,14 га на каждый квадратный километр водосборной площади овражной системы, а приовражная непашь примерно в пять раз превышает прирост площади под самой гидрографической сетью.
В прил. 50 приведен расчет дополнительного чистого дохода с площади пашни, защищенной от овражной эрозии на водосборе, а в прил. 47 - экономическая эффективность комплекса противоэрозионных мероприятий по годам.
В табл. 8.5 приведена экономическая эффективность выращивания сельскохозяйственных культур за 1991-2001 гг. Средний ежегодный чистый доход на контрольном водосборе составил 70,0, в то время как на опытном -88,7 руб. с 1 га, т.е. в 1,3 раза больше. Увеличение дохода за год на опытном водосборе составило 25,1 руб. с 1 га.
В табл. 8.6 представлены текущие затраты, годовой чистый доход и рентабельность по периодам за все годы освоения эродированного водосбора.
Анализируя табл. 8.6, отмечаем резкое возрастание рентабельности после 1980 года, в связи с введением зернового севооборота.
Дополнительный чистый доход за все годы освоения заовраженных земель составил в среднем 54,9, а с учетом предотвращения потенциально возможной эрозии - 64,6 руб. с 1 га, т.е. в 1,2 раза больше (прил. 47). Рентабельность выращивания сельскохозяйственных культур на мелиорированном во досборе за 1964-2001 годы составила 118,1 % , а за период наших исследований 1991-2001 гг. - 163,8 % против 117,4 % на контрольном (не мелиорированном) водосборе.
Эффективность мелиоративного комплекса, особенно после 2000 г, когда наступил период его стационарного функционирования, может быть значительно повышена применением дифференцированной агротехники, в частности, внесением удобрений, которые после 1995 года на исследуемом водосборе не вносятся.
Между тем, как отмечают В.М Кретинин и З.М. Селянина [173] очень отзывчивы на изменение почвешіо-гидрологических и агротехнических условий в системе лесных полос такие ценные культуры, как кукуруза, озимая пшеница, люцерна.
На основании данных табл. 8.4 посчитана энергетическая эффективность прибавки урожайности на мелиорированном водосборе (табл. 8.7).
Согласно табл. 8.7 наименьший коэффициент энергетической эффективности имеет место при выращивании трав, что связано с большей энергоемкостью процесса производства прибавочной продукции по отношению к получаемой при этом валовой обменной энергии в сравнении с озимыми и яровыми культурами. В целом, средний коэффициент энергетической эффективности достаточно высокий и составляет 4,39.
Позитивное значение САЛМ не ограничивается прибавкой урожайности. Повышение плодородия эродированных почв, аккумуляция в них ценных органических и минеральных веществ положительно сказались на энергетическом потенциале мелиорированного водосбора.
В таблице 8.8 приведены данные анализов почв на содержание гумуса, валовых азота, фосфора, калия на мелиорированном и контрольном водосборах ОПС "Вязовский". На основании данных табл. 8.8 рассчитана энергетическая эффективность мелиорации водосбора табл. 8.9 (по В.М. Кретинину [172]).
Анализ табл. S.9 свидетельствует о том, что суммарный эффект от повышения плодородия почв под влиянием мелиорации за относительно небольшой период (37-38 лет) довольно высокий. Прибавка энергии в почве на мелиорированном водосборе в среднем достигает 706 ГДж/га При этом 95 % суммарного энергетического эффекта приходится на гумус.
