Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса, цели и задачи исследований 8
Глава 2. Природно-климатические условия Приобского плато Алтая 31
2.1. Физико-географическая характеристика 31
2.2. Климат 32
2.3. Почвенные и растительные условия . 34
2.4. Характеристика района исследований . 35
Глава 3. Условия и методика проведения исследований. 38
3.1. Метеорологические условия в годы опытов 38
3.2. Программа и методика исследований 42
Глава 4. Особенности и условия формирования снежного покрова на склоновых землях 48
4.1. Виды снегозадерживающих преград и размещение их на водосборе 48
4.2. Условия формирования снежного покрова. 51
4.3. Высота снежного покрова на различных угодьях 57
4.4. Плотность снега и условия ее формирования 73
4.5. Запасы воды в снеге и коэффициенты сне-гоотложения 80
4.6. Баланс твердых осадков малого водосбора 89
Глава 5. Снежный покров, сток талых вод и эрозия почвы 100
5.1. Снежный покров и промерзание почвы 100
5.2. Оттаивание почвы . 103
5.3. Сток и аккумуляция талых вод НО
5.4. Снежный покров и эрозия почвы 118
Глава 6. Влажность почвы и урожай сельскохозяйственных культур 123
Глава 7. Полосное размещение культур и контурно-мелиоративное земледелие 138
7.1. Формирование снежного покрова 138
7.2. Сток талых вод и эрозия почвы 142
7.3 Агроэкономическая эффективность внедрения системы контурно-мелиоративного земледелия на склонах
Выводы 159
Рекомендации производству 162
Список использованной литературы 163
Приложения
- Состояние вопроса, цели и задачи исследований
- Физико-географическая характеристика
- Метеорологические условия в годы опытов
- Виды снегозадерживающих преград и размещение их на водосборе
- Снежный покров и промерзание почвы
Введение к работе
Повышение эффективности сельскохозяйственного производства - одна из важнейших задач развитого социалистического общества. В решениях ХХУІ съезда КПСС указывается на необходимость использования всех достижений научно-технического прогресса для подъема сельского хозяйства и широкого участия других отраслей народного хозяйства в приумножении продукции земледелия и животноводства. Одной из задач, поставленных ХХУІ съездом КПСС, является увеличение среднегодового объема производства продукции сельского хозяйства по сравнению с предыдущим пятилетием на 12-14 %. На I98I-I985 гг. среднегодовой валовый сбор зерна необходимо довести до 238-243 млн.тонн, а к 1990 году производить его до одной тонны на человека в среднем по стране.
В решении этих задач, поставленных партией и правительством, важное место отводится и Западной Сибири, являющейся крупным поставщиком товарного зерна. В распоряжении колхозов и совхозов этого региона имеется 35,7 млн. гектаров сельскохозяйственных угодий, в том числе 19,7 млн. гектаров пашни, из них 7,2 млн. расположено в Алтайском крае. Основные посевы зерновых культур, находящиеся в лесостепных и степных зонах, располагаются в основном на территориях с богатыми черноземными почвами, способными при достаточной влагобеспеченности давать хорошие урожаи. Так, урожай зерновых в 1972 г. по Алтайскому краю составил 20 ц/га. В Омской области за три года девятой пятилетки - 15,4 ц/га. Однако в целом Сибирь по уровню урожайности еще значительно отстает от ведущих зерновых районов страны. Колебания урожаев зерновых культур по годам и в разрезе районов огромны.
На июльском (1978 г.) Пленуме ЦК КПСС в докладе "О дальнейшем развитии сельского хозяйства СССР" Генеральный секретарь ЦК КПСС Л.И.Брежнев поставил задачу более устойчиво вести зерновое хозяйство, из года в год повышать урожайность полевых культур, использовать для этих целей все возможности и резервы.
К числу этих резервов относится и изучение вопросов ведения земледелия в Западной Сибири, главным из которых является сельскохозяйственная мелиорация земель. Крайне сложные и суровые почвенно-климатические условия, в которых ведется сельское хозяйство Сибири, как ни в какой другой зоне страны, определяют необходимость всестороннего и тщательного учета всех факторов формирования урожая, научно обоснованного и дифференцированного подхода к решению проблем земледелия. Особое значение для сибирского земледелия имеют рациональное использование водно-земельных ресурсов и защита почв от эрозии, наносящей огромный ущерб сельскохозяйственному производству. Изучению этих проблем, в частности проблемы накопления влаги и ее использования на склонах, и посвящена наша работа. Значению роли снежного покрова как в сельском хозяйстве, так и в природе в целом большое внимание было уделено и уделяется в работах отечественных и зарубежных исследователей. Еще в дореволюционный период значению снежного покрова в формировании весеннего половодья рек, физико-механическим свойствам снега и методам борьбы со снежными заносами на железных дорогах посвятили свои работы А.И.Воейков, В.В.Докучаев, А.А.Измаильский, М.И.Афонин и др.
В условиях планового ведения социалистического хозяйства интерес к изучению снежного покрова значительно возрос. Исследования, выполненные в советский период, позволили получить важные результаты не только в области географии снежного покрова и его роли в природных процессах, но и создали возмож- ность ученым Б.Д.Комарову, А.И.Бараеву, И.Д.Копаневу, А.К.Дюни-ну, Г.Д.Рихтеру, П.И.Фольмеру, А.М.Шульгину и др. разработать методы снежных мелиорации в практике земледелия. Назрела настоятельная необходимость комплексного решения проблемы снегорегу-лирования на больших площадях. По приближенным расчетам введение комплексного и рационального снегорегулирования снегопере-носа на территории СССР может дать ежегодную прибыль до I млрд. рублей и ежегодную прибавку к урожаю свыше 0,6 млрд .пудов зерна. Но, несмотря на большое практическое и научное значение, проблемы метелей и снегопереносов по-прежнему остаются до конца не изученными. Данная работа не претендует на исчерпывающее заполнение этого пробела. Автор ставил целью изучить лишь некоторые закономерности отложения снежного покрова в условиях пересеченной местности в зависимости от форм рельефа, вида подстилающей поверхности, количества осадков и ветрового режима района.
Б данной работе впервые на малых водосборах Приобского плато определен баланс твердых осадков, даны их количественные характеристики. Б этой связи дана оценка эффективности различных приемов снегозадержания и их агроэкономическая целесообразность применения на сложных водосборах в условиях принятой и новой контурно-мелиоративной системы землеустройства территории.
Анализируется влияние лесных полос на распределение снего-запасов на водосборе и площади межполосных полей.
Рассматриваются условия формирования склонового стока при весеннем снеготаянии, определены его величины.
Б работе дается краткое описание и анализ методов исследования и расчета основных элементов баланса твердых осадков, определения коэффициентов снегоотложения и стока талых вод как на водосборе в целом, так и на отдельных его участках.
На основании полученных данных предлагается отработать пути рационального распределения снега по территории пашни, а также наметить приемы регулирования снеготаяния и стока талых вод при земледелии на склонах малых водосборов в Приобской лесостепи Алтая.
На защиту выносятся:
Выявление основных особенностей формирования снежного покрова на территории сложного водосбора Приобского плато в зависимости от форм рельефа, состояния ее поверхности и климатических условий района.
Определение баланса твердых осадков, величины стока и аккумуляции талых вод с различных угодий пашни, ролучение для них количественных характеристик.
Определение степени эффективности различных приемов снегозадержания и их агроэкономическая целесообразность применения на сложных водосборах в условиях принятой и новой контурно-мелиоративной системы земледелия.
Б данной работе изложены 10-летние материалы по снежному покрову и его регулированию, полученные автором при разработке системы комплексного использования водно-земельных ресурсов (контурно-мелиоративной системы земледелия, раздел I).
Автор искренне выражает свою признательность исполнителям и соисполнителям смежных разделов и подразделов темы: заведующему лабораторией контурно-мелиоративного земледелия, кандидату с.-х. наук Б.Г.Ткаченко, начальнику отдела агрометнаблюде-ний Б.А.Леконцеву, директору ОПХ "Докучаево", заслуженному агроному РСФСР, канд.с.-х. наук И.М.Мальцеву, ст. науч.сотр. В.В.Больнову, ст.инженеру-гидротехнику В.К.Филиппову, мл.науч. сотр. Т.В.Пономаревой и другим сотрудникам АНИИЗиСа и агроме- теостанции за содействие в успешном выполнении освещаемого в данной работе раздела.
Состояние вопроса, цели и задачи исследований
Ознакомление с материалами всемирной метеорологической организации (ВМО), а также с литературными источниками показало, что снегосъемочные наблюдения проводятся во всех странах, где образуется снежный покров, независимо от продолжительности его залегания. Снегомерная сеть особенно заметно выросла за последние 15-20 лет и продолжает расширяться.
В настоящее время достаточно эффективные поиски и исследования в области снегосъемных работ ведутся в нашей стране, во многих странах Западной Европы (Чехословакии, Польше, Швейцарии, Финляндии), Японии и Канаде.
В ряде стран (США, Швейцария, Япония, Чехословакия и др.) с целью расширения информации о снежном покрове, в дополнение к наземным снегомерным наблюдениям, применяются аэрофотосъемки и аэровизуальные наблюдения. В течение последних лет ВМО предпринимает попытки унифицировать по возможности существующую методику снегомерных наблюдений с тем, чтобы можно было получать более или менее однородные данные, приемлемые для выявления закономерностей формирования снежного покрова и его роли как природного фактора в планетарном масштабе.
В настоящее время во всем мире имеется около 7000 метеостанций, из них 3800 входит в сеть ВМО, и тем не менее потребности в метеорологической информации удовлетворяются только на 20 %. И для восполнения пробелов используют возможности метеоспутников. Ни в одной стране мира снежный покров не имеет такого широкого распространения и не играет такой большой роли в природе и народном хозяйстве, как в СССР. Поэтому не случайно в изучении снежного покрова ведущее место занимают исследования русских и советских ученых.
Первые попытки управлять снежным покровом были предприняты еще на заре отечественной агрономии. Б 1771 году М.И.Афонин в целях задержания снега и талых вод предлагал проводить "борозды водяные". А.И.Воейков выполнил ряд работ, в которых показал большое значение снежного покрова в природе. Он впервые в мировой научной литературе поднял вопрос о необходимости изучения снежного покрова, оказывающего огромное влияние на природу и хозяйственную деятельность человека. Учение А.И.Боейкова о снежном покрове получило развитие благодаря деятельности В.Б.Докучаева, который считал влагу решающим фактором, обеспечивающим урожайность плодородных степей. Б.Б.Докучаев большое значение придавал точному учету распределения снежного покрова на различных элементах ландшафта.
Вопросы снегозадержания в литературе конца XIX века более полно освещены в работах А.А.Измаильского, П.А.Костычева, Б.В.Докучаева, И.Е.Овсинского, Р.Э.Давида (1932), которые после катастрофической засухи 1891 года проблемы снегозадержания и снегонакопления подняли до уровня общегосударственных проблем.
В I9I0-I9II годах снегозадержание проводилось более чем на 29 тысячах десятин земли (В.Г.Ротмистров, 1913). Принципиальные положения о роли снежного покрова в сельском хозяйстве, в частности о его влиянии на температуру почвы, были установлены также в работах Г.Ф.Абельса (1893), Г.Д.Рихтера (1945),А.И.Воейкова (1949), П.П.Кузьмина (1957), Д.Л.Лайхтмана (I960). Они показали, что снег, как плохой проводник тепла, защищает почву от охлаждения тем сильнее, чем он рыхлее при температуре воздуха и снега ниже 0. Сопоставление данных с материалами наблюдений, которые проводились с 1883 года метеостанцией г.Барнаула, свидетельствует, что в условиях резко континентального климата Западной Сибири снежный покров оказывает значительно большее влияние на температурный режим почвы, чем в условиях приморского климата (под Ленинградом). Позднее в работах Л.С.Берга (1938), В.А.Берга (1956), Г.Д.Рихтера (1945), А.М.Щульгина (1957), А.Р.Макарова (1973) была определена зависимость глубины промерзания почвы от высоты снежного покрова. Роль снежного покрова в предохранении почвы от интенсивного охлаждения возрастает с увеличением его мощности, но до определенного предела. А.М.Шульгин (1957), используя температурные данные, полученные в результате наблюдения кущения озимых культур на глубине 3 см, выделил на территории нашей страны семь районов зимнего климата почв. А.М.Чекотилло (1955), анализируя материалы многолетних наблюдений над температурой почвы ряда станций, обратил внимание на большую длительность периодов одинаковых температур почв в зимнее время. Тепловой поток в почве, покрытой снегом, в несколько раз меньше потока тепла в оголенной почве. По расчетам Н.В.Серовой (1958) поток тепла в оголенную почву в январе на глубине 20 см составлял 105 кал/cwr, а поток тепла в почву, покрытую снегом, за тот же период наблюдений не превышал 14 кал/смг. По данным В.Л.Гаев-ского (1951) изменение альбедо поверхности на 5 % для широты 40 обусловливает изменение температуры поверхности на 1,3. Изучение температурного режима почвы и воздуха представляет большой научный и практический интерес еще и потому, что формирование снежного покрова находится в тесной зависимости от температурных условий. Этой проблеме посвящают свои работы А.И.Воейков (1949); Г.Д.Рихтер (1954, I960); В.А.Юферов (1955). Данные их наблюдений согласуются с материалами ранее указанных исследователей.
В последние десятилетия характер распределения снежного покрова на территории нашей страны изучали многие исследователи. При этом одни из них уделяли внимание в основном географическому распределению снега (Г.Д.Рихтер, 1945; П.Л.Кузьмин, I960), другие исследователи изучали влияние ориентации склонов и состояние их поверхности на перераспределение снежного покрова на водосборе (Е.Д.Сабо, 1956; И.С.Гришин, 1961; И.С.Соседов, 1962; А.Н.Каштанов, Н.С.Тумайкин, 1970, 1975; Г.И.Серых, В.Г.Ткаченко, 1979). Распределению снежного покрова по видам угодий на равнине посвящены работы А.А.Кунгурцева (1956), Н.А.Мощенко (1957), А.В.Яшина (I960), М.Е.Черепанова (1970, 1972), Н.И.Фольмера (1980). Роль снежного покрова в садоводстве достаточно полно освещена в работах Г.В.Васильченко (1968, 1974). Изучая особенности снегораспределения на открытых и залесенных участках, он пришел к выводу, что участки, находящиеся под защитой лесной полосы, имели наибольшую высоту снежного покрова в первых 30-40 метрах поля. Далее снег отлагался равномерно. На участках же садового поля без лесополос снег на расстоянии 15 метров от края поля выдувался, наибольшая его высота наблюдалась в 40-60 метрах от первого ряда посадок.
Физико-географическая характеристика
Лесостепная зона на территории Алтайского края занимает северную и северо-восточную его части, протянувшиеся на 530 км с запада на восток - от Кулундинской степи до подножий Салаирско-го кряжа - и примерно на 240 км с севера на юг, от границы Новосибирской области до предгорий Алтайских гор (между 87 и 80 восточной долготы и 52 и 54 северной широты).
Общая площадь пашни около 4 млн. гектаров. Лесостепи Алтайского края представляют собой слабовыраженную равнину, расположенную на высоте 200-300 метров над уровнем моря.
Территория их расчленена ложбинами древнего стока, глубина которых достигает местами от 50 до 80 м и ширина 8-12 км. По большей части этих ложбин протекают реки: Алей, Барнаулка, Кос-мола, Ляпиха и др. Одни из них впадают в р.Обь, другие текут в сторону Кулундинской равнины, где заканчиваются в бессточных озерах.
Лесостепи, расположенные на левобережье р.Оби, характеризуются сильноразветвленной речной, балочной и овражной сетью, встречаются гривные формы рельефа.
В юго-западной половине ложбин имеется много озер, составляющих непрерывную цепь. Проточные озера в большинстве пресные, а не имеющие стока - горько-соленые или соленые. В северо-восточной части плато озер нет.
Склоны древних ложбин террасированы. Здесь насчитывается не менее трех террас. Самая нижняя из них - аккумулятивная, верхние - эрозионные. Пашня в Приобской лесостепи Алтая подвер-,,. дена воздействию водной и ветровой эрозии.
Метеорологические условия в годы опытов
Период 1970-1980 гг. характеризуется значительным недобором осадков зимнего периода (ноябрь-март) по отношению к средней многолетней величине (рис.3.I). Среднее за это десятилетие количество твердых осадков составило 105,4 мм при норме 165 мм.
В процентах от годовой суммы выпавших осадков они колебались в пределах от 19,3 (1970 г.) до 32,0 (1973 г.) при средней многолетней величине 34,6 % (рис.3.2). Наибольшее количество твердых осадков (142,7 мм) выпало в сезон 1978-1979 гг., наименьшее (62,1 мм) в 1979-1980 гг. По месяцам относительно многоснежными за десятилетие оказались ноябрь-январь (рис.3.1). Средняя температура зимнего периода за годы исследований оказалась выше нормы на 1,3. Самой суровой была зима 1976-1977 гг., самой мягкой - 1977-1978 гг. Наиболее низкая температура наблюдалась в январе и феврале (соответственно 16,9 и 15,9, табл. 3.1). Средняя сумма отрицательных температур составила 1800 с колебаниями по годам от 1731 до 3070 градусов. Дата перехода среднесуточных температур воздуха через 0 осенью более или менее постоянна (23-30 октября). Количество дней с оттепелью было незначительным. Больше всего их приходилось на ноябрь.
Средняя относительная влажность воздуха в зимний период колебалась в пределах 70-80 %, а средняя скорость ветра - в пределах 3-5 м/сек (рис.3.1).
Виды снегозадерживающих преград и размещение их на водосборе
Как известно, в системе прямолинейного землеустройства снегозадерживающие преграды в большинстве своем размещаются поперек господствующих в зимнее время ветров. Это способствует значительному уменьшению ветровой деятельности в приземном слое воздуха и максимальному проявлению снегозадерживающей способности преград. В то же время имеет место наличие на водосборе снегонакопительных площадей, поскольку в каждом из полей севооборота предусматриваются свои приемы снегозадержания, довольно отличающиеся по снегозадерживающей способности друг от друга. Высокоинтенсивные приемы, обладающие огромной снегонакопительной возможностью (лесные полосы), как правило размещены по границам полей и работают на водосборе изолированно друг от друга, вне системы. Нередко, когда направление господствующих в зимнее время ветров не совпадает с направлением склона,классическое размещение снегозадерживающих преград поперек господствующих ветров приводит к развитию водной эрозии почвы. В системе полосного размещения культур на склоновых землях снегозадерживающие преграды, как правило, размещаются поперек основного склона. В случаях совпадения направлений господствующих ветров и снегозадерживающих преград эффективность последних резко падает. В свою очередь, более частое их размещение на водосборе повышает их снегонакопительную способность. Хотя и в этом случае выровнять все полосы по снегозадерживающей способности практически не удается. По иному размещаются снегозадерживающие преграды при контурно-мелиоративном землеустройстве (КМЗ).
Сущность варианта, разработанного нами в АНИИЗиС, заключается в том, что на всех сельскохозяйственных угодьях, строго сочетая с рельефом местности, нарезаются и постоянно закрепляются рабочие загоны (полосы-контуры). По границам полос-контуров устраиваются противоэрозионные валы-ложбины, совмещающиеся с дорожной, полезащитной сетью (рис.4.1). При этом на трассе основных противоэрозионных валов-ложбин в концевой их части создаются временные и постоянные склоновые водоемы и копани, а на подкомандных им площадках - участки лиманного и самотечного регулярного орошения. Образуемые при землеустройстве линзы и клинья, а также крайне расчлененные по рельефу неудобия рекультивируются под многолетние лесные насаждения. Создание насаждений по границам полос-контуров позволяет решить одновременно такие проблемы, как задержание снега и создание микроклимата летом. При данной организации территории открываются возможности довольно частого размещения долгодействующих приемов снегозадержания из многолетних древесных насаждений. Сама эффективность приемов снегозадержания, и особенно приемов задержания талых вод, повышается, поскольку направление сугроба, борозды, щели более увязано с рельефом местности, чем при прямолинейном (поклеточном) землеустройстве.
Снежный покров и промерзание почвы
Как показали исследования, между снежным покровом и промерзанием почвы имеется тесная связь.
На стерневых фонах наблюдается совпадение сроков образования постоянного снежного покрова с датой устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 0 в сторону отрицательных температур.
На отвальной зяби образование снежного покрова значительно запаздывает, вследствие чего имеет место большее промерзание (270-280 см) почвы и цементация ее верхних слоев. Наиболее интенсивно почва промерзает в начале зимы. По мере увеличения снежного покрова влияние температур ослабевает, но полностью не прекращается. Это явление подтверждается в работе Г.Д.Рихтера (1956), который указывает на разрыв слоем снега теплооборота "почва-воздух" на два самостоятельных круга. При этом чем выше снежный покров, тем меньше охлаждение почвы.
Б связи с тем, что теплопроводность снега в 10 раз меньше теплопроводности воздуха и значительно меньше теплопроводности почвы (по Г.Ф.Абельсу, 1893), коэффициент теплопроводности снега при этом пропорционален квадрату его плотности. По обобщенным данным Барнаульской метеостанции, в суровые зимы при высоте снежного покрова 49 см глубина промерзания почвы составляет 120 см, а при снежном покрове 20 см - 148 см. Следовательно, при увеличении высоты снежного покрова в 2,5 раза глубина промерзания уменьшается в 7,4 раза. В большинстве лет промерзание почвы наблюдается на глубине 240-320 см. Связано это с большой суммой отрицательных температур воздуха, которая колеблется от 1700 до 3000. На глубине 120 см она снижается до 150-250, а 240 см равна нулю (табл.5.1).
