УДК 551.4:634.958

DOI: 10.24412/cl-36359-2021-105-110

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА СТЕПНЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ

TRANSFORMATION OF THE HYDROLOGICAL REGIME OF STEPPE AGRICULTURAL LANDSCAPES

А.Т. Барабанов¹, В.И. Панов^2,

A.T. Barabanov¹, V.I. Panov²

¹ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», Волгоград, Россия

²Поволжская агролесомелиоративная опытная станция – филиал ФНЦ агроэкологии РАН, Самара, Россия

¹FGBNU «Federal research center for Agroecology, integrated land reclamation and protective afforestation of the Russian Academy of Sciences», Volgograd, Russia

²Volga agroforestry experimental station – branch of the FEDERAL research center of Agroecology of the Russian Academy of Sciences, Samara, Russia

E-mail: ¹barabanov-a@vfanc.ru

Аннотация. Дана оценка гидрологического режима девственных и подверженных в разной степени антропогенному воздействию территорий. Осуществлен анализ влияния защитных лесных насаждений на эрозионно-гидрологические процессы. Выполнен анализ и оценка эффективности противоэрозионных приемов, выявлены наиболее эффективные, разработаны новые высокоэффективные приемы и предложена стратегия противоэрозионной мелиорации.

Ключевые слова: гидрологический режим территории, агроландшафт, защитные лесные насаждения, эрозия почв, сток талых вод.

Abstract. The assessment of the hydrological regime of virgin territories and territories subject to varying degrees of anthropogenic impact is given. The influence of protective forest stands on erosion and hydrological processes is analyzed. The analysis and evaluation of the effectiveness of erosion control techniques, the most effective, new-developed high-performance methods and proposed strategy for erosion control reclamation.

Keywords: hydrological regime of territory, agrolandscape, protective forestations, soil erosion, melted water runoff.

На протяжении многих миллионов лет происходило и происходит эволюционная самоорганизация планеты Земля и ее ландшафтной сферы как сложной открытой нелинейной, целостной суперсистемы. Произошло формирование географических зон и биоэколандшафтных систем. Естественные природно-зональные биогеоценозы и биогеоландшафты формировались, совершенствовались и выживали (самосохранялись) в изменяющихся условиях среды как адаптивные и наиболее приспособленные системы, эталонные для данных условий.

Аграрная деятельность человека существенным образом и в больших масштабах вмешалась в состояние природных экосистем, почв, биогеоландшафтов, привела к нарушению водного баланса, развитию антропогенной эрозии почв, прогрессирующей потери плодородия.

Целью нашего исследования является оценка антропогенного воздействия на гидрологический режим степных агроландшафтов, анализ формирования поверхностного стока талых вод, и разработка стратегии и научных основ управления эрозионно-гидрологическим процессом.

Во ВНИАЛМИ (ныне ФНЦ агроэкологии РАН) и в других научных учреждениях (ИГ РАН, ВНИИЗиЗПЭ, Курская ЗОМС, НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева и др.) за 73 года (в 1948-2020 гг.) получен очень большой экспериментальный материал по оценке современного стока талых вод с девственных и подверженных в разной степени антропогенному воздействию территорий на европейской части РФ. Анализ этих материалов позволяет сделать важные теоретические и практические выводы.

Количественные оценки гидрологического режима девственных терри­торий и его изменений под влиянием скотоводства и земледелия крайне малочисленны. Полученные в ОПХ НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева в Каменной степи на элементарных стоковых площадках данные позволяют оценить эволюцию водного баланса территории при ее хозяйственном освоении (таблица 1). Они показывают, что запасы снеговой воды на сельскохозяйственной территории сильно (на 20-40%) уменьшаются вследствие уничтожения пышной целинной растительности с большой долей высокостебельных растений, препятствующих сдуванию снега.

На травянистой целине вся влага зимних осадков (в среднем 128 мм) без остатка поглощается почвой, т. е. поверхностный сток отсутствует. Сенокошение и особенно выпас скота резко (в три раза) уменьшают просачивание влаги и увеличивают сток до 39-56 мм. На пашне (стерня и озимые) снегозапасы почти, как и на сенокосах и пастбищах, а уменьшение просачивания влаги до 43-17 мм увеличивает сток до 58-85 мм (58-83% от осадков). По С.В. Зонну [9], почвы степей за 100 лет иссушены.

Таблица 1. Водный баланс талых вод в Каменной степи в среднем за 1950-1958 гг. [13, с. 12]

Таким образом, скотоводство и земледелие привели к резкому ухудшению водного режима девственной территории. Если на целине все осадки холодного периода поглощались почвой и поверхностный сток отсутствовал, то в агроландшафтах потери зимних осадков за счет снегопереноса и сублимации (испарения) увеличились на 25-50 мм, просачивание уменьшилось на 80-110 мм и сток возрос до 30-85 мм. Уменьшение поступления влаги в почву, таким образом, обусловлено в меньшей степени потерями осадков при снегопереносе и в большей (главной) – снижением инфильтрационной способности почвы.

Уникальные материалы комплексных исследований водного баланса получены на Курском стационаре Института географии (ИГ) РАН, расположенном на территории Центрально-Черноземного государственного заповедника им. проф. В.В. Алехина (таблица 2) [7]. В целом они аналогичны данным, полученным в Каменной степи. Кроме того, следует отметить, что с выгонов (выпасаемая степь) в логах (лощинах) при запасах снеговой воды 365 мм средний сток талых вод достигал 240 (!) мм при К_с=0,66 [7]. Повышенный сток с выгонов наблюдался также в 1893-1895 гг. на водосборе балки Озерки (Каменная степь) составляя 10-54 (в среднем 33) мм при К_с в среднем 0,20 (наши расчеты по публикации И.П. Сухарева [12].

Оценки современного стока талых вод с пашни на европейской территории РФ, выполненные за 68 лет в 1948-2016 гг. ВНИАЛМИ, ИГ АН РАН, ВНИИЗиЗПЭ, Курской ЗОМС, НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева и другими НИУ РФ, Украины и Белоруссии и обобщенные нами с использованием обобщения Г.П. Сурмача [3, 6], свидетельствуют о значительной разнице в стоке талых вод между естественными угодьями (лес, целина) и сельскохозяйственными угодьями (зябь, озимые, многолетние травы и др.). Отсутствие эрозии (или ничтожный смыв) на естественных угодьях подтверждается как данными таблицы 2, так и обобщением Е.А. Гаршинева [6, 8]. На пахотных угодьях и при интенсивном выпасе скота на выгонах смыв достигает на Русской равнине в среднем 8-10 т/га и более, а в отдельные годы за один ливень может быть смыт весь пахотный горизонт (около 2000 т/га).

Таблица 2. Весенний водный баланс разных угодий и смыв почвы на Курском стационаре ИГ АН

Примечание. Водный баланс в среднем за 1962-1971 гг., смыв почвы – за 1962-1970 гг.

Появляются и интенсивно растут овраги. Таким образом, антропогенный эрозионно-гидрологический процесс приобретает часто катастрофический характер, приводящий к сильнейшей деградации почвенного покрова и в целом среды обитания живого. Требуется неотложная разработка системы противоэрозионных мероприятий.

В системе управления эрозионно-гидрологическим процессом особая роль принадлежит лесной мелиорации и, в первую очередь, стокорегулирующим лесным полосам, создаваемым по контуру горизонталей или близко к ним. Обобщенные данные свидетельствуют о несопоставимо высоких величинах водопоглощения под ними в сравнении с водопоглощением на пашне. Это позволяет с помощью стокорегулирующих лесополос увеличить поглощение в средние по водности годы до 40–50 мм и более талых вод с полевых склонов (в многоводные годы – до 100 мм и более). Однако и эти показатели водопоглощения не предел. Применение гидротехнических и иных средств в лесополосах уменьшает промерзание почвы, способствует ее оструктуриванию и сплошному затоплению, что усиливает водопоглощение в 2-3 раза и более. При этом величины водопоглощения в лесополосах зависят от фильтрационных и водоудерживающих свойств подстилающих грунтов (таблица 3). Как видно из этих данных, приемы усиления водопоглощения в лесных полосах условно делятся на биологические (мульчированные), гидротехнические (валы, канавы, щели с фильтрующим наполнителем и др.), гидромелиоративные (осушительно-увлажнительный дренаж лесомелиорированных полей), комплексные (биологические, гидрологические, гидромелиоративные). Если в стокорегилирующих лесных полосах среднее водопоглощение составляет 400-600 мм [9], то в лесополосах с методами усиления водопоглощения оно увеличивается в несколько раз и может достигать в максимуме 1500-2000 мм и более (на грунтах с низкой впитывающей способностью). Чтобы выявить основные количественные величины элементов водного весеннего баланса, преобразованных методами агролесомелиорации агролесоландшафтов, В.И. Пановым на Поволжской АГЛОС были подобраны и оборудованы несколько опытных водосборов с разным соотношением элементов ландшафтов. Результаты сравнительного изучения элементов водного баланса за период 1971-1977 года приведены в таблице 4. В них существенно увеличиваются приходные части баланса (осадки, впитывание) и сокращаются непродуктивные расходные (сток, потеря снега на перенос и сублимацию, на физическое испарение). Оно показало высокую степень воздействия, преобразования и улучшения влагообеспеченности сельхозкультур в лесомелиорированных ландшафтах.

Систематизация, анализ и обобщение Е.А. Гаршиневым и А.Т. Барабановым [1, 3, 8] обширной собственной и литературной информации (около 1150 годовариантов) о стокорегулирующей и противоэрозионной эффективности агротехнических, гидротехнических, лесомелиоративных мероприятий позволяет сделать ряд важных заключений об их эффективности. Необходимо отметить низкую стокорегулирующую эффективность агротехнических приемов, оcобенно приемов устройства микрорельефа на пашне (лункование, бороздование, микролиманы и др.). Эти приемы уменьшают слой талого стока в среднем не более чем на 5-10 мм, а часто даже увеличивают его. Нами обобщены имеющиеся данные, которые свидетельствуют о том, что стокорегулирующая и противоэрозионная эффективность его низкая [4, 5]. Низкий эффект агротехнических приемов в регулировании талого стока легко объясняется с позиций теории формирования сплошной менисковой пленки в почве и ледяного экрана, разработанной Е.А. Гаршиневым [8]. Ее положения обобщаются законом лимитирующих факторов стока, сформулированным А.Т. Барабановым [2, 3, 5].

Таблица 3. Осредненные величины весеннего максимального водопоглощения при различных приемах усиления инфильтрации в лесополосах [1, 8, 10, 11]

Таблица 4. Основные элементы весеннего водного баланса простых и комплексных опытных водосборов (1971-1977 гг.), Поволжская АГЛОС

Примечание. В скобках – данные по стоку после корректировки на влияние опушечных сугробов и размещения лесных полос вдоль склона.

Из этого закона вытекает вывод, что, воздействуя на природные факторы стока (снегозапасы, увлажнение и глубина промерзания почвы), можно совершенствовать известные и разрабатывать новые приемы управления эрозионно-гидрологическими процессами. При этом возможности совершенствования агротехнических стокорегулирующих приемов ограничены, так как они почти не влияют на природные факторы стока.

В области лесомелиорации имеются большие перспективы в плане совершенствования и разработки новых приемов. Лесомелиоративные мероприятия сильно воздействуют на природные факторы, особенно на снегозапасы (снегоотложение), на глубину и характер промерзания почвы. Для предохранения почвы от замерзания достаточно того, чтобы высота снега была не больше 20-30 см к началу установления морозов и по мере усиления их увеличивалась до 50 см. Дальнейшее увеличение мощности снега в лесополосах нецелесообразно и даже может иметь отрицательные последствия. Решить эту задачу можно путем совершенствования конструкций лесополос. Требуется, чтобы лесополоса способствовала накоплению снега при первом снегопаде, а по достижении необходимой мощности – равномерному его распределению в межполосном пространстве. Для этого в лесополосу нужно вводить низкорослый (до 50 см) кустарник. Таким образом, лесополоса должна быть плотной в нижней части (до 50 см) и продуваемой в средней и верхней частях.

Заключение. Стратегия противоэрозионной мелиорации должна исходить из того, что необходимый стокорегулирующий эффект, способный практически возродить ситуацию естественного ненарушенного природно-зонального эрозионно-гидрологического режима в деградированных агроландшафтах, может обеспечить лишь искусственно создаваемая система оптимизированных по параметрам контурных стокорегулирующих и противоэрозионных рубежей – в первую очередь, лесных полос в сочетании с гидротехническими приемами, создающих своеобразный стокорегулирующий каркас с осушительно-увлажнительным дренажом на местности. Агротехнические приемы в управлении ЭГП выполняют определенную роль по поглощению стока и снижению непродуктивного физического испарения (мульчирование). Наиболее перспективными приемами регулирования эрозионно-гидрологического процесса являются лесомелиоративные, – они многофункциональны, долговечны и высоко-эффективны по многим воздействиям, есть возможность их дальнейшего совершенствования по снегонакоплению и снегораспределению, по практическому использованию поглощенного стока для повышения урожая.

Список литературы

1. Агролесомелиоративное адаптивно-ландшафтное обустройство водосборов / И.С. Кочетов, А.Т. Барабанов, Е.А. Гаршинев и др. Волгоград, 1999. 84 с.

2. Барабанов А.Т. Закон лимитирующих факторов стока талых вод // Докл. РАСХН. 1994. № 6. С. 36-38.

3. Барабанов А.Т. Эрозионно-гидрологическая оценка взаимодействия природных и антропогенных факторов формирования поверхностного стока талых вод и адаптивно-ландшафтное земледелие. Волгоград: ФНЦ агроэкологии РАН, 2017. 188 с.

4. Барабанов А.Т. Роль и место агротехнических противоэрозионных мероприятий в системе адаптивно-ландшафтного земледелия // Вклад аграрной науки в развитие земледелия юга Российской Федерации. Инновационное развитие АПК: материалы междунар. науч.-практ. конф. Волгоград: ООО «Сфера», 2015. С. 366-369.

5. Барабанов А.Т., Панов В.И. Сохранение экологического потенциала Волго-Ахтубинской поймы на основе высокоточного прогноза поверхностного стока талых вод в Волжско-Камском бассейне // Вода: химия и экология. 2014. № 8. С. 17-23.

6. Барабанов А.Т., Гаршинев Е.А. Оценка весеннего поверхностного стока в степи и лесостепи европейской территории РСФСР, Украины и Белоруссии // Бюлл. ВНИАЛМИ. Волгоград, 1987. Вып. 2(51). С. 5-9.

7. Водный баланс основных экосистем Центральной лесостепи: Материалы экспериментальных исследований / Под ред. А.М. Грина. М., 1974. ч. II. 133 с.

8. Гаршинев Е.А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация: Экспериментальная оценка, расчет, проектирование. Волгоград, 1999. 220 с.

9. Зонн С.В. Наши степи прежде и теперь (через 100 лет после экспедиции В.В. Докучаева) // Почвоведение. 1992. № 12. С. 5-12.

10. Панов В.И. Водный баланс и эрозия на черноземах Степного Заволжья: Автореф. дисс. … канд. геогр. наук. М., 1975. 32 с.

11. Панов В.И. Преобразование гидрологического режима территории агролесомелиоративными комплексами // Вестник сельскохозяйственной науки. 1979. № 12. С. 133-141.

12. Сухарев И.П. Регулирование и использование местного стока. М.: Колос, 1976. 272 с.

13. Сухарев И.П., Пашнев Г.С. Пруды Центрально-Черноземной полосы. Воронеж, 1968. 150 с.