Охрана почв и повышение их плодородия является важнейшим условием интенсификации сельскохозяйственного производства, роста урожайности сельскохозяйственных культур и осуществления Продовольственной программы СССР, одобренной майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС.
Успешное решение этих задачневозможно без широких мелиоративных мероприятий, в частности, без защиты почв от эрозии, которая наносит вред народному хозяйству.
Необходимость осуществления широкомасштабных мероприятий по защите почв от эрозии неоднократно отмечалась в специальных постановлениях и решениях Партии и Правительства нашей страны (постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 20 марта 1967 г, «0 неотложных мерах по защите ветровой и водной эрозии», В решениях ХХУ1 съезда КПСС с новой силой подчеркивается необходимость охраны почв от истощения и разрушения, С этой целью в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 19 811 985 годы и на период до 1990 года ставится задача: «Расширить защитное лесоразведение» .
Защитные лесные насаждения издавна применяются для защиты сельскохозяйственных угодий от неблагоприятных природных явлений, водной и ветровой эрозии почв и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Для борьбы с водной эрозией почв в агролесомелиорации была узаконена система защитных насаждений с размещением их с учетом уклонов местности, т. е. по горизонталям, В качестве основного критерия для размещения насаждений на местности принимался характер поверхностного стока. При этом одни авторы (С.И.Сильвестров, 1955 — Д. Л. Арманд, 1961) придерживались той концепции, что поверхностный сток по склонам проходит равномерной пеленой.
Другие же (М.И.Дрюченко, 1938 — К. Л. Холупяк, 1939, 1949; И. Д. Брауде, 1949) считали, что под влиянием рельефа поверхностный сток концентрируется и в таком виде поступает в насаждения.
Исходя из этого, К. Л. Холупяк и др. (1950, 1956) считают, что в поглощении и переработке концентрированного поверхностного стока, поступающего в насаждения, участвует лишь незначительная его часть — т.н. «рабочие участки» и на основании многолетних исследований К. Л. Холупяком (1973) были разработаны теоретические обоснования необходимости усиления насаждений на таких рабочих участках. Однако, вопросы количественной и качественной оценки влияния противоэрозионных насаждений на условия поглощения стока в своих работах автором не рассматриваются. В настоящее время количественные показатели поглощения стока на рабочих участках насаждений практически не известны.
Исходя из этого, перед нами стояла задача изучить ложбины, как основные пути транзита концентрированного поверхностного стока с водосборов, выявить характер влияния противоэрозионных насаждений на количественные и качественные показатели процессов поглощения его на рабочих участках. Поскольку лесные насаждения влияют на сток не только непосредственно в местах его прохождения, но и косвенно за счет своего влияния на процессы снегоотложения на прилегающей к ним территории, то и изучение этой функции противоэрозионных насаждений входило в программу наших исследований.
Материалы для написания диссертационной работы были собраны автором в период аспирантской подготовки в Украинском ордена «Знак Почета» НИИ лесного хозяйства и агролесомелиорации им. Г. Н. Высоцкого. Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданием Государственного комитета СССР по науке и технике по теме № 36 «Усовершенствовать технологию выращивания защитных лесных насаждений в районах поврежденных водной и ветровой эрозией с применением механизации и химических средств на неорошаемых землях в комплексе с другими противоэрозионными мероприятиями» (19 711 974 гг., номер госрегистрации 71 064 591)• Сводный отчет микрофильмирован под № Б 417 231 в 1976 году.
Выполнение данного задания позволило впервые для условий Северной Лесостепи УССР предложить классификацию ложбинных водотоков по их генетическим типам, сделать количественную и качественную оценку влияния противоэрозионных лесных насаждений на водные и физические свойства почв в местах прохождения концентрированного потока талых и ливневых вод, получить данные о влиянии противоэрозионных насаждений на факторы формирования поверхностного стока и накопить экспериментальные материалы для разработки приемов усиления мелиоративных функций защитных лесных насаждений.
Экспериментальные данные были получены в результате обработки многочисленных данных физических, водных и гидрологических свойств почв, лесной подстилки, снегомерных наблюдений, определений глубины промерзания и оттаивания почвы, скоростей стекания талых вод в противоэрозионных насаждениях. Детальный анализ и математическая обработка этих данных обеспечили необходимую достоверность выводов и рекомендаций.
Результаты исследований использованы при составлении «Инструкции по проектированию и выращиванию защитных лесных насаждений на землях сельскохозяйственных предприятий Украинской ССР» (Киев, 1979), «Рекомендаций по проектированию защитных лесных насаждений вокруг прудов и водоемов в условиях Винницкой области» (Винница, 1980), «Предварительных рекомендаций по предотвращению загрязнения водных объектов стоком с сельскохозяйственных угодий и использованием лесных насаждений» (Пушкино, 1981), Сбор данных, их камеральная обработка, анализ результатов исследований и написание диссертационной работы осуществлены автором на основе материалов, полученных им самим или при его личном участии.
Основные положения диссертации докладывались на межобластном научно-практическом семинаре по борьбе с эрозией почв (Новгород-Северский, 1973 г.), Республиканской конференции «Творчество научной молодежи — лесному производству» (Киев, 1975 г.), Республиканском семинаре «Интенсификация лесохозяйственного производства на базе внедрения достижений науки и передового опыта» (Харьков, 1978 г.). Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных работах.
Диссертация изложена на 276 страницах и состоит из введения, шести глав, выводов и рекомендаций производству.
ВЫВОДЫ.
1. Интенсивный поверхностный сток, особенно весенних талых вод, в условиях Северной Лесостепи является одной из основных причин возникновения и развития процессов водной эрозии почв. Его формирование здесь связано с многими факторами, в том числе с характером формирования и интенсивностью таяния снежного покрова на водосборах.
2. На присетьевых склонах снегозапасы под влиянием проти-воэрозионных лесных полос возрастают в 1,2−2,2 раза, в зависимости от погодных условий зимнего периода.
3. Дальность влияния защитных лесных насаждений на формирование снежного покрова обусловливается их видом, конструкцией и характером размещения на местности. Максимальной снегорас-пределительной способностью в этой природной зоне обладают лесные полосы, размещенные по горизонталям склонов перпендикулярно господствующим метеленосным ветрам. Увеличение мощности снежного покрова и запасов воды в снеге под их влиянием происходит на расстоянии 20Н. Прибалочные, приовражные и овражно-балочные насаждения характеризуются несколько меньшей снегорегулирующей способностью. Их влияние на снегоотложение сокращается до I5H. Формирование под защитой лесных полос более мощного снежного покрова обеспечивает меньшую глубину промерзания почвы. В зоне их влияния она на 25% ниже, чем в открытом поле.
4. Массивные лесные насаждения основную массу снега аккумулируют в своей приопушечной части, что ухудшает гидрологический режим прилегающих к ним склонов. По снегорегулирующему действию наиболее эффективны лесные полосы ажурно-продуваемой конструкции. Из лесных полос продуваемой конструкции снег в зимний период интенсивно выдувается, глубина промерзания почвы под ними увеличивается, а ее водопоглощающая способность понижается. С целью устранения отмеченного в противоэрозионных насаждениях целесообразно производить уплотнение подкронового пространства путем ввода в их состав низкорослых кустарников.
5. Продолжительность периода снеготаяния на присетьевых склонах определяется мощностью и особенностями залегания снежного покрова, характером растительности. Интенсивность снеготаяния под влиянием противоэрозионных насаждений заметно снижается, а его продолжительность — увеличивается по времени на одну треть. Скорость стекания талых вод при этом в противоэрозионных насаждениях бывает в 3−5 раз ниже, чем на открытых склонах.
6. Запас лесной подстилки и ее гидрологические свойства определяются составом и возрастом насаждений. Максимальное ее количество накапливается в еловых, а минимальное — в чистых сосновых и дубовых насаждениях. Промежуточное положение занимают смешанные лиственные леса. В стокопроводящих ложбинах запас лесной подстилки, при прочих равных условиях, несколько ниже, чем в межложбинных пространствах. Наибольшей удельной влагоем-костью обладает лесная подстилка в смешанных лиственных лесах с подлеском из лещины, а наименьшей — в чистых сосновых насаждениях. Водоудерживающая способность лесной подстилки противоэрозионных насаждений колеблется в зависимости от их состава от 3,4 до 88 т/га.
7. Глубина промерзания почвы под насаждениями во многом определяется их породным составом и мощностью лесной подстилки. Наиболее глубокое промерзание отмечается в хвойных насаждениях, а наименьшее — в смешанных лиственных с участием дуба, клена, липы, ясеня. Глубина промерзания почвы в облесенных стокопроводящих ложбинах, как правило, заметно меньшая, чем почв в облесенных межложбинных пространствах.
8. Корневые системы древесных пород, армируя верхние горизонты грунта, повышают его устойчивость к смыву и размыву, улучшают физические свойства. Корневые системы дуба черешчато-го, сосны и березы, произрастающих в стокопроводящих ложбинах, по своему строению и характеру освоения почвенных горизонтов значительно отличаются от аналогичных экземпляров, произрастающих в межложбинных пространствах. В упомянутых местах наиболее мощную корневую систему формирует дуб черешчатый. За ним следует береза, а затем сосна. В стокопроводящих ложбинах береза и сосна имеют более развитую корневую систему, чем в межложбинных пространствах, а дуб, наоборот, т.к. он отрицательно реагирует на уплотнение почвы и ухудшение ее воздушного режима, имеющих место по дну ложбин.
9. Лесные насаждения, в том числе противоэрозионные, существенно влияют на физические и водные свойства почвы. Под их воздействием у почв формируется более рыхлый, чем на пашне, верхний горизонт (глубиной 30−125 см), в 1,1−1,5 раза снижается объемный вес и на 10−15% повышается их скважность, что положительно сказывается на поглощении поверхностного стока и переводе его во внутрипочвенный.
На «рабочих участках» насаждений, т. е. в местах прохождения концентрированного поверхностного стока, их воздействие на физические свойства почв заметно отличается от такового в межложбинных пространствах. Характер и степень этого воздействия здесь определяются мощностью гумусированного профиля почвы и содержанием в нем гумуса и зависит от состава, возраста и происхождения насаждений.
Изменения физических свойств почв в местах прохождения концентрированного поверхностного стока наиболее полно проявляются в лиственных насаждениях с преобладанием дуба и участием липы, клена, ясеня (при мощности гумусированного профиля почвы более 50 см). В этих условиях суммарная мощность рыхлого слоя почвы достигает 75−125 см. Изменения физических свойств почв в хвойных насаждениях в аналогичных условиях ограничивается глубиной 30 см. С уменьшением мощности гумусированного горизонта почв как под хвойными, так и лиственными насаждениями падает и общая мощность их рыхлого слоя.
10. Содержание водопрочных агрегатов в почвах под противо-эрозионными насаждениями, по сравнению с почвами на пашне, в 10−30 раз выше. Наиболее агрономически ценная водопрочная структура формируется в почвах под смешанными лиственными насаждениями с участием дуба. Частичный посев в противоэрозионных насаждениях корнестержневых травянистых растений (люпина синего) в 1,7 раза повышает содержание водопрочных агрегатов в почвах.
11. Водопроницаемость почв в противоэрозионных насаждениях во многом обуславливается степенью их эродированности и составом насаждений. Наиболее высокие показатели водопроницаемости имеют почвы под лиственными насаждениями с участием дуба. Здесь их водопроницаемость в 2−3 раза выше, чем под хвойными насаждениями и в 10 и более раз выше, чем у почв на пашне. В облесенных стокопроводящих ложбинах водопроницаемость почв несколько ниже, чем у почв в межложбинных пространствах, что обуславливается процессами заиления почвенных пор. Поэтому для повышения водопоглотительной способности почв в местах прохождения концентрированных потоков, т. е. в ложбинах, необходимы дополнительные мероприятия с тем, чтобы увеличить шероховатость ложа водоток, создать подпор воде, усилить контакт воды с почвой.
12. Водопроницаемость почвы в противоэрозионных насаждениях, при прочих равных условиях, зависит и от сезона года. Максимальными показателями она характеризуется в осенний период, а минимальными — в зимне-весенний (до оттаивания почвы). Максимумы осенней водопроницаемости почв в лесных насаждениях приурочены к периодам их осеннего иссушения, а минимумы — к мерзлому их состоянию в зимний период. Почвы на пашне имеют два минимума водопроницаемости: в мерзлом состоянии зимойв уплотненном — до вспашки осенью.
13. Водопроницаемость мерзлых почв в противоэрозионных насаждениях в 10−20 раз ниже, по сравнению с талыми. На пашне водопроницаемость мерзлых почв, по сравнению с талыми, снижается в 25 и более раз. В противоэрозионных же насаждениях она в 1,25−6,25 раза выше, чем у мерзлых почв на пашне.
Для показателя водопроницаемости мерзлых почв определяющим фактором является их влажность в период, предшествующий замерзанию. Поэтому в гидрологическом и противоэрозионном отношении важное значение имеет то, что во второй половине вегетационного периода в противоэрозионных насаждениях происходит глубокое (до 3-х метров) иссушение почвогрунтов.
14. Водоудерживающая способность почв облесенных ложбинных водотоков определяется их типом, механическим составом и степенью гумусированности почв. Величина ПВ для слоя 0−100 см у темно-серых сильнонамытых глубокогумусированных почв на лессах составляет 520−540 мм, у серых смыто-намытых слабои средне-гумусированных легкосуглинистых и супесчаных почв — 423−477 мм. Показатели НВ у этих почв колеблятся в пределах, соответственно/ 246−356 и 215−240 мм.
Под влиянием противоэрозионных насаждений происходит увеличение полной и снижение наименьшей влагоемкости почв, т. е. повышается удельная водоотдача почв и улучшаются условия перевода поверхностного стока в грунтовый.
15. В условиях Северной Лесостепи УССР ложбины, в зависимости от условий формирования стока, площади водосборов, уклона русел и прилегающих к ним склонов, а также особенностей прохождения по ним поверхностного стока существенно отличаются друг от друга.
В исследуемом регионе представляется возможным выделить следующие генетические типы ложбин: I — денудационный — 2 -транзитный — 3 — аккумулятивный.
Для ложбин денудационного типа характерно наличие эрозионных процессов по их дну.
Ложбины транзитного типа отличаются выработанным профилем равновесия. В них преобладают процессы перемещения продуктов твердого стока с водосборов.
В ложбинах аккумулятивного типа наряду с перемещением влекомых частиц твердого стока происходит их отложение.
Для перевода поверхностного стока во внутрипочвенный наиболее благоприятные условия создаются в ложбинах транзитного типа. В таких ложбинах наиболее целесообразно размещать т.н. «водопоглощающие» насаждения с преобладанием в их составе кор-нестержневых деревьев. Для усиления водопоглощающей функции таких насаждений в ложбинах транзитного типа необходимо увеличивать подпор воде временных водотоков путем строительства в русле запруд и фильтрующих дрен.
В ложбинах денудационного типа для предотвращения линейных размывов дна целесообразно применять ускоренное залужение. С целью увеличения площади живого сечения временных водотоков и снижения их скорости по дну таких ложбин необходимо размещать распылители стока.
В ложбинах аккумулятивного типа все мероприятия должны быть направлены на усиления процессов кольматации продуктов твердого стока. Наряду с многолетними травостоями достаточно эффективными здесь будут ложбинно-полосные насаждения из древесных и кустарниковых пород. Стокоприемную их часть (со стороны водосбора) целесообразно усиливать кольматирующими полосами из многолетних трав, т. е. травяными илофильтрами.
16. Экономическая эффективность применения противоэрозион-ных лесных насаждений, расчитанная путем сопоставления затрат на осуществление противоэрозионных мероприятий и ущерба, причиняемого эрозией сельскому хозяйству на I руб. затрат составляет I, 21 руб. или 317,0 руб. на I га противоэрозионных насаждений. Произведенные расчеты показывают, что даже при далеко неполной экономической оценке роли защитных насаждений каждый затраченный рубль дает чистую прибыль в размере 1,21 руб.
17. С учетом полученных результатов исследований для агролесомелиоративного производства разработаны предложения по использованию защитных лесных насаждений разного целевого назначения в борьбе с водной эрозией почв на землях присетьевого и гидрографического фондов в условиях Северной Лесостепи УССР.
