Влияние водной эрозии на динамику запасов гумуса в почве и урожайность сельскохозяйственных культур на чернозёмах Центрального Черноземья

Актуальность. В настоящее время в мире определились две тенденции: 1) рост численности населения, приводящий к необходимости увеличения количества сельскохозяйственной продукции- 2) сокращение почвенных ресурсов в связи с уменьшением площади пахотных земель и снижением их плодородия. Эти тенденции приводят к тому, что затраты на производство сельскохозяйственной продукции должны возрастать (цены расти). И как следствие, в будущем существует опасность кризиса, когда возможности производства не будут удовлетворять потребностям в его продукции.

Одним из главных факторов, приводящих к сокращению почвенных ресурсов, является эрозия почвы.

Во всём мире площадь пахотных земель составляет примерно 15 млн. км. В результате эрозии ежегодно из оборота выбывает 6−7 млн. га пахотных земель, что составляет 0,4% от общей площади пашни (Литвин, 1997; 2002; Каштанов и др., 1994; Кирюхина, Пацукевич, 2004; Светличный и др., 2004).

По данным Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году», из общей площади сельскохозяйственных угодий (221 млн. га) более 130 млн. га (около 60%) эрозион-ноопасны и подвержены водной эрозии, а 40 млн. га практически уже утратили плодородие. Скорость роста площади эродированных почв очень велика: на пашне (в среднем) 400−500 тыс. га в год (0,36%), в некоторых районах — 1−1,5% (Каштанов и др., 2007; Кирюхина, Пацукевич, 2004). В ЦентральноЧернозёмной зоне около трети чернозёмов находится в разной степени эроди-рованности (Агроэкологическое состояние., 1996; Ахтырцев, 1984; Каштанов и др., 2007; Кирюхина, Пацукевич, 2001; 2004; Муха и др., 2006; Трофимов, 2005).

В результате эрозии запасы гумуса уменьшаются, ухудшаются агрономические свойства почвы, что, в конечном счёте, приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Для принятия адекватных мер, в частности по защите почв от эрозии, необходимо: 1) знать, что произошло за предшествующий период- 2) уметь прогнозировать, что может произойти в будущем при различных вариантах использования пахотных земель. В настоящее время разработка методов прогнозирования состояния почвенных ресурсов находится в начальной стадии своего развития.

На решение этой весьма сложной проблемы и ориентирована данная работа.

Цель и задачи исследований. Цель исследований — оценка влияния водной эрозии на динамику запасов гумуса в почве и урожайность сельскохозяйственных культур на чернозёмах Центрального Черноземья.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Статистический анализ фактических данных по уменьшению запасов гумуса в эродированных почвах за предшествующий период земледелия.

2. Статистический анализ фактических данных по снижению урожайности сельскохозяйственных культур на эродированных почвах за тот лее самый период.

3. Исследование дождевой эрозии с использованием метода дождевания стоковых площадок, ориентированное на адаптацию модели влияния водной эрозии на динамику запасов гумуса, в почве и урожайность сельскохозяйственных культур.

4. Адаптация этой модели для чернозёмов Центрально-Чернозёмной зоны (обеспечение модели недостающей информацией и её проверка по фактическим данным).

5. Разработка долгосрочных прогнозов динамики запасов гумуса в почве и урожайности основных сельскохозяйственных культур для некоторых вариантов использования эродируемых чернозёмов.

Научная новизна. Впервые для чернозёмов Центрального Черноземья разработана комплексная модель, которая одновременно описывает динамику трёх процессов: эрозию почвы, трансформацию органического вещества в почве и почвообразование. На основе этой модели впервые сделан долгосрочный прогноз для нескольких вариантов использования эродируемых пахотных земель.

Практическая значимость работы. Результаты долгосрочного прогнозирования могут быть использованы при проектировании адаптивно-ландшафтной системы земледелия, а также при разработке законопроектов и нормативов по использованию эродируемых чернозёмов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для эродированных чернозёмов по отношению к неэродированным установлено: а) относительное уменьшение запасов гумуса в слое почвы 0−50 см прямо пропорционально относительному уменьшению мощности гумусового горизонтаб) снижение урожайности основных сельскохозяйственных культур зависит от уменьшения запасов гумуса в слое почвы 0−50 см.

2. Противоэрозионная эффективность растительного покрова зависит не только от вида произрастающей растительности и стадии её развития, но и от эрозионного индекса дождей.

3. Для разных дождей и агрофонов отношение содержания гумуса в смываемой почве к содержанию гумуса в слое 0−20 см почвы равняется 1,07. Для негумифицированного органического вещества это отношение равняется примерно трём.

4. Адаптированная модель влияния водной эрозии на динамику запасов гумуса в почве и урожайность основных сельскохозяйственных культур может применяться при долгосрочном прогнозировании для чернозёмов Центрального Черноземья.

5. При современном использовании эродируемых чернозёмов почвенные ресурсы используются практически как невоспроизводимые.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на конференциях: «Инновации, землеустройство и ресурсосберегающие технологии в земледелии» (Курск, 2007) — «Русский чернозём — 2008» (Белгород, 2008) — «Интенсификация, ресурсосбережение и охрана почв в адаптивноландшафтных системах земледелия» (Курск, 2008) — «Аграрная наука — сельскому хозяйству» (Курск, 2009) — «Теоретические и прикладные проблемы современной географии» (Одесса, 2009) — «Методическое обеспечение мониторинга земель сельскохозяйственного назначения» (Москва, 2009) — на координационном совещании и научной сессии Агрофизического НИИ (Санкт-Петербург, 2009).

Количество публикаций. Результаты исследований опубликованы в 11 работах, включая две в издательстве, рекомендованном ВАК РФ, и патент на изобретение.

1. Современное состояние вопроса.

Водная эрозия почвы — это процесс смыва и размыва почвы, транспорта и аккумуляции почвенных частиц поверхностными временными пластово-струйчатыми склоновыми водными потоками (Заславский, 1973; 1976; 1983; Захаров, 1978; Кузнецов, Глазунов, 1988; Литвин, 2002; Мирцхулава, 2000; Светличный и др., 2004; Швебс, 1974; Кирбки, Морган, 1984; Эрозия почв., 2001; Soil., 1991).

В эрозиоведении выделяют естественную и ускоренную эрозию почвы (Заславский, 1983; Греко, 1983; Голосов, 2006; Кузнецов, Демидов, 2002; Светличный и др., 2004; Сурмач, 1992; Федотов, 1980). Естественная геологическая эрозия началась задолго до появления человека на Земле, развивается постоянно, медленными темпами, не нарушая баланса в окружающей среде. При этом процесс эрозии практически незаметен для человека.

С расширением хозяйственной деятельности человека усилилось его влияние на жизнеобеспечивающие факторы планеты, в частности, на земельные и водные ресурсы. Так, на протяжении истории развития человечества, начиная со времен Древних цивилизаций, описывались последствия водной эрозии почвы, сведения о которых зафиксированы в официальных документах и описаны в литературе. Так, Платон, описывая эродированную землю после вырубки лесов, сравнивал ее со «скелетом тела, лишенного плоти в результате болезни» (Греко, 1983). В семнадцатом веке в США был описан ливень, смывший целую вершину холма. М. В. Ломоносов в знаменитом тракте «Слово первое о пользе химии, говоренное сентября 6 дня 1751 года» писал о разрушении почв при выпадении ливней и т. д. (Дорст, 1968; Крупеников, 1981; Мирцхулава, 2000). Хотя раньше эти явления носили локальный характер, они явились предпосылками того экологического и экономического ущерба, который мы получаем сейчас в результате масштабного и интенсивного развития эрозионных процессов.

В настоящее время водная эрозия почвы наблюдается повсеместно во всём мире и является одним из самых негативных процессов, сопутствующих сельскохозяйственному производству.

Во всём мире площадь пахотных земель составляет примерно 15 млн. км. В результате эрозии почвы ежегодно из оборота выбывает 6−7 млн. га пахотных земель, что составляет 0,4% от общей площади пашни (Кирюхина, Пацукевич, 2004). Ежегодные невосполнимые потери почвы под действием эрозии достигают 23 млрд. т почвы: в странах СНГ выносится 2,3 млрд. т., том числе в России — 1,5 (Трофимов, 2005; Кирюхина, Пацукевич, 2004) — США — 1,5, Индии -4,7, Китае — 3,3. (Литвин, 1997; 2002; Каштанов и др., 1994; Кирюхина, Пацукевич, 2004; Светличный и др., 2004).

По данным Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году», из общей площади сельскохозяйственных угодий (221 млн. га) более 130 млн. га (около 60%) эрозион-ноопасны и подвержены водной эрозии, а 40 млн. га практически уже утратили плодородие (Каштанов и др., 2007). Скорость роста площади эродированных почв очень велика: на пашне она составляет (в среднем) 400−500 тыс. га в год (0,36%), в некоторых районах — 1−1,5%. Ежегодные потери верхнего плодородного слоя почв на сельскохозяйственных угодьях составляют более 1,6 млрд. т, т. е. 7,2 т/га, а в пересчете на эрозионноопасные угодья — 12,3 т/га (Каштанов и др., 2007; Кирюхина, Пацукевич, 2004). Современная площадь эродированных пахотных почв в процентах от общей площади пахотных земель составляет: в Ивановской обл. — 17,5, Костромской — 45,8, Московской — 7,7, Рязанской — 21, Тульской — 11, Белгородской — 48,7, Курской — 29,2, Мордовии — 45,7, Чувашии — 78 (Литвин, 2002). К настоящему времени на территории России в разряд эродированных почв перешло до 52% пахотных земель (Агроэкологическое состояние., 1996, Кирюхина, Пацукевич, 2001). В Центрально-Чернозёмной зоне около трети чернозёмов находится в разных категориях эродированности (Агроэкологическое состояние., 1996; Ахтырцев, 1984; Каштанов и др., 2007; Кирюхина, Пацукевич, 2001; 2004; Муха и др., 2006; Трофимов, 2005).

Вместе с почвой теряется и гумус. Чаще всего при анализе потерь гумуса сравнивают содержание гумуса в почве в изучаемый период с картой изогуму-совых полос Докучаева, который установил содержание и распределение гумуса в почвах чернозёмной полосы Европейской России (Русский чернозем., 1983). Так по данным научной литературы (Вековая динамика., 1996; Беляев, 2006; Кирюхина и др., 1991; Казеев и др., 1999; Светличный и др., 2004; Русский чернозем., 1983; Эрозия почв., 2001 и др.), за последние двадцать лет содержание гумуса в почвах бывшего СССР снизилось на 8−30%, в том числе в России на 20%. В результате водной эрозии в России почти полностью исчезли уникальные чернозёмы с содержанием гумуса 14−16%, а площадь земель с содержанием гумуса в 10−13% сократилась в пять раз (Светличный и др., 2004; Агроэкологическое состояние., 1996).

По данным исследователей (Жилко и др., 1999; Климентьев, Тихонов, 1994; Бабаян и др., 2008; Казьмир, Казьмир, 2008; Танасиенко, 1983; Волощук, 2009; Волощук и др., 2009аЭрозия почв., 2001; Явтушенко, Макаров, 1996; Soil., 1991) в разных почвенно-экологических условиях для чернозёмных почв ежегодный вынос гумуса с жидким и твёрдым стоком может колебаться от 5−10 до 450−480 кг/га и более. Среднемноголетние потери гумуса и биофильных элементов в результате эрозии на чернозёмных почвах составляют в среднем на пашне и многолетних насаждениях 0,5−0,6 т/га гумуса, 27−29 кг азота, 11−12 кг фосфора, 260−290 кг/га калия и других элементов (Акентьева, 1975; Явтушенко, Макаров, 1996).

Если принять количество гумуса в неэродированных почвах за 100%, то в слабоэродированных оно составляет в среднем около 80%, в среднеэродиро-ванных — 60%, в сильноэродированных — 45% (Заславский, 1983; Лыков, 1985; Светличный и др., 2004; Русский чернозем., 1983; Эрозия почв., 2001 и др.).

Такие огромные потери гумуса и питательных элементов привели к снижению естественного плодородия почвы.

Достаточно много исследований посвящено потерям гумуса при эрозии почвы (Бабаян и др., 2008; Казьмир, Казьмир, 2008; Танасиенко, 1983; Волощук, 2009; Волощук и др., 2009аЭрозия почв., 2001; Жилко и др., 1999; Цы-булька и др., 2004; Явтушенко, Макаров, 1996), но не указаны критерии и условия, при которых определялись эти потери, что затрудняет интерпретацию и сравнение полученных данных.

Эродированные почвы имеют более низкое содержание гумуса, сумму обменных катионов, валовые запасы питательных веществ и микроэлементов, а также слабую их доступность, худшую структуру (Брук, 1975; Богданов, 1971; Коржов и др., 2009; Королев, 2006; Ларионов и др., 2007; Мирцхулава, 2000). Бесструктурность эродированных чернозёмов обуславливает большой удельный вес, низкую инфильтрацию и влагоёмкость, что, в свою очередь, способствует дальнейшему развитию водной эрозии (Ларионов и др., 2007; Маккавеев, 1970; Мирцхулава, 2000; Листопадов, Техина, 1998; Русский чернозем., 1983; Орлов, Танасиенко, 1977; Светличный и др., 2004; Швебс, 1974; Эрозия почв., 2001 и др.).

Таким образом, эродированные чернозёмы характеризуются худшими, чем неэродированные, физико-химическими, механическими, водно-физическими и биологическими свойствами.

Формирование ручейковой сети потоками воды повреждает всходы сельскохозяйственных культур и корневые системы растений. С усилением степени эродированности ухудшаются условия жизни растений. На эродированных почвах уже в ранней стадии вегетации отмечается их заметное отставание в ростенаступление фаз развития отстает на 3−5 дней (Захаров, 1978; Мирцхулава, 2000; Эрозия почв., 2001; Soil., 1991).

В результате на эродированных почвах снижается урожайность сельскохозяйственных культур и ухудшается качество получаемой продукции (Джадан и др., 1975; Иванов, Парахневич, 1983; Листопадов, 2005; Лысак, 1980). Потери урожайности при прочих равных условиях зависят от степени эродированности почвы. Подсчитано, что в среднем на слабоэродированных почвах недобор урожая составляет 10−20%, на среднеэродированных — 40−60%, а сильноэроди-рованных — 80% и более (Ванин, 1979; Вертельников, Рядовой, 1996; Сигов,.

1984; Скородумов, 1973; Трофимов, 2005; Черемисинов, 1968; Эрозия почв., 2001).

Также отмечается, что разные культуры неодинаково реагируют на степень эродированности почвы. В большей мере реагируют наиболее ценные культуры, такие как зерновые, технические и масличные. В меньшей мерекормовые однолетние и многолетние травы (Ванин, 1979; Вертельников, Рядовой, 1996; Сигов, 1984; Скородумов, 1973; Трофимов, 2005; Черемисинов, 1968; Эрозия почв., 2001). Для чернозёмных почв урожайность зерновых культур на сильноэродированных почвах снижается на 50−60% (Джадан и др., 1975; Эрозия почв., 2001).

Общий по стране недобор продукции растениеводства за счет эрозии почв составляет примерно 20% (Кузнецов, Демидов, 2002; Лысак, 1980; Поздняков, 1986; Сигов, 1984; Скородумов, 1973).

В источниках научной литературы (Ванин, 1979; Иванов, Парахневич, 1983; Джадан и др., 1975; Поздняков, 1976; Скородумов, 1973; Черемисинов, 1968; Эрозия почв., 2001 и др.) приводится много разных данных по снижению урожайности на эродированных почвах. Однако отсутствует оценка погрешности, с которой были получены результаты. Это затрудняет сравнение данных разных авторов и может привести к неправильным выводам. Следовательно, необходимо провести статистический анализ фактических данных, включая оценку погрешности, с которой оценивается снижение урожайности на эродированных почвах.

В то же время экологическая роль эрозии почвы не ограничивается только снижением плодородия. Необходимо учитывать влияние потерь гумуса и на другие экологические функции почвы. Гумусированность почвы связана с её способностью к накоплению и детоксикации соединений тяжелых металлов и пестицидов (Литвин, 2002). Поверхностный сток воды и наносов с сельскохозяйственных угодий России является одним из главных источников загрязнения водоемов биогенными элементами, пестицидами, тяжёлыми металлами, обуславливающими эвтрофикацию водоёмов и ухудшение качества водных ресурсов (Техногенное загрязнение., 2002; Антропогенное воздействие., 2003). Сельскохозяйственные источники загрязнения вод, среди которых первенствует эрозия почв, обуславливают поступление в водоёмы огромной массы почвенного субстрата и химических веществ, в том числе около 80% фосфора. Экономический ущерб от эрозии в развитых странах составляет десятки миллиардов долларов (Антропогенное воздействие., 2003). При этом суммарный ущерб от загрязнения окружающей среды продуктами водной эрозии, от заиления рек и водохранилищ и т. д. намного превосходит ущерб, причиняемый сельскохозяйственному производству. Происходит заиление водохранилищ, сооруженных в ирригационных и гидроэнергетических целях или же для регулирования речного стока. Количество взвешенных твёрдых наносов может составлять от 2 до 8 о кг на 1 м воды. Если этот процесс не будет остановлен, то срок службы водохранилищ не превысит 80 лет (Литвин, 2002).

Анализ данных научной литературы показал увеличение темпов развития эрозионных процессов за последнее время (Агроэкологическое состояние., 1996; Белоцерковский, 1998; Бурыкин, 1986; Заславский, 1986; Каштанов и др., 1994; Каштанов и др., 2007; Литвин, 1997; Светличный и др., 2004; Техногенное загрязнение., 2002; Шишов и др., 2003 и др.). Постоянное увеличение площадей эродированных почв и связанное с этим снижение почвенного плодородия приводит к дополнительным затратам при выращивании сельскохозяйственных культур и повышению себестоимости сельскохозяйственной продукции. В современных экономических условиях производство на эродированных почвах часто становится нерентабельным. Как следствие, эродированные почвы выводят из категории пахотных земель, что приводит к сокращению площади пашни. Всё это свидетельствует о необходимости принятия мер по защите почв от эрозии.

В настоящее время при проектировании противоэрозионных мероприятий используется понятие допустимых потерь почвы. Оно внедрилось в практику для определения окупаемости материальных затрат, необходимых для регулирования почвенно-эрозионной деградации при сельскохозяйственном производстве (Белоцерковский, Ларионов, 1989; Заславский, 1986; 1993; Казьмир, Казьмир, 2008; Кирбки, Морган, 1984; Лисецкий, 1988; Литвин, 2002; Пацуке-вичидр., 1997; Светличный и др., 2004; Эрозия почв., 2001; Soil., 1991).

Впервые понятие о допустимых потерях почвы было предложено в США в 1940;х исследователями Службы охраны почв США (Литвин, 2002; Светличный и др., 2004). В настоящее время для определения допустимого смыва используют три различных подхода: экономико-агрономический, почвенно-генетический и экологический. Первый и второй имеют целью сохранения почвы как производственного ресурса и экологических функций почвы, а третий предусматривает также снижение эрозионного загрязнения окружающей среды.

В экономико-агрономическом подходе, используемым в США, за допустимые потери почвы принимаются такие потери, при которых при существующей агротехнике не будет существенного снижения плодородия почвы, по крайней мере, в течение нормативных сроков (25−50 лет) (Литвин, 2002; Светличный и др., 2004). Так, ещё Франклин Д. Рузвельт отмечал, что для того чтобы обеспечить будущее поколений и страны, надо сохранить почву (Греко, 1983; Дорст, 1968). На основе этого в США был принят Закон об охране почв. Диапазон значений допустимого смыва, принятых в США, составляет от 11,2 т/га в год для мощных почв на лёссовидных суглинках до 2,2 т/га в год для маломощных (Кирбки, Морган, 1984; Литвин, 2002; Светличный и др., 2004).

Принципиально схожи и подходы к оценке допустимого смыва, основанные на определении «критической мощности» гумусового горизонта, т. е. той минимальной их мощности, при которой затраты на производство сельскохозяйственной продукции становятся приблизительно равными получаемому доходу (Литвин, 2002). Нормативная интенсивность смыва определяется по разности между фактической и критической мощностью и выбранному «сроку истощения почвы», определяемому директивно. На практике величина критической мощности определяется в большей мере биологическими свойствами культуры, чем уровнем рентабельности. Так, на Северном Кавказе для зерновых культур она была оценена в 18−20 см, а для товарных зерновых культур США — в 20−24 см (Литвин, 2002).

Почвенно-генетический подход определения допустимого смыва основывается на принципе равенства интенсивности смыва и темпов формирования почвы, вернее, темпов приращения мощности гумусовых горизонтов (Белоцер-ковский, Ларионов, 1989). Скорости почвообразования устанавливаются с помощью ряда независимых методов: определения абсолютного возраста гумуса и погребенных почв, датировки поверхностей и т. д. Амплитуда изменений допустимого смыва при почвенно-генетическом подходе оказалась несколько меньшей, чем при экономико-агрономическом подходе, — максимальная его величина 6 т/га в год для предкавказских черноземов (Литвин, 2002). Однако для почв одного генетического типа различия оценок, полученных независимыми методами, достигают иногда более 50% (Белоцерковский, Ларионов, 1989; Кирбки, Морган, 1984; Кирюхина и др., 1991; Литвин, 2002; Soil., 1991).

Категория «допустимый смыв» сейчас используется в рамках ресурсного подхода к почве, т. е. практически только к видам хозяйственного использования почвы, где почва является средством производства (Кирбки, Морган, 1984; Кирюхина и др., 1991; Литвин, 2002; Мирцхулава, 2000; Сурмач, 1979; Шишов и др., 2003).

При проектировании противоэрозионных мероприятий производится выбор таких мероприятий, которые обеспечили бы потери почвы меньше допустимых потерь (Белоцерковский, 1998; Заславский, 1993; Сухановский, Бахирев, 1995).

Для защиты почвы от водной эрозии используют агротехнические, луго-лесомелиоративые и гидротехнические сооружения.

Агротехнические противоэрозионные мероприятия можно условно разделить на две группы. Первая группа — подбор растительного покрова, связанного с выбором севооборота, использование занятых паров, промежуточных и совместных посевов, перекрестного и узкорядного посевов, полосное размещение культур на склоне, оставление стерни после уборки урожая. Влияние сельскохозяйственных культур на развитие эрозионных процессов зависит от вида растительности и от стадии её развития (степени проективного покрытия) (Ванин, Шевцов, 1980; Верзилин и др., 2005; Вильяме, 1950; Герасименко, 1997; Косты-чев, 1949; Кочетов и др., 2000; Кумани, 1979; Мирцхулава, 2000; Лысак, 1975; 1980; Эрозия почв., 2000; Wischmeier, Smith, 1978).

Вторая группа — обработка почвы, включающая в себя обработку поперек склона, мульчирование почвы соломой, глубокая вспашка, поверхностная обработка почвы, щелевание, лункование и другие виды обработки.

Агротехнические приемы используются для земель, уклон которых не превышает восьми градусов (Заславский, 1975; Захаров, 1978; Герасименко, Кумани, 2000; Кузнецов, Демидов, 2002; Мирцхулава, 2000; Скородумов, 1973; Черепанов, 1991).

Луго-лесомелиоративные мероприятия. Основная функция этих мероприятий заключается в регулировании безопасного поверхностного стока. Лесомелиоративные насаждения применяют следующих видов: полезащитные лесные полосы, водорегулирующие лесные полосы, прибалочные и приовражные, насаждения на откосах балок и оврагов, донные насаждения. Часто лесомелиоративные мероприятия усиливаются простейшими гидротехническими сооружениями (валами и канавами). Залужение, как правило, используется для временных водотоков и для крутых склонов. Эффект от лесомелиоративных мероприятий проявляется только через 10−12 лет (Захаров, 1978; Заславский, 1975; Кузнецов, Демидов, 2002; Федотов, 1980; Литвин, 2007; Soil., 1991; Эрозия почв., 2000; Эрозия почв., 2001).

Гидротехнические сооружения. Эти сооружения предназначены для задержания стока воды и для безопасного сброса больших объёмов воды в гидрографическую сеть. К гидротехническим сооружениям относятся земляные сооружения: валы — террасы, водозадерживающие валысооружения, обеспечивающие безопасный сброс поверхностного стока с большой площади: распылители стока, водоотводящие валызащитные канавы, гидролотки и т. д. (Захаров,.

1978; Заславский, 1975; Кирбки, Морган, 1984; Soil., 1991; Эрозия почв., 2000).

Для расчёта среднемноголетних потерь почвы используются математические модели эрозии почвы. Очевидно, что обоснованность выбора противоэро-зионных мероприятий зависит от точности модели.

В настоящее время разработано большое количество таких моделей. Все модели условно делятся на две группы: 1) эмпирические модели- 2) физически обоснованные.

Эмпирические модели представляют собой математическую аппроксимацию данных натурных наблюдений за стоком и смывом почвы (Долгилевич и др., 1992). Строго говоря, такие модели могут применяться только для условий, для которых получены данные наблюдений. Широко известной такой моделью является модель USLE (Wischmeier, Smith, 1978) и её модификация RUSLE (Renard et all, 1997), которые разработаны для условий США. Сотрудниками Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Макка-веева МГУ проведён цикл работ по использованию модели USLE для условий бывшего СССР и получены очень важные результаты по эрозии почв. В работе (Сухановский и др., 2003) для условий Европейской территории России предложена модификация модели USLE.

Поскольку уравнение USLE эмпирическое, то для других почвенно-климатических условий, в том числе для условий Центрально-Чернозёмной зоны, влияние растительности может быть другим, что и следует из физического обоснования уравнения USLE (Sukhanovski, 2007).

В бывшем СССР также разработаны эмпирические модели (Инструкция., 1979; Светличный и др., 2004; Сурмач, 1979; 1992; Швебс, 1974, Иванов, 1984). Недостатком этих моделей является то, что они основаны на немногочисленных и разрозненных данных натурных наблюдений. Заметим, что при разработке модели USLE были использованы данные наблюдений для 10 тысяч го до-площадок (Wischmeier, Smith, 1978).

Физически обоснованные модели. Эти модели основаны на фундаментальных принципах механики и для их разработки требуется значительно меньше данных наблюдений. Такими наиболее известными моделями являются модель Мирцхулавы (Мирцхулава, 1978; 2000) для единичных дождей и американская модель WEPP (Булыгин и др., 2002; Лэйн и др., 1997; Фланаган, Лаф-лен, 1997; Nearing, Nicks, 1998; WEPP., 1995), позволяющая рассчитывать потери почвы за многолетний период для условий США. Разработка физически обоснованных моделей продолжается (Кузнецов, Демидов, 2002; Кузнецов, Гендугов, 1997; Quintion, Morgan, 1998), поскольку это направление является наиболее перспективным.

В настоящее время единственной моделью, которая для условий России позволяет рассчитывать среднемноголетние потери почвы с учётом стадии развития растений, является компьютерная модель для расчета среднемноголет-них потерь почвы, обусловленных дождевой эрозией и эрозией почв при весеннем снеготаянии (Сухановский и др., 2009а). В отличие от других моделей она проверена по фактическим данным потери гумусового горизонта за предшествующий период землепользования.

Для принятия адекватных мер по защите почв от эрозии необходимы фундаментальные знания этих процессов. Все методы исследования можно условно разделить на три группы: 1) проведение полевых натурных наблюдений- 2) методы физического моделирования- 3) методы математического моделирования.

Одним из самых эффективных методов изучения дождевой эрозии почвы является метод дождевания стоковых площадок, позволяющий в короткие сроки получать необходимые данные как в полевых условиях, так и в лабораторных (Методика., 2005). Метод дождевания относится к методам физического моделирования и широко используется для изучения процессов водной эрозии почвы. Так, чтобы получить достоверные данные по дождевой эрозии почв в полевых условиях при наблюдении за стоком необходимо проводить наблюдения в течение 20−25 лет (Захаров, 1978; Метод., 1999; Методика., 2005; Сухановский, 2007; Федотов, 1980; Швебс, 1975; Светличный и др., 2004; Эрозия почв., 2001; Wischmeier, Smith, 1978). Метод дождевания стоковых площадок также позволяет сократить материальные затраты на ежегодную закладку одних и тех же опытов. В зависимости от поставленных задач необходимые результаты можно получить за один или несколько вегетационных сезонов.

Основоположником исследований эрозионных процессов с применением дождевальных установок считается Цинг (Мирцхулава, 2000; Метод., 1999). Так, дождевание начали применять еще в тридцатых годах прошлого столетия (Мирцхулава, 2000; Метод., 1999; Федотов, 1980; Швебс, 1974).

Впервые в нашей стране метод искусственного дождевания применил С. А. Захаров, затем многие исследователи использовали и используют в настоящее время этот метод: Г. И. Швебс, В. В. Сластихин, Г. П. Сурмач, А. В. Хмельницкий, В. С. Федотов, С. Ю. Булыгин, Ю. П. Сухановский и др. (Федотов, 1980; Богданов, 1971; Булыгин, 1993; Методические указания., 1980; Швебс, 1974). Со временем метод дождевания и конструкции дождевальных установок постоянно усовершенствовались.

В настоящее время модифицированная методика дождевания, разработанная во ГНУ ВНИИЗИЗПЭ РАСХН (Методика., 2005; Метод., 1999; Сухановский, 2007), позволяет, в отличие от других методик, полученные данные использовать и для естественных дождей.

Для разработки проектов адаптивно-ландшафтных систем земледелия в настоящее время существует большое количество различного рода рекомендаций, связанных с предотвращением деградационных процессов. Но в проектировании отсутствует очень важный элемент: прогнозирование динамики состояния почвенных ресурсов.

Методы прогнозирования можно разделить на два основных метода (Дол-гилевич и др., 1992). Первый — метод экстраполяции. Этот метод применяется, когда имеется временной ряд для какой-либо характеристики почвы, например, для содержания гумуса в почве. Для этого ряда строится график или подбирается математическая зависимость, которые и используется для прогнозирования. Этот метод использован для разработки прогноза содержания гумуса в почве (Крупеников, 2008; Кирюхина и др., 1991; Кирейчева, Тиньгаев, 2009). Недостатком метода экстраполяции является то, что он позволяет прогнозировать только для землепользования, которое было в прошлом. Второй — метод математического моделирования. Этот метод основан на математических моделях, которые описывают динамику рассматриваемых процессов. Преимущество этого метода заключается в возможности разрабатывать прогнозы для разных вариантов землепользования. Очевидно, что точность прогноза зависит от математической модели. В качестве примера можно привести прогноз, разработанный с использованием эрозионной модели (Литвин, 2002).

Для описания динамики запасов гумуса (органического углерода) предложен целый ряд моделей.

Описание динамики трансформации органического вещества в почве является весьма сложной задачей (Гончар-Зайкин, Журавлев, 2007). Но, с другой стороны, при проектировании систем земледелия требуется (пусть и грубая) оценка тенденции динамики запасов гумуса. Существуют упрощенные модели динамики запасов гумуса, например, (Гильманов, 1975; Алиев, 1978; Довнар, 1981; Володин и др., 1985; Рыжова, 2006). Ряд зарубежных и отечественных моделей описаны также в работах (Лисецкий, 2000; Рыжова, 2006; Моделирование., 2001; Coleman, Jenkinson, 1997). Основным недостатком этих моделей является то, что они не проверены по фактическим данным изменения запасов гумуса за сотни лет.

Проведенный анализ научной литературы приводит к следующему.

В настоящее время существуют две тенденции. Первая — сокращение почвенных ресурсов (уменьшение площади пашни, деградация почвы). Втораярост численности населения, что приводит к необходимости увеличения производства сельскохозяйственной продукции. Эти две тенденции могут привести к кризису, когда возможности производства не будут удовлетворять потребности в его продукции. По образному выражению Ж. Дорста в книге «До того как умрет природа» (1968): «Человек — единственный биологический вид, который может разрушить свое место обитания, подвергнув свое же существование риску». Пример такого бездумного отношения к почвенным ресурсам мы видим в прогрессирующей водной эрозии.

Для принятия адекватных мер необходимо знать, что произошло за прошедшее время, и уметь прогнозировать, что может произойти в долгосрочной перспективе при различных вариантах использования пахотных земель.

Выводы.

1. Для современных эродированных чернозёмов установлено: а) уменьшение запасов гумуса в слое 0−50 см прямо пропорционально уменьшению мощности гумусового горизонтаб) снижение урожайности сельскохозяйственных культур также зависит от уменьшения запасов гумуса в слое почвы 0−50 см.

2. Противоэрозионная эффективность растительного покрова зависит не только от вида произрастающей растительности и стадии её развития, но и от эрозионного индекса дождей.

3. Для разных дождей и агрофонов в смываемой почве содержание гумуса на 7%, а неразложившихся растительных остатков примерно в три раза больше, чем в слое 0−20 см.

4. Разработанная модель влияния водной эрозии на динамику запасов гумуса в почве и урожайность сельскохозяйственных культур может применяться для долгосрочного прогнозирования состояния чернозёмов Центрального Черноземья.

5. Проведённые исследования свидетельствуют о том, что при современном использовании эродируемых чернозёмов под агроценозы почвенные ресурсы используются практически как невоспроизводимые. I I.

Рекомендации.

Органам законодательной и исполнительной власти РФ: необходимо принять адекватные законы и нормативные акты по ограничению использования пахотных земель с обязательным проведением мониторинга эродируемых почв;

Научно-исследовательским и проектным организациям: следует использовать разработанную модель для прогнозирования состояния почв при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия;

Производству, для снижения скорости деградационных процессов в эродированных чернозёмах необходимо отказаться от чёрного пара и включить в севооборот сидеральный пар и производить запашку в почву нетоварной продукции зерновых культур — соломы.