Способы регулирования почвенно-эрозионных процессов и гидрологического режима агроландшафтов Центрально-Черноземной зоны

Актуальными задачами современного сельскохозяйственного производства являются оптимизация землепользования и охрана окружающей среды. Реализуются эти направления путем разработки систем земледелия на ландшафтной основе с целью управления продуктивностью агроландшафта. На современном этапе существенным обстоятельством является осознание необходимости более полно и глубоко учитывать то, что агроландшафт является природно-антропогенной ресурсовоспроизводящей и средообразующей геосистемой.

В последние годы был опубликован ряд методологических работ (Каштанов А.Н., Заславский М. Н., 1982; Каштанов А. Н., Лисецкий Ф. Н., Швебс Г. И., 1994; Каштанов А. Н., Щербаков А. П., Володин В. М., 1996; Кирюшин В. И., 2000; Алексеевский Н. И., Коронкевич Н. И., Чалов P.C., и др., 2000; Литвин Л. Ф., 2002; Голосов В. Н., 2003), в которых были заложены новые методические основы исследований почвенно-эрозионных процессов в агро-ландшафтах, их экологических последствий и разработки оптимальной системы мероприятий по предотвращению деградации почвенного покрова, загрязнения и заиления малых рек, повышению продуктивности сельскохозяйственных угодий.

Особенность новых, ландшафтных подходов в земледелии заключается в учете хозяйствующими на земле субъектами не только процессов, происходящих непосредственно на сельскохозяйственных угодьях вследствие агропромышленного производства, но и влияния их на всю совокупность при-родно-антропогенных процессов в экосистемах более высокого ранга. Границы таких экосистем удобнее всего совмещать с водосборами, используя бассейновый подход к дифференциации территории.

В условиях Центрального Черноземья реализовать подобный подход позволяет изучение в первую очередь процессов влагообмена: осадков, режима влажности почвогрунтов, поверхностного склонового стока, почвенно-эрозионных процессов на склонах, в овражно-балочной и речной сети. Вода, влага, с одной стороны, определяет энергоресурсный потенциал агроланд-шафтов, с другой стороны, вызывает сложнейший комплекс экологических последствий на освоенных сельским хозяйством территориях.

Изменяющиеся условия влагообмена в агроландшафтах приводят к развитию эрозионных процессов на пашне, активизации овражной эрозии, что, в свою очередь, вызывает деградацию почв, снижение уровня стояния грунтовых вод, изменение гидрологического, гидрохимического и биологического режимов водотоков и водоемов. Кроме того, потоки поверхностного и подземного стока являются агентами, непосредственно связывающими все элементы естественных и антропогенных экосистем, обеспечивая перенос вещества и энергии от элементарных природных комплексов к системам более высокого ранга. Эти энергетические потоки определяют условия формирования макрои микрорельефа территории, условия вегетации растений, жизнедеятельность животных, микроорганизмов, особенности процессов формирования или разрушения почвенного покрова.

Поэтому регулирование почвенно-эрозионных процессов и гидрологического режима агроландшафтов является основным направлением в решении актуальных проблем сельскохозяйственного производства и связанных с ним экологических, экономических и социальных задач.

Целью работы является разработка методов моделирования и способов регулирования влагообмена и сопутствующих ему почвенно-гидрологических условий в естественных и антропогенных экосистемах различного таксономического ранга (от склонов до речных водосборов и рек) в Центрально-Черноземной зоне (ЦЧЗ).

Цель обусловила постановку следующих задач исследования:

1) разработать методику расчета, прогноза и оптимизации почвенно-гидрологических процессов на пахотных землях на основе статистической обработки многолетних данных наблюдений за режимом выпадения осадков и формированием влагозапасов в почве различных естественных и антропогенных агроэкосистем;

2) выявить закономерности и формы проявления эрозионных процессов на пашне, изменения биоэнергетического потенциала агроландшафтов, оценить экологические последствия транспорта наносов и выноса биогенных веществ в гидрографическую сеть;

3) определить критерии оценки и оптимизации гидрологической, почвозащитной, биоэнергетической эффективности агротехнических и гидролесомелиоративных приемов и методы моделирования комплекса противоэро-зионных мероприятий на пашне;

4) разработать критерии и методику проектирования оптимальных с хозяйственной и экологической точек зрения комплексов противоэрозион-ных мероприятий на пашне.

5) оценить влияние условий сельскохозяйственного производства и эрозионных процессов на пашне на сток рек, их гидрохимический и гидробиологический режим, русловые процессы.

Объекты исследований. Для статистического анализа исследуемых явлений и процессов использованы практически все доступные и методически выдержанные данные наблюдений за осадками, динамикой влагозапасов, стоком воды и смывом почвы. Обобщены материалы сети метеорологических и гидрологических наблюдений территориальных управлений Государственного контроля природной среды (Гидрометеослужбы), в том числе всех стоковых станций Европейской территории России и государств СНГ, данные агрометеорологической сети ЦЧЗ, материалы зональных НИИ сельского хозяйства, материалы опытов, проведенных научными центрами РАСХН и РАН, в том числе исследования автора и ученых ВНИИЗиЗПЭ и Института географии РАН (всего несколько тысяч годоопытов).

Для анализа влияния сельскохозяйственной деятельности на гидрологический режим, химический состав воды и русловые процессы в агроланд-шафтах ЦЧЗ использованы данные многолетних наблюдений на реках Курской и сопредельных областей, на водомерных постах и гидрологических станциях УГКС ЦЧО, службы мониторинга Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Курской области и других организаций, в том числе использованы данные экспедиционных исследований поверхностных водотоков и водоемов, организованных и проведенных под руководством автора в период с 1995 по 2003 год при участии студентов, аспирантов и преподавателей Курского государственного университета.

Моделирование эффективности противоэрозионных комплексов выполнено для конкретных рабочих участков, расположенных на склонах северной и южной экспозиции, на черноземных и серых лесных почвах разной степени смытости в хозяйствах Курской области.

Научная новизна работы состоит в разработке и совершенствовании экосистемного подхода к ведению сельскохозяйственного производства на ландшафтной основе, учете биоэнергетических особенностей функционирования агроландшафтов, оптимизации антропогенных воздействий в агроэко-системах. Полученные в процессе исследования результаты развивают теоретические и методические основы адаптивно-ландшафтного земледелия.

Эти положения реализованы путем использования в качестве критериев оптимизации комплексов противоэрозионных мероприятий допустимых уровней стока и смыва, впервые дополненных понятием «компенсированный смыв». Компенсированный смыв рассчитывается с учетом интенсивности почвенно-эрозионных процессов и базируется на учете баланса гумуса и органического вещества почвы в зависимости от условий ведения сельскохозяйственного производства.

Методами математического моделирования выполнена оценка эффективности почвозащитных комплексов агролесогидромелиоративных мероприятий на пашне. Разработана новая система критериев оценки эффективности противоэрозионных мероприятий в агроландшафтах, учитывающая их взаимодействие с природно-территориальными комплексами различного ранга.

Выявлена почвозащитная роль органического вещества в процессе функционирования агроландшафтов, в том числе пожнивных остатков, нетоварной продукции и других органических удобрений.

Практическая значимость полученных результатов исследований: созданная на базе статистической обработки обширного объема данных наблюдений математическая модель водной эрозии позволяет с высокой степенью надежности оценивать последствия эрозионных процессов при сельскохозяйственном использовании земельных угодийразработанные методы и критерии позволяют определить оптимальные комплексы противоэрозионных агротехнических, гидрои лесомелиоративных мероприятий на пашнеоптимизация гидрологического режима почвогрунтов обеспечит снижение смыва почвы с пашни, повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий, сохранение или расширенное воспроизводство почвенного плодородияметоды биологической индикации состояния водных биоценозов адаптированы для условий Курской области и внедрены в ее систему экологического мониторинга.

Исследования выполнялись в рамках программы экологического мониторинга, разработанной для Курской области с целью усиления контроля за загрязнением водных ресурсов, воспроизводством рыбных запасов и улучшением кормовой базы ихтиофауныв течение 1995;2000 гг. изучалось состояние водных растений и животных в водоемах и водотоках области.

Основные защищаемые положения: метод расчета и прогноза влагозапасов в почве на основе метеорологических данных и территориальных закономерностей динамики влагозапасовматематическая модель формирования ливневого и талого стока и смыва на различных почвах, с различных агрофонов и в условиях применения противоэрозионных водорегулирующих приемов и их комплексов на пашнеметоды оценки водорегулирующей и почвозащитной эффективности противоэрозионных приемов и их комплексов на сельскохозяйственных землях с учетом баланса гумуса и органического вещества почвы, допустимого и компенсированного смываметод биоиндикационной оценки влияния почвенно-гидрологических процессов на пашне и хозяйственной деятельности на режим стока и качество воды в речной сети, состояние и динамику развития аквальных природных комплексовнаправление и интенсивность русловых процессов в малых и средних реках в зависимости от интенсивности и особенности сельскохозяйственного освоения их водосборов.

Реализация полученных результатов. Результаты исследований, полученные автором, были использованы в методических рекомендациях по проектированию комплексов противоэрозионных мероприятий на расчетной основе (Курск, 1985), в рекомендациях по регулированию почвенно-гидрологических процессов на пахотных землях (Курск, 2000), в программе экологического мониторинга Курской области (1995;2000 гг.), в комплексной программе «Экологическая безопасность и охрана природных ресурсов Курской области» (1998;2000 гг.), в международной программе ПРООН-ГЕФ (ЦЖ)Р-ОЕР) «Экологическое оздоровление бассейна Днепра» (2001;2003), а также при проектировании и внедрении на очистных сооружениях городов Железногорска и Дмитриева систем доочистки биологически очищенных сточных вод методом биоплато, защищенным патентом на изобретение.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 29 научных и научно-практических конференциях, симпозиумах, совещаниях в том числе на:

Первой Приморской научно-практической конференции по гидрологическим расчетам и использованию водных ресурсов (Владивосток, 1975);

Всесоюзной конференции «Теоретические основы противоэрозионных мероприятий» (Одесса, 1979) — Всесоюзной конференции «Современные аспекты изучения эрозионных процессов» (Новосиборск, 1980) — Научно-практической конференции «Молодые ученые и специалисты сельскому хозяйству» (Курск, 1984) — Международной научной конференции «Современные экологические проблемы провинции» (Курск, 1995) — Юбилейной конференции ВНИИЗиЗПЭ (Курск, 1995) — Международной научной конференции «География на рубеже веков: проблемы регионального развития» (Курск, 1999) — V и VII международных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, ВИОГЕМ, 1999, 2003), IV ЮБТЕ симпозиуме для стран Восточной и Центральной Европы (Курск, 2003) — пленарных совещаниях Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Волгоград, 2000; Краснодар, 2002; Курск, 2003) — международных конференциях по Программе экологического оздоровления Днепра (Смоленск, 2001, 2002, Минск, 2002, Киев, 2002, 2003, Харьков, 2003), международной научно-практической конференции «Модели и технологии оптимизации земледелия» (Курск, 2003).

Публикации. Основное содержание и результаты изложены в 47 научных работах, включая 4 монографии написанных в соавторстве.

1. Проведенными исследованиями установлено, что в условиях хозяй ственной деятельности человеческого общества происходит изменение есте ственных природно-территориальных комплексов (ПТК), переходяпдих в ан тропогенные, с разной степенью трансформации всех элементов. При этом в условиях лесостепных ландшафтов Центрально-Черноземной зоны России одним из основных изменяющихся под влиянием хозяйственной деятельно сти элементов ландшафтных комплексов оказывается их водная компонента. Разработанные методы расчета и прогноза показали трансформацию всех элементов водной компоненты агроландшафтов: запасов влаги в почве, поверхностного стока и связанного с ним склонового смыва. Почвенно эрозионные процессы в агроландшафтах изменяют режим стока, русловые процессы, гидрохимический состав и экологическое состояние рек, искусст венных и естественных водоемов.2. Установлено, что в агроэкосистемах происходит трансформация се зонной динамики влагозапасов по сравнению с естественными экосистемами лесостепной зоны (лесом и степью), снижается глубина и интенсивность се зонного промачивания почвогрунтов, возрастают потери влаги на поверхно стный сток и испарение. Разработана методика расчета и прогноза запасов влаги по метеорологическим данным для вегетационного периода под раз личными сельскохозяйственными культурами по уравнению, составляющи ми которого являются: запасы влаги в почве в слое 0−50 см на расчетную да ту вегетационного периодасреднее многолетнее значение влагозапасов в слое почвы 0−50 смпродолжительность периода, за который учитываются предшествующие осадкикоэффициенты, зависящие от типа угодий и номера дня от расчетной датысуточные слои осадков или влагозапасы в слое почвы.

0−50 см на дату окончания снеготаяния, если эта дата входит в расчетный пе риодсредний многолетний слой осадков. Разработаны диаграммы вероятностной оценки влияния многолетней динамики запасов почвенной влаги на урожайность сельскохозяйственных культур, которые можно использовать для программирования урожаев и вы бора оптимальных агроклиматических и почвенно-гидрологических условий возделывания сельскохозяйственных культур.3. При участии автора разработана методика расчета склонового стока и смыва почв в период весеннего половодья и дождевых паводков предложе на методика моделирования оптимальных противоэрозионных комплексов на пашне с применением электронных таблиц ЭВМ. С помощью компьютерного моделирования выполнена оценка противоэрозионной эффективности раз личных агротехнических, гидротехнических и лесомелиоративных приемов на пашне. Использование предложенного метода моделирования и оценок противоэрозионных мероприятий позволяет выбирать и размещать опти мальным образом элементы противоэрозионных водорегулирующих ком плексов на пашне, используя для оптимизации более 20 различных показате лей,.

4. В качестве основного критерия выбора оптимальных противоэрози онных комплексов целесообразно использовать понятие компенсированного смыва: такую величину потерь плодородного слоя почвы, которая уравнове шивается поступающими на сельскохозяйственные угодья органическими удобрениями — пожнивными остатками и нетоварной массой сельскохозяйст венных культур, сидеральными культурами и органическими удобрениями (навозом, торфом и др.). Впервые в качестве критерия оптимальности систе мы противоэрозионных мероприятий в агроландшафтах предложено исполь зовать баланс гумуса, органического вещества почвы. Оптимальным считает ся такой противоэрозионный комплекс, который обеспечивает нулевой или положительный баланс гумуса, то есть сохранение или восстановление поч венного плодородия соответственно.5. Для склоновых земель с черноземными и серыми лесными почвами одним из эффективнейших противоэрозионных приемов в условиях ЦЧЗ яв 331 ляется мульчирование почвы нетоварной продукцией сельскохозяйственных.

6. Установлено, что в условиях ЦЧЗ на сложных склонах большой про тяженности достаточную защиту почвенного покрова и решение основных экологических проблем в агроландшафтах обеспечивают только системы противоэрозионных мероприятий с применением агротехнических, гидро технических (валы-террасы) и лесомелиоративных (лесополосы) приемов на пашне, обеспечивающих удержание слоя стока весеннего половодья до 80—.

7. Под влиянием сельскохозяйственного производства в агроландшаф тах трансформируются не только сами сельскохозяйственные угодья, но и ландшафтные комплексы более высоких рангов, изменяется гидрологический режим и экологическое состояние рек, озер, прудов, водохранилищ. В агро ландшафтах в зависимости от агротехники, интенсивности и культуры про изводства, системы удобрений, использования различных почвозащитных приемов меняется гидрологический режим рек: внутригодовое распределе ние стока, сток половодья и меженных периодов, годовой сток. Одним из наиболее существенных элементов агроландшафтов, влияющих на сток, яв ляются пруды и водохранилища: в условиях ЦЧЗ они снижают сток полово дья на 20−30%, увеличивая меженный сток на 30−50%. Внедрение противо эрозионных водорегулирующих приемов и их комплексов снижает сток по ловодья на 10−15%), увеличивая меженный сток на 15−20%.8. В условиях интенсификации сельскохозяйственного производства в агроландшафтах ЦЧЗ изменяется гидрохимический состав стока рек, увели чивается содержание растворенных биогенных и органических веществ до концентраций, превышающих ПДК в 3−5 раз по аммонийному азоту, в 2—5 раз по минеральному фосфору, в 1,5−2 раза по БПК5, что приводит к транс формации всех элементов водных и околоводных биоценозов: альгофлоры, макрофитов, зоопланктона, зообентоса и ихтиофауны. Трофический уровень водоемов, их сапробность увеличивается от фоновой бетамезосапробной до альфамезосапробной, что установлено с помощью предложеного метода комплексной экологической оценки трансформации водных биоценозов и качества воды в реках и прудах.9. Почвенно-эрозионные процессы и вынос биогенных веществ с паш ни оказывают существенное влияние на русловые процессы в реках ЦЧЗ. На большинстве малых рек наблюдается процесс заиливания русел со скоростью.

0,5−1,5 см/год. В период с 1975 по 1980 год интенсивность этого процесса увеличилась до 2,0−2,5 см/год. При этом на более крупных реках с большей транспортирующей способностью преобладает тенденция к врезанию русел.10. На основании выявленных в процессе мониторинговых исследова ний закономерностей загрязнения и самоочищения водоемов и водотоков в агроландшафтах разработана и внедрена система доочистки биологически очищенных сточных вод очистных сооружений г. Железногорска Курской области с использованием биоплато. Разработанный метод доочистки защи щен авторским свидетельством на изобретение. В результате доочистки сни жено поступление в р. Свапу и ее притоки поступление аммонийного азота в.

3−5 раз, минерального фосфора в 1,5−2 раза, растворенных органических ве ществ и взвесей в 2−3 раза, меди, железа, нефтепродуктов в 2−3 раза. Заметно улучшилось экологическое состояние водных биоценозов р. Сваны. Эконо мический эффект составляет более 3 млн руб. ежегодно.11. Разработанная с использованием предложенных методов моделиро вания система мероприятий по регулированию почвенно-гидрологических процессов в агроландшафтах ЦЧЗ позволяет повысить производительность сельскохозяйственного производства, сохранить плодородие почвы, улуч шить качество поверхностных и подземных вод, стабилизировать экологиче ское состояние водотоков и водоемов, тем самым улучшая качество жизни населения, обеспечивая экологический, социальный и экономический эф фект. Предложения по практическому использованию результатов ис следования.

1. Научно-исследовательским организациям рекомендуется использовать: • метод расчета и прогноза запасов влаги в почве по метеорологиче ским данным- • метод расчета стока талых и дождевых вод, смыва почв талыми и до ждевыми водами с различных агрофонов- • методы расчета эффективности различных агротехнических, гидро мелиоративных и лесомелиоративных приемов на пашне- • подход к определению оптимального состава противоэрозионных во дорегулирующих комплексов с учетом компенсированного смыва, на основе баланса гумуса и органического вещества почвы- • компьютерное моделирование отдельных мероприятий и их комплек сов по регулированию почвенно-гидрологических процессов на пашне с применением электронных таблиц.2. Для условий ЦЧЗ при разработке проектов землеустройства хо зяйств, проектным организациям рекомендуется использовать разработан ную на базе электронных таблиц ЭВМ интерактивную систему выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов на пахотных землях,.

3. При разработке природоохранных, в том числе водоохранных, меро приятий при проектировании различных производственных объектов реко мендуется использовать предложенные критерии качества воды и состояния водных биоценозов.4. Разработанная система расчета и прогноза почвенно-гидрологичес ких процессов на пашне, моделирования противоэрозионных комплексов, система комплексной экологической оценки состояния водотоков и водоемов могут быть использованы в учебном процессе в системе высшего и среднего специального образования.