CC BY
20
УДК 631.459.01:551.58
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ ЭРОЗИОННО ОПАСНЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ С УЧЕТОМ ТЕКУЩИХ И ОЖИДАЕМЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ РИСКОВ
А.И. БЕЛОЛЮБЦЕВ
(Кафедра земледелия и агрометеорологии)
Представлены результаты длительных исследований процессов эрозии почв на склоновых земля х южной экспозиции Центрального Нечерноземья. Установлено, что мульчирование почвы растительными остатками, особенно на фоне минимализации, является важным агротехническим и биологическим приемом, мощным средством комплексного воздействия на почвенные процессы и функционирование эрозионно опасных агроландшафтов. Мульчирующая обработка в современных неблагопри тных почвенно-климатических и погодных условиях способствует сохранению и восстановлению плодородия эродированных почв, обеспечивая надежный режим защиты от эрозии. В полной мере она проявляется на склоне крутизной 4°, где величина поверхностного стока талых вод составляет лишь 1,5 мм, при отсутствии существенных потерь смытой почвы. Это имеет важное агроэкологическое значение в адаптации эрозионно-опасных сельскохозя йственных территорий к текущим и ожидаемым изменения м климата.
Ключевые слова: изменения климата, склоны южной экспозиции, эрозия почв, адаптация, мульчирующая обработка, минимализация.
Нарастающая экологическая раз-балансированность окружающей среды и климата стала для современного общества важнейшей проблемой, требующей кардинального измене-ни самой философии отношени к среде обитани . Конфликт с природой, сопровождаемый ростом числа экологических катастроф и их глобализацией, остро ставит вопрос о сохранении устойчивости биосферы. Поэтому представл етс совершен-
но оправданным подписанна в конце 2009 г. главой государства климатическая доктрина России, где дана оценка возможных последствий для
страны глобального потепления климата. Прогнозируемые ведущими
учеными и специалистами в ближайшие 10-20 лет изменения климата, в целом, продолжат тенденции, наблюдавшиеся в последние десятилетия, а по своим масштабам и интенсивности с высокой степенью веро тности будут их превосходить. В этой свя -зи в доктрине предлагаютс способы повысить эффективность экономики не в ущерб экологии. Одной из ключевых задач государства в этом направлении станет разработка меро-при тий по адаптации основных отраслей экономики страны к текущим
и ожидаемым климатическим измене-ни м.
Сельское хозяйство является одной из самых климатозависимых сфер производственной де тельно-сти человека. Состо ние и продуктивность агроландшафтов и их функционирование, многие технологические процессы в агросфере напр мую завис т от развити и сочетани погодных условий. Поэтому глобальное потепление климата и св занное с этим снижение устойчивости аграрного производства [3, 8, 9] обуславливают острую необходимость поиска, разработки и применени различных меропри тий по ландшафтноэкологической адаптации систем ис-пользовани земель с.-х. назначени . Наиболее уя звимыми в данном отношении вл ютс склоновые территории, особенно южных экспозиций с низким естественным плодородием и высокой природной и антропогенной нагрузкой.
Методика
Исследования выполнены в 19812005 гг. в стационарном многофакторном полевом опыте М-01-18-ОП, который был заложен осенью 1980 г. в Подольском районе Московской обл.
Истори ведени опыта включает в себ два периода. В первый период (1980-1989) на двух смежных склонах южной экспозиции развернут трехфакторный опыт; во второй (с 1990 до 2009 г.) — с учетом дальнейшего совершенствовани систем земледелия, комплексного изучения принципов разноглубинности, ми-нимализации, почвозащитной целесообразности и экологической адаптивности приемов обработки почвы, построения на этой основе принципиально новых ландшафтных систем земледелия для эрозионно-опасных территорий полевой опыт был модернизирован:
Схема двухфакторного опыта 6x2
А. Обработка почвы В. Склон
1. Вспашка на глубину 20-22 см, поперек склона (контроль) 2. Вспашка + щелевание на 4050 см и нарезанием щелей через 7-8 м 3. Плоскорезная на 18-20 см + щелевание через 1,4 м 4. Плоскорезная + чизелевание на 38-40 см 5. Поверхностная (дискование на 6-8 см) + щелевание через 3-4 м 6. Поверхностная 48 о о
На опытном участке развернут п типольный почвозащитный зерно-трав ной севооборот во времени: 1 — овес; 2 — чмень с подсевом многолетних трав; 3 — многолетние травы
1-го года пользования; 4 — многолетние травы 2-го года пользовани ; 5 — озима пшеница.
Предпосевна обработка почвы под возделываемые культуры, за исключением многолетних трав, включает в себя дискование (БДТ-3) и обработку РВК-3,6 на глубину заделки семян. Основные обработки примен ли дифференцированно. Нарезание щелей (ЩН-2-140) по вспашке и поверхностной обработке (з бь) проводили в позднеосенний период при устойчивом промерзании почвы на глубину 3-5 см; при возделывании озимой пшеницы — перед посевом культуры; многолетних трав — в осенний период до промерзани почвы. В вариантах, включающих в себ плоскорезную обработку в сочетании со щелеванием и чизелеванием, основную обработку проводили в обычные сроки комбинированным агрегатом ПЩН-2,5. Дл усилени почвозащитной эффективности поверхностной обработки после первого укоса многолетних трав
2-го года пользовани (один раз в ротацию севооборота) примен ли чизе-
левание на глубину 38-40 см плугом ПЧ-4,5М.
С целью повышени почвозащитной эффективности изучаемых приемов и систем обработки почвы, ее плодородия, влагосбережения и более рационального использовани
пожнивных остатков во время уборки урожая озимой пшеницы и овса начиная с 1990 г. дополнительно применя -ли мульчирование поверхности почвы измельченной соломой и половой.
Почвенный покров участка представлен сочетанием дерново-слабо- и среднеподзолистых почв с преобладанием первых. Гранулометрический состав — от легко- до тяжелосуглинистого, с преобладанием легко- и среднесуглинистого. По степени смы-тости — от намытых до сильносмы-тых, однако преобладают в основном слабо- и среднесмытые. Почвообразующая порода — покровный суглинок.
Результаты и их обсуждение
Анализ температурного и водного режимов последних десятилетий дает все основания утверждать, что с начала 1990-х гг. происходят самые заметные изменени климата за весь более чем вековой срок непрерывных инструментальных наблюдений. Они характеризуютс значительным повышением температуры холодных сезонов года, увеличением испаряемости при сохранении и даже снижении количества атмосферных осадков за теплый период, возрастанием повторяемости засух, при одновременном увеличении интенсивности экстремальных осадков и температуры [2, 3]. Завершающий первое десятилетие нового века 2010 г. войдет в историю метеорологических наблюдений как самый драматичный по своим социальным, экологическим и экономическим последстви м дл современного общества и экономики страны.
Важным свидетельством смены глобальной экологической обстановки и усилени ее роли в нынешних условиях землепользования служит
характер и динамика эрозии почв склоновых земель южной экспозиции. Накопление и распределение зимних осадков, запасы воды в снеге, сроки и особенности снеготаяния, состояние почвы и физические процессы, протекающие как на ее поверхности, так и в глубине почвенного профиля, во многом обуславливают интенсивность и направленность экологических изменений таких территорий.
Процесс весеннего снегота ни и разрушения устойчивого снежного покрова в Центральном Нечерноземье, как правило, начинается в конце марта — начале апрел . В зависимости от развити глобальных цирку-л ционных процессов даты начала и продолжительность снеготаяния могут колебатьс в больших пределах.
Самое раннее разрушение снежного покрова на склонах в основном приходится на 1990-е гг. Так, в 1990 г. процессы активного снегота ни отмечены 23 февраля, 1991 г. — 2 6 февраля , 1995 и 2008 гг. — 27 февраля, 1998 г. — 28 февраля, что раньше обычных сроков более чем на мес ц. При этом в последние годы существенно возрастает размытость переходных периодов между холодным и теплым сезонами (рис. 1).
Поступление воды на водосбор, количественные и качественные характеристики стока определ ютс интенсивностью та ни и запасами воды в снеге. Они обусловлены термическим режимом как в период снегота ни весной, так и в холодный сезон в целом. Отме-чаетс достаточно устойчива обратна связь (г = $0,61) между температурой воздуха холодного сезона и количественной характеристикой водноэрозионного процесса (слой стока) в первые дес ть лет наблюдений и заметна их разбалансированность (г = -0,33) в последние дес ть лет (рис. 2).
В св зи с резким усилением пр -мого воздействи внешних факторов на процессы эрозии и общее функционирование агроландшафтов, особенно южной ориентации, а также сохраня -
Температура, °С
2005
2001
1997;
1993:
1989
1985
1981
20.02 01.03 10.03 20.03 01.04
Календарные сроки Рис. 1. Начало и продолжительность стока талых вод, 1981-2008 гг
10.04
10
20
30
40
50
60
Рис. 2. Тренд температуры воздуха холодного сезона и поверхностного стока талых вод.
Склон крутизной 8°
0
ющейс высокой опасностью ускоренной деградации эродированных почв, возникла необходимость в дополнительных агротехнических меропри -ти х по повышению их экологической устойчивости. Важным этапом в этом направлении стало применение мульчирующей обработки поверхности почвы измельченной соломой во врем уборки озимой пшеницы и овса.
Мульчирование не относитс к числу принципиально новых агротехнических приемов. На протяжении своей истории, которая корня ми уходит в 20-30-е годы прошлого века, оно имело разные отзывы: от позитивных, каких большинство [4, 6, 7], до весьма сдержанных [5] и даже негативных [1]. Противоречивость оценок роли мульчирующей обработки в функционировании агроландшафтов обусловлена большим разнообразием, сложностью и неоднозначностью идущих при этом в почвенной толще и на ее поверхности процессов. Работ, по-св щенных изучению роли мульчиро-вани в услови х современного устойчивого потеплени климата в зоне эродированных дерново-подзолистых почв, нам обнаружить не удалось.
Мульчирующа обработка растительными остатками в услови х опыта примен лась общим фоном в качестве дополнительного агроприема. Сравнительный анализ результатов многолетних исследований различных способов использовани соломы показал неоднозначную агроэкологи-ческую эффективность мульчирова-ни и его последействие на состо ние эродированной почвы.
Почвозащитная эффективность
мульчирования, как и его влия ние на внутрипочвенные процессы, во многом зависит от способов размещени растительных остатков в пахотном слое. Перемешивание измельченной соломы с почвой (вертикальное мульчирование) при вспашке со щелевани-ем и обычной вспашке в слое 0-20 см, поверхностной со щелеванием и поверхностной обработке в слое 0-10 см
(вертикально-горизонтальное мульчирование) способствует, прежде всего, дополнительному, а зачастую избыточному насыщению верхних ее горизонтов влагой. Солома придает почве рыхлое мелкопористое строение с большим количеством и высокой аккумулирующей емкостью небольших пустот и промежутков, которые удерживают воду длительное время. Высокая влажность верхнего слоя отмечена и на плоскорезных обработках со щелеванием и чизелеванием (горизонтальное мульчирование). Несмотр на другой способ размещени соломы, характер и динамика процессов накопления и сохранения влаги в этих вариантах были почти такие же, как и при вертикальном мульчировании. Это особенно отчетливо проявляется в позднеосенний период после прове-дени основных обработок и выпаде-ни обильных атмосферных осадков, а также в зимний сезон во время интенсивных оттепелей.
Мульчирующа обработка оказывает существенное и разностороннее влия ние на условия развития, интенсивность и характер процессов эрозии почв при снегота нии. Растительные остатки при горизонтальном и/или неглубоком вертикальном размещении (в слое 0-10 см) способствуют дополнительному накоплению снежной массы, запасов воды в снеге, изменению его свойств и снижению глубины промерзани почвы. Вместе с тем избыточное увлажнение верхнего горизонта при мульчировании повышает степень ее промерзания, способствует образованию ледя ной корки, что в итоге может снизить стокорегулирующую эффективность противоэрозион-ных приемов обработки и самой почвы в ранневесенний период (табл. 1 ).
Тая ние снега на склонах, мульчированных соломой, на первом этапе формировани стока проходит одинаковыми темпами; на втором — от-мечаютс заметные различи по вариантам. При активном радиационном режиме стерня и солома способству-
Т а б л и ц а 1
Влияние почвозащитных обработок на развитие процессов эрозии почв в годы применения мульчирования
Вариант Глубина промерзания почвы перед стоком, см Запасы воды в снеге перед стоком + осадки во время стока, мм Сток, мм Смыв почвы, т/га
при мульчи- ровании в среднем за период (1991-2005 гг.)
Склон крутизной 8°
Вспашка (контроль) 27 75,8 9,3 0,24 0,40
Вспашка + щелевание 24 71,2 9,7 0,17 0,29
Плоскорезная + щелевание 23 76,4 10,9 0,15 0,34
Плоскорезная + чизелевание 22 72,9 12,3 0,18 0,35
Поверхностная + щелевание 23 73,7 11,6 0,15 0,33
Поверхностная 21 72,6 13,4 0,26 0,40
Склон крутизной 4°
Вспашка (контроль) 22 73,2 1,3 0,01 0,15
Вспашка + щелевание 22 71,7 1,2 0,01 0,10
Плоскорезная + щелевание 20 76,4 1,6 0,01 0,15
Плоскорезная + чизелевание 18 75,1 1,6 0,01 0,14
Поверхностная + щелевание 19 71,2 1,5 0,01 0,11
Поверхностная 18 74,4 1,7 0,01 0,15
НСР05 фактор А 0,52 0,09 0,12
В 2,22 0,13 0,21
ют большей концентрации солнечного тепла, что увеличивает скорость тая -ния снега и льда, обеспечивая значительный сход талой воды по неотта-вшей почве.
Большие потери весенней влаги на склоновых землях южных э кспозиций в результате мульчирования — я вле-ние, безусловно, отрицательное, так как дополнительно накладывает негативную производительную и экологическую нагрузку на агроландшафты. Однако в условиях теплых неустойчивых зим, когда задержать талую воду на полях чрезвычайно сложно, а зачастую просто невозможно, нужно предпринимать меры дл безопасного ее сброса. Размещение растительных остатков в необходимых количествах на поверхности почвы полностью отвечает этим требования м. Кроме того, накопленный объем влаги в почве под мульчей за осенне-зимне-весенний сезон часто нивелирует эти потери.
Объективно оценить почвозащитную эффективность мульчирования
в современных природных услови х, особенно на фоне теплых зимних периодов, представляется задачей довольно сложной. При безотвальных обработках влияние этого агроприема на потери мелкозема неоднозначное и зависит от многих факторов. При неравномерном или недостаточном (менее 2,0 т/га) размещении растительных остатков на поверхности стерня провоцирует смыв, способст-ву более быстрому та нию снега, ледяной корки, а соответственно и оттаиванию почвы. Она разжижает-с и переходит в состо ние текучести, а большая кинетическая энергия стекающей концентрированным потоком талой воды по покрытой льдом поверхности легко смывает ее, уве-личива мутность стока и общие потери мелкозема.
При оптимальном размещении мульчи сход талой воды по мерзлому основанию проходит с относительно невысоким ущербом дл плодороди почвы. Солома выполня ет защитную
функцию, препятствуя быстрому оттаиванию и способствуя дополнительной цементации льдом поверхности почвы. Это особенно важно, когда ее структура разрушена в результате неблагоприятных условий холодного периода года. Помимо этого стерня и солома распыляют сток, не позволяя ему концентрироваться . Это заметно снижает агрессивность снеговой воды даже в том случае, если она стекает по уже отта вшей поверхности. При этом время и площадь контакта талой воды и почвы могут быть продолжительными. Следовательно, чем меньше измельченна солома смешива-етс с почвой и чем больше покрыта ее поверхность, тем почва устойчивее к смыву талыми водами. В то же время даже полное запахивание соломы (вспашка, вспашка со щеле-ванием) обеспечивает достаточно надежный экологический режим защиты почв от эрозии.
Оценку стабилизирующей роли мульчирующей обработки позвол -ет дать и анализ противоэрозионной стойкости почв к эродирующему воздействию стока, выраженный через показатели мутности талой воды на
единицу ее объема. Из изучаемых противоэрозионных вариантов на склоне крутизной 8° минимальное содержание мелкозема 0,013-0,015 г/л в стекающей воде в объеме 10,912,9 мм отмечено при плоскорезной обработке со щелеванием и чизеле-ванием, а также поверхностной со щелеванием, что в среднем на 45% меньше, чем в контрольном варианте. Это свидетельствует о большей устойчивости поверхности почвы в этих вариантах к процессам смыва и разру-шени стоком талых вод (рис. 3).
Развитие эрозионных процессов на склоне крутизной 80 при применении комплекса агротехнических меропри-тий характеризуетс относительно невысокими показател ми причи-ня емого ущерба плодородию почвы. Почвозащитна и стокорегулирую-
щая эффективность мульчирования про вл етс в полной мере на склоне крутизной 4°, где величина сформи-ровавшегос поверхностного стока в среднем по вариантам составл ет лишь 1,5 мм, при практически полном отсутствии смыва.
Согласно нашим результатам, слабой противоэрозионной устойчивостью обладает почва при верти-
□ Склон 4° □ Склон 8°
|
Рис. 3. Эродирующие свойства талого стока в зависимости от противоэрозионных обработок и крутизны склона, 1991-2005 гг
кальном размещении соломы в слое 0-10 см в варианте с минимальной обработкой. Абсолютные потери мелкозема на склоне крутизной 8° со-ставля ют 0,26 т/га при величине стока 13,4 мм, т.е. существенно уступая аналогичным показател м контрольного варианта. Тем не менее, физическое сопротивление почвы эродирующему воздействию талой воды, оцениваемой по мутности стока на единицу его объема, на 25% превышает аналогичные показатели варианта вспашки. Усиление поверхностной обработки почвы щелеванием способствует дополнительному улучшению экологической обстановки на склонах, где мутность талой воды на единицу объема сокращаетс на 50%, а реальные потери смытого мелкозема — на 38%.
Показатель мутности стока имеет немаловажное практическое значение и его необходимо учитывать при планировании и оценке эффективности почвозащитных меропри тий на склоновых земл х. Он характеризует потенциальную устойчивость почвы при различных приемах обработки противосто ть разрушительному воздействию поверхностного стока. Это тем более важно при разработке экологически безопасных приемов управления процессами эрозии почв в сложившихся неблагоприятных
почвенно-климатических и погодных условия х последних лет, когда стокорегулирующая эффективность при-мен емых агротехнических приемов заметно снизилась.
Еще один способ управления экологическими процессами на склоновых земл х при помощи растительных остатков, на наш взгляд, заслуживает внимания. Во время уборки чмен с подсевом многолетних трав было решено оставить стерню высотой не менее 2 5$35 см, а в нижней части склонов — до 40 см (вместо обычных 15-20 см). Полосное естественное надламывание и прикатывание стерни по следам уборочной техники обеспечивает на участках пол разный по высоте ее фон. Это оказывает заметное вли ние на накопление и распределение по склону снежной массы, ее структуру, а также на процессы промерзания почвы, особенно в начале зимы. Высота снега на участках с пр мосто чей стерней была на 5$8 см выше, а плотность — на
0,03-0,08 г/см2 меньше, чем на участках пол с прикатанной стерней. Снег благодар более быстрому накоплению и рыхлой структуре преп тству-ет интенсивному охлаждению почвы, снижая степень промерзания пахотного горизонта. Этот показатель, как известно, я вля ется решающим фактором стока талых вод.
Т а б л и ц а 2
Величина стока талых вод (мм) и смыва почвы (т/га) по стерневому фону
Вариант Глубина промерзания почвы перед стоком, см Запасы воды в снеге перед стоком + осадки во время стока, мм Продолжительность стока, сут. Сток, мм Коэффициент стока, Кст Смыв почвы, т/га
Склон крутизной 8°
Вспашка (контроль) 20 58 5 9,6 0,17 0,01
Вспашка + щелевание 21 57 5 8,2 0,14 0,01
Поверхностная 16 56 3 6 0,11 0,01
Склон крутизной 4°
Вспашка (контроль) 15 57 0 0 0 0
Вспашка + щелевание 15 58 0 0 0 0
Поверхностная 13 59 0 0 0 0
В конце зимы и ранней весной инфляционные потоки, аккумулированные высокой пря мостоячей стерней зерновых культур способствует существенному ускорению процессов стаивания снежной массы. Вытаива-ние и освобождение почвы от снега в зависимости от крутизны склона происходит на 7-13 дней раньше, чем на участках с прикатанной стерней.
Разновременное стаивание снежного покрова и оттаивание почвы снижают опасность непродуктивных потерь влаги и проя вление эрозионных процессов (см. табл. 2).
Библиографический список
1. Аллен Х.П. Прямой посев и минимальная обработка почвы. М.: Агропромиздат, 1985.
2. Белолюбцев А.И. Агроэкологические аспекты современного климата // Труды ГУ ВНИИСХМ, 2010. Вып. 37.
3. Белолюбцев А.И. Агроклиматическая оценка продуктивности фитоценозов на склоновых землях // Известия ТСХА, 2010. № 4. С. з1—40.
4. Гавриш В.Г. Массовые опыты по мульчированию посевов. М.-Л.: Сельхозгиз, 1931.
5. Каштанов А.Н., Лисецкий Ф.Н., Швебс Г.И. Основы ландшафтно-экологического земледелия. М.: Колос, 1994.
6. Ломакин М.М. Мульчирующая обработка почвы на склонах. М.: Агропромиздат, 1988.
7. Мосолов В.П. Агротехника. М.: Госиздат с.-х. лит., 1952.
8. Alexandrov V.A., Hoogenboom G. The impact of climate variability and change on crop yield in Bulgaria. Agric. For. Meteorol., 2000. 104. 315—327.
9. Tsuji G.Y., Uehara G., Balas S. IBSNAT Project. Department of Agronomy and Soil Science, University of Hawaii, Honolulu, Hawaii, 1994. USA.
Рецензенты: д. с.-х. н. Г.И. Баздырев, д. б. н. М.А. Мазиров SUMMARY
Results of long-term research into processes of soil erosion on sloping lands of southern exposure in central black soil area are provided in the article. It has been discovered that mulching soil with plant residues, especially against the background of minimization, is both cultural and biological practice, a power tool for complex effect on both soil processes and functioning of erosion hazardous landscapes. Mulching treatment, under present-day unfavourable both preservation and restoration of eroded soils’ fertility, ensuring a reliable barrier against erosion. In full, erosion occurs on slope steepness of 4 degrees, where magnitude of melt water surface runoff is only 1.5 mm., in the absence of significant losses of eroded soils. This is of great agro-ecological importance in adaptation of erosive hazardous agricultural areas to present-day and expected climatic changes.
Key words: climatic, change, southern exposure slopes, soil erosion, mulching theat-ment, minimization.
Белолюбцев Александр Иванович — д. с.-х. н. Тел. (499) 977-73-55. Эл. почта: [email protected]
Заключение
Подводя итог, можно с уверенностью констатировать, что мульчирование почвы, особенно на фоне минимализации обработки, является важным агротехническим и биологическим приемом, мощным средством комплексного воздействи на почвенные
процессы и функционирование эрозионноопасных агроландшафтов. В современных неблагопри тных почвенно-климатических и погодных услови х применение соломы и других пожнивных остатков обеспечивает достаточно надежный режим защиты склоновых земель от эрозии. Это имеет важное агроэкологическое значение в повышении их устойчивости к текущим и ожидаемым из-менени м климата.
