CC BY
48
001: 10.24411/0044-3913-2018-10206 УДК 551.4:634.958
Влияние контурных
сто ко регулирующих лесных
полос из дуба на эрозионно-
гидрологические показатели
на Среднерусской
возвышенности
А.И. ПЕТЕЛЬКО1, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник (e-mail: [email protected]) А.Т. БАРАБАНОВ2, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник (e-mail: [email protected]) 1Новосильская зональная агролесомелиоративная опытная станция - филиал Федерального научного центра агроэкологии РАН, ул. Семашко, 2А, Мценск, Орловская обл., 303035, Российская Федерация 2Федеральный научный центр агроэкологии РАН, просп. Университетский, 97, Волгоград, 400062, Российская Федерация
Исследования проводили с целью изучения влияния однорядных контурных стокорегулирующих лесных полос из дуба разных конструкций на природные факторы и эрозионно-гидрологические процессы. По результатам многолетних исследований пронализировано влияние различных противоэрозионныхприёмов на формирование весеннего стока талых вод, в частности контурных лесополос продуваемой, плотной и комбинированной конструкции (на полевом стационарном опыте в 1926 г. посажена однорядная контурная стокорегулирующая лесная полоса из дуба) на снегоотложение, промерзание и влажность почвы, водопо-глощение, сток и смыв почвы. За основу изучения водорегулирующей и противоэро-зионной роли контурных лесополос и агротехнических приёмов был принятбалансовый метод с использованием стоковых площадок, согласно методике Г.П. Сурмача. Роль защитных лесных насаждений недостаточна, если они расположены прямолинейно без учёта рельефа местности. Мелиоративная эффективность системы лесополос может быть повышена путем их размещения по горизонталям. Более равномерное распределение снежного покрова происходило в зоне влияния лесной полосы продуваемой $2 конструкции, из самой лесополосе снег вы-О дувался. Лесополоса плотной конструкции ^ способствовала некоторому накоплению 2 снега, как в межполосном пространстве, z так и возле самого насаждения. В варианте ие со стокорегулирующей комбинированной ел лесополосой отложение снежного покрова Ч было несколько меньше, чем при плотной ле конструкции. В продуваемой лесополосе 2 высота снега составила 17 см, в плотной -$ 24 см и в комбинированной - 21 см.
Ключевые слова: почва, эрозия, конструкция лесополос, контурная стокорегули-рующая однорядная лесополоса, зяблевая вспашка, снегоотложение, промерзание и влажность почвы, снеготаяние, водопогло-щение, снегозапасы, сток талых вод.
Для цитирования: Петелько А.И., Барабанов А.Т. Влияние контурных стокорегулирующих лесных полос из дуба на эрозионно-гидрологические показатели на Среднерусской возвышенности//Земледелие. 2018. № 2. С. 26-29.
Водная эрозия почвы наносит большой ущерб сельскому хозяйству. Решать эту сложную проблему необходимо с использованием разработанного комплекса противоэрозионных мероприятий. На Новосильской ЗАГЛОС впервые стали размещать лесные полосы по контуру с 1926 г Широкое распространение получает способ размещения лесных полос строго вдоль горизонталей или близко к ним. За многолетний период научных исследований разработаны новые способы борьбы с эрозией почв, дана оценка технологий создания контурных лесных полос, предложены направления совершенствования противоэрозионных лесомелиоративных предприятий [1].
Вопрос о размещении контурных лесополос на местности один из важнейших в лесной мелиорации. От правильности его решения зависит полнота использования мелиоративных функций насаждений и, следовательно, степень защиты территорий от вредоносных явлений. Следует отметить, что в гидрологическом и противоэрози-онном отношении наилучший способ расположения лесополос - контурный (горизонтальный). Он обеспечивает благоприятные условия для ввода поверхностного стока в лесополосы, равномерного распределения воды по поверхности почвы в лесополосе и максимального её поглощения [2].
Современное интенсивное земледелие на склонах немыслимо без защиты почвы от водной эрозии и повышения продуктивности эродированных земель. Охрана почв от эрозий - одна из главных задач природопользования. Актуальность её возрастает в связи со
всё более интенсивным использованием старопахотных земель, вовлечением в сельскохозяйственный оборот ранее малопригодных размытых земель. В Орловской области в последние годы идёт поэтапное освоение и распашка заброшенных земель.
Для успешной защиты почв от смыва необходимо знать закономерности эрозионных процессов и особенности их проявления в зависимости от совокупности природных факторов.
Цель исследований - изучение поверхностного стока талых вод, смыва и размыва почвы на различных агро-фонах в системе контурных лесополос для оценки их водозадерживающей и противоэрозионной роли.
На Новосильской зональной агролесомелиоративной опытной станции с 1921 г. проводят разносторонние исследования процессов эрозии и испытание противоэрозионных приёмов. На сегодняшний день накоплен значительный научный материал, характеризующий эффективность комплекса противоэрозионных мероприятий.
Используя традиционные методы и средства научных исследований, в учреждении были заложены стационарные многофакторные опыты, позволяющие получать наиболее полные характеристики взаимосвязей изучаемых природных факторов.
Научный объект заложен на склоне западной и юго-западной экспозиции, крутизной от 1,5° в верхней до 3,5° в нижней части склона. Пять однорядных дубовых (10Д) контурных стокорегу-лирующих лесных полос размещены через 100 м вдоль горизонталей. Почвы опытного участка смытые серые лесные тяжелосуглинистые с содержанием гумуса в слое 0-30 см в среднем 2,1-2,6 %. Реакция почвенной среды слабо- и среднекислая. На опытном участке каждый год осенью закладываются стоковые площадки размером 20x100 м (см. рисунок).
Для решения программных вопросов изучали комплексное влияние контурных однорядных стокорегу-лирующих лесополос на природные факторы на различных агрофонах и без них (контроль), определяли снегоотложение, промерзание и сток талых вод, смыв почвы, оттаивание её, влажность, проводили ряд сопутствующих наблюдений. В исследованиях использовали труды Г.П. Сурмача [3, 4], Е.А. Гаршинёва [5], А.Т. Барабанова [6], А.И. Петелько [7], Н.Е. Петелько [8], С.И. Небольсина [9] и др.
Снегомерную съёмку проводили на стоковых площадках по двум профилям через 2 м в пятикратной повторности. Плотность снега определяли весовым снегомером ВС-43 на каждой стоковой площадке в шести точках, повтор-ность - двукратная. Запасы воды в сне-
Рисунок. Стационарный многофакторный опыт на Новосильской ЗАГЛОС: а) объекты исследований; б) размещение объектов исследований; в) схема расположения вариантов опыта на стоковых площадках:) \ —лесополоса продуваемой конструкции; ЩЩЦ — лесополоса плотной конструкции; [хл/у х] — лесополоса комбинированной конструкции.
ге (О) вычисляли по формуле 0=10Нс1, таянием отбирали почвенные образцы где Н - высота снежного покрова, см; на влажность, по наличию кристаллов С - плотность снега, г/см3. Перед снего- льда в них определяли глубину промер-
зания почвы. Замеры воды на пороге водослива проводили линейкой с миллиметровыми делениями через каждый час. При наблюдении за оттаиванием почвы использовали металлическую шпильку с делениями.
В многофакторном опыте были заложены различные конструкции контурной стокорегулирующей лесополосы из дуба: плотная, продуваемая и комбинированная. Продуваемые лесополосы (крупные просветы между стволами и практически без просветов в кронах) обеспечивают, в основном, равномерное распределение снега на полях, но он выдувается из самих насаждений, и почва глубоко промерзает.
Лесополосы ажурной конструкции (небольшие просветы по всему профилю) занимают промежуточное положение по характеру снегоотло-жения, но не обеспечивают нужного снежного покрова и не предохраняют почву от промерзания.
Лесополоса комбинированной конструкции обеспечивает предохранение почвы от глубокого промерзания. Достигается это тем, что в нижней части примерно до 50 см от земли она плотная, выше до 1,5-2 м - продуваемая (без сучьев), а ещё выше - ажурная или плотная. Плотная конструкция в нижней части формируется из низкорослого кустарника или подрезного высокорослого. Лесополоса такой конструкции будет работать следующим образом: при первом же снегоотложении в ней будет накапливаться снег и предохранять почву от промерзания. После накопления снега до 50 см (этого достаточно для полного предотвращения почвы от промерзания) он будет хорошо продуваться и откладываться в поле.
Схема полевого опыта на стоковых площадках предусматривала следующие варианты:
зяблевая вспашка + контурная стокорегулирующая лесная полоса продуваемой конструкции с мульчей соломы;
зяблевая вспашка + контурная стокорегулирующая лесная полоса продуваемой конструкции; зяблевая вспашка (контроль); зяблевая вспашка + контурная стокорегулирующая лесная полоса плотной конструкции;
зяблевая вспашка + контурная лесная полоса комбинированной конструкции; ы
зяблевая вспашка (контроль). о
Два контроля были заложены для л большей достоверности. Солому в д соотвествующем варианте завозили и л разбрасывали в лесной полосе. Мульча | из соломы способствует задержанию 2 влаги и медленному ее перераспреде- 2 лению в нижележащие горизонты. м Сложившиеся погодные условия 1 зимнего периода с частой сменой от-
1. Влияние
рицательных и положительных температур, неглубокое промерзание почвы, медленное таяние снега днём при пасмурной погоде и другие факторы обеспечили впитывание всей талой воды в почву. В 1997-2002 и 2004-2009 гг поверхностного стока не наблюдали. В 2003 г сформировался весенний сток от слабого до умеренного.
Многолетние наблюдения показали, что на снегоотложение оказывает влияние агрофон, вид угодья, элементы рельефа и другие факторы. В холодный период происходит перераспределение снега во время ветров и метелей. Направление ветров менялось в широких пределах. Контурные стокорегули-рующие лесные полосы способство-
лесополос разных конструкций
вали накоплению и сохранению снега в межполосных пространствах. Перед весенним снеготаянием в опыте средняя высота покрова в разных вариантах колебалась от 17 до 33 см (табл. 1).
В лесной полосе продуваемой конструкции происходило выдувание снега, и высота снежного покрова в среднем составляла 17 см. В зоне влия-
ния насаждения плотной конструкции отмечали наносы снега. В самой лесополосе его высота была наибольшей 24 см. В насаждении комбинированной конструкции величина этого показателя составляла 21 см. У лесополос образовались снежные шлейфы длиной от 6 до 19 м. В зоне влияния насаждения плотной конструкции на зяби высота
снежного покрова была больше, чем в зонах влияния лесных полос продуваемой и комбинированной конструкций. В межшлейфовом пространстве снег откладывался более или менее равномерно. Высота снежного покрова в лесных полосах продуваемой конструкции была несколько меньше, чем на прилегающих участках. Это объясняется тем, что в однородных контурных лесных полосах продуваемой конструкции снег сдувался.
Глубина промерзания почвы зависит, с одной стороны, от толщины снежного покрова, с другой - от суммы отрицательных температур зимнего периода и других факторов. За период наблюдений зимы в основном были нехолодными, с оттепелями, поэтому почва промерзала неглубоко. На различных агрофонах перед снеготаянием промерзание составляло 1015 см при высоте снежного покрова 24-34 см (табл. 2).
Для характеристики стока важно определить влажность почвы перед снеготаянием. Наблюдения показали, что в этот период они в большинстве случаев выше, чем после снеготаяния, например, в слое 0-30 см разница варьировала от 9,4 до 38,6 мм (табл. 3). Следует отметить, что неравномерное снегоотложение приводит к неоднородному увлажнению почвы.
Перед весенним снеготаянием в 30-сантиметровом слое почвы в лесной полосе продуваемой конструкции под соломой влагозапасы составляли 136,1 мм, а в насаждении плотной конструкции 117,0 мм, или на 19,1 мм меньше (см. табл. 3). Наибольшие влагозапасы в середине межполосного пространства в этом слое (133,3 мм) отмечены в варианте с контурной лесополосой плотной конструкции.
В метровом слое почвы (0-100 см) влагозапасы во всех вариантах опыта находились в пределах от 366,7 до 416,4 мм. После снеготаяния они претерпевали изменения в сторонуумень-
на характер снегоотложения (в среднем за 1997-2009 гг.)
Высота снега (в числителе), см; длина шлейфов и меж-
Конструкция шлейфовых частей (в знаменателе), м
лесополоса верхний шлейф нижний шлейф межшлей-фовая часть
Продуваемая с мульчей соломы 19 6 33 16 27 15 31 45
Продуваемая 17 7 31 14 27 16 30 50
Плотная 24 30 31 30
7 15 19 50
Комбинированная 21 8 26 17 26 16 29 51
Контроль без лесополосы 27 14 27 15 27 16
2. Промерзание почвы на склоне перед снеготаянием в зависимости от высоты снежного покрова за 1997-2009 гг.
Вариант Место определения (поле) Высота снега, см Глубина промерзания, см
Фон + контурная стокорегулирующая лес- верх 34 11
ная полоса продуваемой конструкции середина 33 12
с мульчей соломы лесополоса 19 11
Фон (контроль) верх 30 14
середина 30 15
лесополоса 32 14
Фон + контурная стокорегулирующая лес- верх 33 14
ная полоса плотной конструкции середина 32 14
лесополоса 29 10
Фон + контурная стокорегулирующая лесная полоса комбинированной конструкции верх 29 15
середина 30 12
лесополоса 24 15
НСр05 4,9
3. Влияние стокорегулирующих контурных лесополос на распределение влагозапасов (в среднем за 13 лет), мм
0-30 см 0-50 см 50-100 см 0-100 см
Вариант перед снего- после снего- разница перед снего- после снего- разница перед снего- после снего- разница перед снего- после снего- разница
таянием таяния таянием таяния таянием таяния таянием таяния
Зяблевая вспашка + контурная стокорегулирующая лесная полоса продуваемой конструкции с мульчей соломы Верх 122,8 93,9 28,9 204,7 167,9 36,8 174,4 174,2 0,2 397,4 339,7 57,7
Середина 132,5 103,4 29,1 212,2 173,8 38,4 186,2 176,9 9,3 409,6 352,1 57,5
В лесополосе
под соломой 136,1 118,4 17,7 215,2 195,3 15,5 166,3 173,9 -7,6 416,4 386,8 29,6
Зяблевая вспашка (контроль)
Верх 121,3 95,3 26,0 201,7 168,7 33,0 170,0 172,3 -2,3 392,7 345,7 47,0
Середина 120,9 93,0 27,9 204,7 169,1 35,6 182,7 182,8 -0,1 406,7 338,2 68,5
Низ 118,1 87,9 30,2 200,4 170,2 30,2 176,7 178,2 -1,5 394,1 350,9 43,2
Верх 116,8 Зяблевая вспашка + контурная лесная полоса плотной конструкции 94,1 22,7 197,2 167,7 29,5 171,9 174,3 -2,4 386,0 347,7 38,3
Середина 133,3 99,0 34,3 207,2 177,1 30,1 171,4 178,5 -7,1 396,5 359,1 37,4
В лесополосе 117,0 107,8 9,4 186,7 182,7 4,0 158,0 171,4 -13,4 366,7 364,0 2,7
Зяблевая вспашка + контурная стокорегулирующая лесная полоса комбинированной конструкции
Верх 121,5 92,7 28,8 202,3 165,5 36,8 174,1 172,3 1,8 396,4 342,1 54,3
Середина 130,9 92,3 38,6 203,6 168,8 34,8 172,7 173,8 -1,1 396,5 345,7 50,8
В лесополосе 131,5 118,7 12,8 207,6 199,4 28,2 156,3 174,5 -18,2 402,9 380,1 22,8
4. Влияние ландшафта на эрозионно-гидрологические показатели за 1997-2009 годы
Вариант опыта Фактор Водопогло-щение, мм Сток, мм
влажность почвы в слое 0-100 см перед снеготаянием, % общие снегозапасы + осадки за период снеготаяния, мм глубина промерзания почвы перед снеготаянием, см
Фон (контроль) 26,3 89 17 86,8 1,7
Фон + контурная лесополо-
са продуваемой конструк-
ции с мульчей соломы 27,0 96 15 94,7 1,3
Фон + контурная лесополо-
са плотной конструкции 26,2 105 14 103,9 1,1
Фон + контурная лесопо-
лоса комбинированной
конструкции 27,1 99 16 97,6 1,4
Среднее 26,7 97 16 96,0 1,5
НСР05 6,1 8,2
Influence of Contour Flow Regulating Oak Forest Belts on Erosion and Hydrological Indicators at the Central Russian Upland
A.I. Petelko1, A.T. Barabanov2
1Novosil'skaya Zonal Agroforestal Experimental Station - the branch of the Federal Scientific Center of Agro-ecology of the RAS, ul. Semashko, 2A, Mtsensk, Orlovskaya obl.', 303035, Russian Federation 2Federal Scientific Center of Agro-ecology of the RAS, pr. Universitetskii, 97, Volgograd, 400062, Russian Federation
шения. Наблюдалось варьирование влажности почвы. В метровом слое (0-100 см) в лесной полосе плотной конструкции запасы влаги составляли 366,7 мм, а в полосе комбинированной конструкции они были больше на 36,2 мм. Здесь очевидно влияние контурных насаждений различных конструкций на распределение влагозапасов перед снеготаянием. Самыми высокими в слое 0-100 см они были в лесной полосе под соломой - 416,4 мм, что на 13,5 мм больше, чем в варианте с комбинированной лесополосой.
На стационарном опыте за 13 лет наблюдений среднегодовой весенний сток составил 1,5 мм, просочилось в почву - 96,0 мм. Факторы, которые способствовали высокому водопоглоще-нию - слабое промерзание почвы (1417 см) при общих снегозапасах - 89-105 мм и влажности почвы - 26,2-27,1%. На контрольном агрофоне определённые снегозапасы всегда были самыми низкими и составляли 89 мм, а в варианте с лесной полосой плотной конструкции наибольшими - 105 мм.
Снегозапасы в вариантах с контурными лесополосами разных конструкций были выше, чем в контроле, на 7-16 мм, водопоглощение - на 7,9-17,1 мм.
Таким образом, перераспределение запасов влаги в метровом слое почвы происходит от поверхности к нижним слоям. В слое 0-100 см ее увлажнение в среднем во всех вариантах колебалось перед снеготаянием от 366,7 до 416,4 мм. После прохождения снеготаяния влажность почвы претерпевала изменения в сторону уменьшения. Разность составила 2,7-68,5 мм.
За годы наблюдений более равномерное отложение снега на поле наблюдали в зоне влияния лесополосы продуваемой конструкции. Защитные насаждения плотной конструкции способствовали накоплению снега в самой полосе. В лесной полосе продуваемой конструкции происходило некоторое выдувание снега.
Весенний сток талых вод от слабого до умеренного сформировался только в 2003 г. и проходил в спокойном русле, не вызывая эрозии. Поэтому в среднем за годы исследований в контроле в межполосном пространстве он составил 1,7 мм, а в вариантах с лесополосами снижался на 0,3-0,6 мм, с минимальными значениями в поле, защищенном плотной лесной полосы.
Литература.
1.Петелько А.И. Агролесомелиорация в адаптивно-ландшафтном земледелии в лесостепи Центрального Нечерноземья: автореф. дис. ... доктора с.-х. наук. Волгоград, 2012. 39 с.
2.Гаршинёв Е.А. Выбор способа размещения лесополос на водосборах с учётом направления вредоносных ветров // Лесомелиорация при контурном земледелии: сборник научных трудов. Волгоград, 1988. Вып. 1 (93). С. 30-42.
3. Методика изучения водорегулирующей и противоэрозионной роли лесных полос и агротехнических приёмов / Сурмач ГП. и др. Волгоград, 1967. 39 с.
4.Сурмач Г.П. Классификация смытых почв и её применение при составлении крупномасштабных почвенно-эрозионных карт // Почвоведение. 1954. № 1. С. 71-80.
5.Гаршинёв Е.А. Эрозионно-гидроло-гический процесс и лесомелиорация: Теория и модели. Волгоград: ВНИАЛМИ, 1999. 196 с.
6.Барабанов А.Т. Изучение водоза-держивающих приёмов обработки светло-каштановых почв на склоновых землях Волгоградской области: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. М., 1968. 17 с.
7.Петелько А.И., Новиков Н.Е. Предложения по защите почв от водной эрозии в Центральных районах Нечерноземья. Орёл, 1999. 31 с.
8. Зыков И.Г., Зайченко К.И., Петелько Н.Е. Влияние противоэрозионной лесомелиорации на свойства смытых серых лесных почв Центральной лесостепи // Лесомелиорация склонов: сборник научных трудов. Волгоград, 1985. Вып. 3 (86). С. 29-43.
9.Небольсин С.И., Надеев П.П. Элементарный поверхностный сток. Л.; М.: Гидро-метеоиздат, 1937. 63 с.
Abstract. The aim of the study was to determine the influence of one-row contour flow regulating oak forest belts of different designs on the natural factors and on the erosion and hydrological process. Based on the results of many years of the research, we analyzed the effect of various erosion control methods on the formation of spring runoff of melt water, in particular contour forest belts of a blown, dense and combined structure, on snow accumulation, freezing and humidity of soil, water absorption, runoff and washout of soil. One-row contour flow regulating oak forest belt was planted in a field stationary experiment in 1926. The balance method with the use of stock areas according to the methodology of G.P. Surmach served as the basis for studying the water-controlling and anti-erosion role of contour forest belts and agrotechnical techniques. The studies showed that the role of protective forest plantations was insufficient if they were located in a straight line without taking the relief into consideration. Reclamation effectiveness of the system of forest belts can be enhanced by placing according to horizontals. A more uniform distribution of snow cover occurred in the area of influence of the forest belt of the blown construction; in the forest belt itself, the snow was blown out beyond it. The forest of the dense structure contributed to some snow accumulation, both in the space between belts and near them. In the variant with the flow regulating forest belt of the combined type, the accumulation of snow cover was slightly less than for the dense structure. In the blown forest the snow depth was 17 cm, in the dense one - 24 cm, in the combined belt - 21 cm.
Keywords: soil, erosion, construction of forest belts, contour flow regulating one-row forest belt, autumn plowing, snow accumulation, freezing and moisture content of soil, snowmelt, water absorption, snow reserves, runoff of melt water.
Author Details: A.I. Petelko, D. Sc. (Agr.), ^ chief research fellow (e-mail: zaglos@mail. ru); A.T. Barabanov, D. Sc. (Agr.), chief re- ^ search fellow (e-mail: a.barabanov2011@ e yandex.ru). s
For citation: Petelko A.I., Barabanov A.T. ^ Influence of Contour Flow Regulating Oak For- 2 est Belts on Erosion and Hydrological Indicators 2 at the Central Russian Upland. Zemledelie. M
2018. No. 2. Pp. 26-29 (in Russ.). O
■ 8
