Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Эколого-мелиоративная роль системы узких лесных полос в ландшафтном земледелии Центральной ЦЧР

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Автореферат диссертации по теме "Эколого-мелиоративная роль системы узких лесных полос в ландшафтном земледелии Центральной ЦЧР"

РГ5 ОД

I г Ш 1953

На правах рукописи

Лукьянчикова Мария Ивановна

ЭКОЛОГО-МЕЛИОРАТИВНАЯ РОЛЬ СИСТЕМЫ УЗКИХ ЛЕСНЫХ ПОЛОС В ЛАНДШАФТНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ЦЧР

Специальность 06.01.01. - общее земледелие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Курск - 1998

Диссертационная работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии в 1990- 1996 гг.

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук

Г.Н.Черкасов

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор В.В.Захаров

кандидат сельскохозяйственных наук А.Г.Балыкин

Ведущее предприятие: Курский НИИ агропромышленного

производства

Защита состоится "

с С ¿2 - 1998 г. в "УР" часов

на заседании диссертационного совета Д. 020.61.01. во Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии по адресу: 305021, г.Курск, ул.К.Маркса, 70-6, ВНИИЗи ЗПЭ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИЗ и ЗПЭ

Автореферат разослан "

-/Г

" с£\ 998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук М.Г. Агаркова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ведущим принципом сельскохозяйственного использования земель является научно-обоснованное сочетание экологических и экономических интересов общества. Экологизация сельского хозяйства предполагает рациональное использование земель с учетом законов природы, потенциальных возможностей природных ресурсов, необходимости воспроизводства почвенного плодородия и недопущения необратимых последствий для окружающей среды и здоровья человека.

Существующий уровень аграрного производства ведет к снижению плодородия земель и урожайности сельскохозяйственных культур, обострению экологической обстановки. Защита почв от эрозии остается одной из важнейших проблем в земледелии. Интенсивное развитие эрозионных процессов в условиях Центральной лесостепи ЦЧР вызвано целым рядом факторов: высокая степень распахан-ности территории, специфические почвенно-климатические и гидрогеологические условия, размещение более 50% пашни на склонах, а также несоответствие технологий возделывания сельскохозяйственных культур и другие.

Защитные лесонасаждения являются важным фактором экологической оптимизации агроландшафта. Они вносят изменения в экологическое и биологическое равновесие территорий путем поглощения части поверхностного стока, уменьшения его интенсивности, очищения стоковых вод от твердых фракций и растворенных биогенных веществ, а также оказания благоприятного влияния на микроклимат межполосных полей и повышения продуктивности агрофитоцено-зов. Вместе с тем, при организации агроландшафта остаются проблематичными вопросы системного применения и размещения лесных полос в зависимости от геоморфологических условий, параметров лесополос, способов сочетания их с другими элементами системы земледелия.

Решение данной проблемы предполагает комплексное изучение многофункциональной роли противоэрозионных систем защитных лесонасаждений в агроландшафтах и научное обоснование эффективности их применения в различных экологических условиях.

Тема диссертационной работы является составной частью плана научно-исследовательских работ РАСХН и ВНИИЗ и ЗПЭ по выполнению научно-технической программы фундаментальных исследований "Разработать научные основы формирования агроланд-шафтов и создать качественно-новые зональные системы земледе-

лия для основных природно-экономических зон России".

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось изучение эколого-мелиоративной роли противоэрозионных систем узких контурно-параллельных лесных полос, усиленных простейшими гидротехническими сооружениями, в различных экологических условиях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выявить ветрозащитную эффективность системы узких лесополос продуваемой конструкции;

- определить характер влияния системы узких лесных полос на факторы формирования поверхностного стока талых вод и выявить тенденции их влияния на некоторые физические и химические свойства почвы;

- изучить влияние системы узких лесополос, усиленной валом-канавой в прибалочной лесополосе, на эрозионно-гидрологические процессы в условиях склонов северной и южной экспозиций;

- определить лесоводственно-таксационные показатели лесных тополевых полос и выявить влияние системы лесополос на урожайность сельскохозяйственных культур в зависимости от экспозиции склона;

- провести эколого-экономическую оценку противоэрозионных систем узких лесополос на склонах противоположных экспозиций.

Защищаемые положения:

1. Противоэрозионная система узких контурно-параллельных лесополос как важный фактор повышения устойчивости и стабильности земледелия на склонах.

2. Применение системы узких лесополос в сочетании с простейшими гидротехническими сооружениями (валы-канавы) повышает ее экологическую роль в агроландшафтах.

3. Система узких лесополос, с расстоянием между ними 190200 м, наиболее эффективна в условиях Центральной лесостепи ЦЧР на склоне южной экспозиции.

Научная новизна исследований. В результате комплексных исследований впервые для условий Центральной лесостепи ЦЧР получены экспериментальные данные, характеризующие эколого-мелиоративную роль противоэрозионной системы узких контурно-параллельных лесополос, усиленных валами-канавами, в различных экологических условиях. Определена эколого-экономическая эффективность влияния системы узких лесополос в период достижения ими проектной высоты. Научно обоснована целесообразность применения

на склоне южной экспозиции противоэрозионной системы узких лесополос как фактора оптимизации агроландшафта.

Практическая значимость исследований. Полученные результаты исследований могут быть использованы для уточнения принципов рационального размещения противоэрозионных систем узких лесных полос в агроландшафтах, при выборе оптимальных параметров лесополос и совершенствовании способов их сочетания с гидротехническими устройствами.

Применение противоэрозионной системы узких лесополос, усиленной валом-канавой в прибалочной лесополосе, в условиях дифференцированного по элементам склона севооборота позволяет на склоне южной экспозиции существенно уменьшить сток талых вод, сократить смыв почвы и вынос биогенных веществ, повысить урожайность сельскохозяйственных культур.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы рассматривались и получили положительную оценку на заседаниях Ученого Совета ВНИИЗ и ЗПЭ (1990-1996 гг.); на научно-практических конференциях в г.Волгограде (1990 г.), г.Курске (1997 г.); на Годичном собрании Отделения земледелия РАСХН в 1995 году.

Публикации. По материалам исследований имеются четыре публикации.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 177 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству, включает 11 рисунков, 33 таблицы в тексте и 14 приложений. Список литературы включает 207 наименований, в том числе 10 на иностранном языке.

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проведены в 1990 - 1996 гг. на землях опытного хозяйства Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и защиты почв от эрозии. Рельеф местности волнистый. Коэффициент расчлененности территории - 1,4 км/км2, распаханность - 79,7%, базис эрозии - 70 м.

Полевой опыт по изучению эколого-мелиоративной роли противоэрозионной системы узких контурно-параллельных лесополос, усиленной в прибалочной лесополосе валом-канавой, был заложен в 1990 в пределах многофакторного опыта ВНИИЗ и ЗПЭ по фактори-альной схеме:

2 А х 2 В, где

фактор А - экспозиция склона (северная, южная);

фактор В - защищенность лесными полосами (открытое поле, защищенное поле).

Повторность вариантов опыта - двукратная, размещение - рен-домизированное.

Для изучения стокорегулирующей роли системы лесополос на каждой экспозиции принята следующая схема опыта:

1. Поле (контроль)

2. Поле + вал-канава

3. Поле + система лесополос

4. Поле + система лесополос + вал-канава в прибалочной лесополосе.

Размеры стоковых площадок - 20 х 380 - 400 м, повторность -однократная.

В пределах полей организованы два четырехпольных севооборота: на склоне крутизной до 3°- зернопаропропашной (сахарная свекла - ячмень - черный пар - озимая пшеница), от 3 до 5° - почвозащитный (ячмень с подсевом клевера - клевер - клевер - озимая пшеница).

Лесные полосы посажены в 1978 - 1979 гг. по границам полей севооборотов контурно-параллельно, с расстоянием между ними 190 - 200 м. Главная порода - гибридные сорта тополя Робуста - 236 и Заря. Схема посадки - Т-Т-Т, размещение посадочных мест - 3 х 1 м. Система лесных полос на склоне северной экспозиции включает в себя прибалочную и две водорегулирующие, а южной - прибалочную, водорегулирующую и полезащитную водорегулирующую (на водоразделе) лесополосы. Лесоводственно-таксационные показатели тополевых лесополос на начало эксперимента: средняя высота - 10,5 -15,5 м, средний диаметр - 11,3 -18,7 см.

Валы-канавы были устроены в 1990 году у бровки балки на незащищенном поле и в нижнем междурядье прибалочных лесополос. Водопоглощающие канавы и ограждающие их в нижней части валы имели следующие параметры: глубина канавы -1,5 м, ширина - 0,8 м; высота вала - 0,6 - 0,8 м.

Погодные условия в период исследований характеризовались теплыми, малоснежными зимами, обусловившими появление слабого и умеренного стока талых вод. Наиболее благоприятными для роста и развития сельскохозяйственных культур были метеоусловия 1991 и 1992 годов, недостаток тепла и влаги отмечался в 1993 и 1994 годах, напряженными для вегетации сельскохозяйственных культур были 1995 и 1996 годы.

Почвы опытного участка представлены комплексом выщелоченного и типичного черноземов, тяжелосуглинистых, мощных и среднемощных, слабо- и среднесмытых, мало- и среднегумусных.

Наблюдения, анализы и учеты проводились по общепринятым методикам. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.

МЕЛИОРАТИВНОЕ ВЛИЯНИЕ ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ СИСТЕМЫ УЗКИХ ЛЕСНЫХ ПОЛОС

Динамика скорости ветра в системе узких лесных полос

Влияние лесных полос на ветровой режим в условиях склонового земледелия проявляется на меньшее расстояние, чем в равнинных условиях. С увеличением крутизны склона и отклонения лесополос от перпендикуляра к оси преобладающих направлений ветра, дальность их влияния заметно снижается (И.Г.Зыков, 1986; В.М.Ивонин, Л.В.Власова, 1989; ЕАГаршинев, 1996).

Относительно исследуемых нами лесополос перпендикулярны и близкие к перпендикулярному направлению ветры северозападного, юго-восточного, северного и южного румбов, которые составляют 44% от общего количества повторяемости направлений ветра.

На незащищенном поле при перпендикулярных основному падению склона направлениях ветра скорость его возрастает от основания к вершине на наветренном склоне в 2,7 раза, заветренном - в 1,4 раза.

В системе узких лесополос высотой 12-16 м воздушный поток значительно трансформируется. В облиственном состоянии лесополос, при угле подхода ветра к ним 70- 90° и скорости до 5,0 м/с, снижение скорости ветра в межполосном пространстве приводораздель-ной части наветренного склона составило 36%, заветренного - 46%. В прибалочной части наветренного склона скорость ветра на расстоянии до 50 м от лесных полос и в самих лесополосах составила 100 -132% к контролю.

При угле подхода ветра к лесополосам 20 -30° скорость ветра снижалась в межполосном пространстве на 6 - 13%, при этом наибольшее снижение скорости отмечено в лесополосах и на расстоянии до 25 м от них. Снижение скорости ветра отмечалось до середины межполосного пространства, а при подходе воздушного потока к каждой последующей лесополосе скорость ветра возрастала, и даже превышала скорость ветра на контроле.

При параллельном лесополосам направлении ветра снижение скорости происходило за счет боковой шероховатости лесополос и ограничивалось расстоянием 5 - 10 м от них. В самих лесополосах

скорость ветра снижалась на большую величину (77%), чем при других углах подхода ветра. В прибалочной части склона южной экспозиции вследствие выраженной контурности (кривизны) расположения прибалочной лесополосы и, следовательно, более эффективного ее влияния при различных направлениях ветра по сравнению с другими лесополосами, ветрозащитная эффективность системы лесополос достигала 26%.

Снегоотложение, глубина промерзания и влажность почвы

Зона аккумулирующего действия снегораспределительных преград распространяется до точек, где скорость ветра на высоте 1 м достигает 80% от исходной. Граница 20 - процентного снижения скорости ветра довольно близко совпадает с концами шлейфов (А. К.Дюнин, 1963).

Исследования, проведенные нами в течение шести лет, показывают, что на поле, защищенном узкими контурными лесополосами продуваемой конструкции, увеличиваются мощность снежного покрова и запасы снеговой воды, уменьшается глубина промерзания почвы (табл. 1).

1. Мощность снежного покрова и запасы снеговой воды перед весенним снеготаянием

Открытое поле Защищенное поле

Дата, агрофон высота запасы высота запасы

снега, см снеговой снега, см снеговой

воды, мм воды, мм

25.02.91 15.2 31.5 15.1 34,6

зябь и травы 16,0 41,5 20.3 49,4

17.02.92 йЛ 21.1 8.7 27.8

озимые 11.6 34.8 13.3 41.2

10.03.93 10.9 27.8 12.5 30.0

зябь 10.5 27.3 12.0 30.0

24.03.94 20.0 82.0 29.0 118.0

зябь и травы 14.0 59.0 25.0 99.0

22.02.95 19.4 65.8 27.0 96.1

зябь и травы 19.0 64.5 26.0 87.7

28.02.96 12.6 41.6 21.1 652

озимые 16.0 56.4 20.0 61.6

Среднее 14.1 45.0 18.9 62.0

14.5 47.3 19.4 60.8

Примечание: числитель - северная экспозиция, знаменатель - южная экспозиция

К началу весеннего снеготаяния на защищенных лесополосами полях по сравнению с открытыми дополнительно накапливается 34% снега, запасы снеговой воды увеличиваются в среднем на 19-38% или 13.5 -17.0 мм, а в отдельные годы - на 68% или 40 мм.

К началу весеннего снеготаяния в лесных полосах сосредотачивается 10% запасов снеговой воды, а в межполосном пространстве - 90%. На единицу площади лесополос приходится от 17 до 28% всех запасов снеговой воды, межполосного пространства - от 13 до 16%.

Характер снегоотложения по экспозициям склонов был неодинаков в разные годы в связи с различиями в количестве выпавших осадков, интенсивности и направлении метелей, частоте и продолжительности оттепелей. В межполосном пространстве склона северной экспозиции средние запасы снеговой воды по элементам склона составили 60.4 - 62.8 мм, что на 12% выше по сравнению с южной. Протяженность шлейфов у продуваемых лесополос не превышала 6 высот насаждения, а их границы не имели резких различий при переходе в межшлейфовую зону.

Максимальная глубина промерзания почвы в годы исследований отмечалась на открытом поле и в среднем за пять лет (1990 -1994) составила на водоразделе - 73 см, на склоне северной экспозиции - 74, южной - 70. Под защитой системы лесополос на водоразделе глубина проникновения в почву отрицательных температур уменьшилась на 19% (14 см), на склоне северной экспозиции - на 14 (10), южной - на 10 (7). Отмечается тенденция к сглаживанию различий в глубине промерзания почвы межполосного пространства по экспозициям. Средние величины максимальной глубины промерзания почвы в межполосном пространстве склонов северной и южной экспозиций были на одном уровне (63-64 см), а на контроле разница составила 10%. В лесополосах максимальная глубина промерзания почвы была наименьшей и варьировала в пределах 43 - 59 см, что на 31 - 33% меньше по сравнению с контролем.

С удалением от лесной полосы глубина промерзания почвы увеличивается. Так, в узких прибалочных лесополосах на склонах северной и южной экспозиций максимальная глубина промерзания почвы в среднем за три года (1991 - 1993 гг.) составила 52 и 55 см, а на расстоянии 25 м от лесополос она увеличилась, соответственно, на 12 и 4%. В зоне влияния 0-10 высот (150 м) узких прибалочных лесополос максимальная глубина промерзания почвы на зяби уменьшается на 10 - 14%, а в отдельные годы - на 29%, что способствует улучшению условий впитывания влаги почвой в период весеннего снеготаяния. В зоне влияния до 10 высот прибалочных лесополос различия в глубине промерзания почвы по экспозициям были в

2.3 раза меньше, чем на контроле.

Увлажнение почвы в предзимний период является одним из главных природных факторов, обуславливающих величину стока талых вод, а весенняя влагозарядка почвы имеет важное значение для формирования урожая сельскохозяйственных культур.

Исследования влажности почвы в прибалочной части склонов северной и южной экспозиций показали, что в узких лесополосах абсолютная влажность в слое почвы 0 -150 см в среднем за 3 года составила 22.7 - 23.0%, после снеготаяния - 27.2 - 27.3% (табл. 2).

2. Влияние узких прибалочных лесополос на влажность почвы в зависимости от экспозиции склона, % (среднее за 1990 - 1993 гг.)

мм

Слой почвы, см

Варианты 0-50 0-150

осень весна разница осень весна разница

Северная экспозиция

Лесная полоса 28.1 30.9 +2.8 22.7 27.2 +4.4

153 169 +16 371 444 73

Полевой склон:

среднее в зоне 30.9 32.8 +1.9 28.5 29.1 +0.6

0-10Н 175 185 +10 475 484 +9

Южная экспозиция

Лесная полоса 26.9 32.2 +5.3 23 0 27.3 +4.3

146 176 +30 376 447 +71

Полевой склон:

среднее в зоне 31.2 33.3 +2.1 28.4 29 1 +0.7

0-10Н 177 187 +10 473 484 +11

В зоне влияния 0-10 высот прибалочных лесополос на зяби влажность почвы была выше, чем в лесополосах: в предзимний период на 5.4 - 5.8%, весной - на 1.8 - 1.9%. Наиболее иссушенными в лесополосах были горизонты почвенного профиля на глубине 50- 150 см.

Запасы влаги в слое почвы 0 - 150 см после весеннего снеготаяния возросли в зависимости от экспозиции склона в лесополосах на 71 - 73 мм, в зоне влияния 0 -ЮН -на 9-11 мм.

Влияние узких лесополос на свойства почвы

Опасность проявления эрозии зависит от водопроницаемости, противоэрозионной устойчивости и общего уровня плодородия почв

(М.Н.Заславский, 1979). На водопроницаемость почв большое влияние оказывает размер почвенных агрегатов. Исследованиями выявлено, что при сухом просеивании в агрегатном составе выщелоченного и типичного черноземов на различных сельскохозяйственных угодьях (выгон, лесополоса, пашня) в прибалочной части склонов северной и южной экспозиций преобладает фракция с размерами агрегатов 3-5 мм, что свидетельствует об агрономически ценной комковато-зернистой макроструктуре почв. Содержание агрегатов размерами от 0.25 до 10 мм в слое почвы 0 - 30 см под пологом лесополос на склонах северной и южной экспозиций составило, соответственно, 90 и 91%, на выгоне - 72 и 87%, на пашне склона южной экспозиции -85%. Под действием антропогенной нагрузки коэффициент структурности верхнего слоя почвы на пашне снижается в 1.5 - 1.9 раза по сравнению с выгоном и лесополосой.

Сумма водопрочных агрегатов в слое почвы 0 - 30 см составила в лесополосах 59.2 и 67.6%, на выгоне - 46.8 - 64.4%, на пашне -51.6% и была выше в черноземе типичном на склоне южной экспозиции. Количество водопрочных агрегатов под влиянием лесополос увеличилось на 23-29%.

Под влиянием тополевых лесополос плотность сложения почвы в слое 0 - 50 см уменьшилась в среднем на 0.06 - 0.07 г/см3 по сравнению с выгоном.

Наиболее высокое содержание гумуса отмечено в 0 - 30 см слое почвы типичного чернозема под пологом прибалочной лесополосы - 6.52 - 7.65% и на выгоне - 6.00 - 7.67%. На пашне содержание гумуса составило 5.78%. Верхний слой почвы выщелоченного чернозема на всех угодьях характеризуется как малогумусный.

Содержание подвижных форм азота в зависимости от подтипа почв составило под пологом лесополос 1.06 - 6.20, на выгоне - 1.40 -3.54, пашне - 1.90 - 3.65 мг на 100 г и количественно отражало содержание гумуса.

Обеспеченность подвижным фосфором на пашне характеризуется как средняя (6.9 -10.4 мг/100 г), а на выгоне и в лесополосе - как повышенная (9.4 - 12.7 мг/100 г). Обеспеченность почв подвижным калием составила 6.2 - 13.1 мг/100 г и оценивалась как средняя и высокая.

Степень насыщенности основаниями выщелоченного чернозема составила в лесополосе 89, на выгоне - 86, пашне - 85%. В черноземе типичном ее значения были на 4 - 8% больше, чем в черноземе выщелоченном и составили 92 - 93%.

Следовательно, под влиянием узких 14-летних тополевых лесных полос улучшаются физические, химические и физико-химические свойства почвы и создаются условия для повышения водопроницаемости и противоэрозионной устойчивости почв.

9

СТОКОРЕГУЛИРУНЩЕЕ И ПОЧВОЗАЩИТНОЕ ВЛИЯНИЕ СИСТЕМЫ КОНТУРНЫХ УЗКИХ ЛЕСОПОЛОС НА СКЛОНАХ СЕВЕРНОЙ И ЮЖНОЙ ЭКСПОЗИЦИЙ

Влияние узких лесополос на водопроницаемость черноземов

Исследования водопроницаемости почв в летний период методом малых заливаемых площадок на различных угодьях и агрофонах показали, что под пологом 10 - 35 - летних лесополос шириной 6 -15 м ее значения в первый час наблюдений были в 1.2 раза больше, чем на поле с плоскорезной обработкой почвы, в 2 раза - по сравнению с полем озимой пшеницы, в 1.8 - 4.3 раза - по сравнению с выгоном и в 3.6 - 8.4 раза больше, чем на поле после уборки урожая кукурузы.

Под пологом 2-рядной тополевой лесополосы водопроницаемость почвы в среднем за 4 часа составила 40.6 мм, что в 3 раза меньше, чем в 6-рядной лесополосе. В 3-рядной прибалочной лесополосе водопроницаемость почвы составила 102.6 мм/ч что в 1.4 раза меньше, чем в такой же лесополосе, но усиленной валом-канавой в нижнем междурядье.

В результате искусственного дождевания почв выявлено, что под пологом 3-летней березовой лесополосы величина инфильтрации воды в почву при слое дождя 150.8 мм и интенсивности дождевания 2.5 мм/мин в 1.4 - 2.5 раза выше по сравнению с пропашной культурой и многолетними травами. Смыв почвы в междурядье молодой лесополосы был в 5 раз меньше по сравнению с полем после уборки урожая кукурузы, а на травах - отсутствовал.

С возрастом древесных насаждений инфильтрационная способность почв под их пологом повышается. Под пологом прибалочной 35-летней березовой лесополосы шириной 12 м при слое дождя 113 мм и интенсивности дождевания 2.5 мм/мин водопоглощение составило 94.8 мм, в прибалочной 10-летней тополевой лесополосе шириной 15 м - 89 мм, в водорегулирующей лесополосе шириной 6 м - 84 мм (рис.1). Коэффициенты поверхностного стока составили, соответственно, 0.16, 0.21 и 0.25. С удалением лесной постилки в тополевой лесополосе шириной 15 м сток увеличился в 2 раза, коэффициент стока составил 0.43.

На поле после уборки кукурузы вследствие уплотнения почвы и распыления ее структуры коэффициент стока увеличивается в 2 раза, а смыв почвы - в 14 раз по сравнению с полем до уборки урожая этой культуры. Водопоглощение в лесополосах было в 1.4-1.6 раза выше, чем на поле с пропашной культурой после ее уборки.

1 2 3 4 5 6

Варианты

□ Сток И Инфильтрация

1 - водорегулирующая лесополоса, ш. 6 м; тополь -10 лет;

2 - прибалочная лесополоса, ш. 15 м; тополь -10 лет;

3 - вариант 2, с удалением лесной подстилки;

4 - прибалочная лесополоса, ш. 12 м; береза - 35 лет;

5 - поле до уборки кукурузы;

6 - поле после уборки кукурузы.

Рис.1. Влияние лесополос на водопроницаемость чернозема типичного при искусственном дождевании (слой дождя - 113 мм, интенсивность 2,5 мм/мин)

Величина водопоглощения в лесополосах в значительной мере связана с наличием развитой лесной подстилки. В 3-рядных 14-15-летних тополевых лесополосах, расположенных на различных элементах склонов северной и южной экспозиций, наилучшее водопо-глощение отмечено при наличии лесной подстилки. Средняя интенсивность впитывания при слое дождя 150.8 мм и интенсивности дождевания 2.5 мм/мин в междурядье лесополосы при отсутствии лесной подстилки составила 1.3 - 1.4 мм/мин, в задерненном междурядье -1.5 - 1.9 мм/мин. В междурядьях с мощностью лесной подстилки 2-5 см интенсивность впитывания была в 1.6 - 1.7 раза выше, чем при отсутствии лесной подстилки. Коэффициенты стока по вариантам варьировали в пределах 0.05-0.48.

Для повышения стокорегулирующей роли узких лесополос необходимо усиление их гидротехническими устройствами.

Сток талых вод и смыв почвы

Лесные полосы, оказывая влияние на снегоотложение, увлажнение почвы, глубину и характер ее промерзания, непосредственно

влияют на водопоглощение и сток.

Система тополевых лесополос способствовала уменьшению стока талых вод в условиях склона северной экспозиции в среднем за 3 года на 3.4 мм, южной -1.1 мм (табл.3).

3. Элементы водного баланса и коэффициенты поверхностного стока талых вод (среднее за 1991 - 1993 гг.)

Запасы Сток, Водо- Коэф-

снеговой мм. погло- фициент

Варианты опыта воды + осадки, мм щение, мм. стока

Северная экспозиция

1. Поле (контроль) 34.6 13.9 20.7 0.40

2. Поле + вал - канава 35.5 0.0 35.5 0.00

3. Поле + система лесополос 41.8 10.5 31.3 0.25

4. Вариант 3 + вал - канава 41.7 0.2 41.5 0.00

Южная экспозиция

1. Поле (контроль) 40.0 15.4 24.6 0.39

2. Поле + вал - канава 44.1 0.9 43.2 0.02

3. Поле + система лесополос 46.6 14.3 32.3 0.31

4. Вариант 3 + вал - канава 48.4 0.0 48.4 0.00

Водопоглощение в системе лесополос было в 1.3 и 1.5 раза выше, чем на незащищенном поле. Коэффициенты стока составили, соответственно, 0.25 и 0.31.

На вариантах "поле + вал-канава" поверхностный сток талых вод отмечался только на склоне южной экспозиции и составил в 19Э1 году с агрофона "зябь и травы" 0.4 мм, а в 1992 году с озимых - 2.4 мм. Величина водопоглощения составила в среднем за 3 года на склоне северной экспозиции 35.5 мм, южной - 43.2 мм, что на 52 и 43% выше по сравнению с контролем.

Водопоглощающее действие вала-канавы под пологом приба-лочных лесополос было в 1.9-2.1 раза выше, чем в поле. Система узких лесополос, усиленных валом-канавой, обеспечила поглощение 98 - 100% поверхностного стока талых вод. Сток величиной 0.6 мм наблюдался здесь только в 1991 году с агрофона "зябь и травы" на склоне северной экспозиции.

Различия в гидрологических показателях по годам исследований связаны как с метеоусловиями, так и с характером агрофона. Система лесополос способствовала сокращению слоя стока с зяби на 0.5 - 2.1 мм, озимых - 3.9 - 4.2 мм.

Величина смыва почвы на контроле в зависимости от экспози-

ции склона в среднем за 5 лет (1991 - 1995 гг.) составила: на склоне северной экспозиции -1.5 м3/га, южной - 2.2 м3/га (табл. 4).

4. Влияние системы узких лесополос на смыв почвы

Смыв почвы, м ^/га

Экспозиция Год защи- снижение к

склона учета Агрофон конт- щенное контролю,%

роль поле

Северная 1991 Зябь и травы 0 0 -

1992 Озимые 4.0 3.5 13

1993 Зябь 2.0 1.2 40

1994 Зябь и травы 0 0 -

1995 Зябь и травы 1.7 0.5 71

Среднее 1,5 1,0 33

Южная 1991 Зябь и травы 0 0 -

1992 Озимые 5.6 4.3 23

1993 Зябь 2.8 1.8 35

1994 Зябь и травы 0 0 0

1995 Зябь и травы 2.5 1.0 60

Среднее 2.2 1.4 36

Система узких лесополос способствовала сокращению смыва почвы на 33 - 36% и в большей мере на склоне южной экспозиции.

Наиболее значительный смыв почвы происходил на агрофоне с озимыми по всей длине склона, причем на склоне южной экспозиции он был в 1.2 - 1.4 раза больше, чем на северной и составил на контроле 5.6 м 3/га, в системе лесополос - 4.3 м3/га. Количество водороин уменьшилось в 6 раз по сравнению с контролем и составило на склоне северной экспозиции 35, южной - 43 шт/га. Характер распределения водороин по элементам склона свидетельствует, что на склоне северной экспозиции наибольший смыв происходил в приводораз-дельной части склона, южной - в прибалочной. Кольматаж мелкозема отмечался в зоне шлейфа у лесополос в прибалочной части склона и составил на северной экспозиции 0.1 м3/га, южной - 2.0 м3/га.

Влияние системы узких тополевых лесополос на урожайность сельскохозяйственных культур

Лесные полосы оказывают неодинаковое влияние на урожайность сельскохозяйственных культур по экспозициям и элементам склонов. Исследования показывают, что на склоне северной экспозиции прибавка урожайности на защищенном лесополосами поле отме-

чалась из 4 лет наблюдений только в 1993 году, характеризующемся недостатком тепла и влаги в период формирования урожая теплолюбивых культур. Средневзвешенная урожайность сахарной свеклы в зернопаропропашном севообороте под защитой лесополос увеличилась на 16% и составила 350 ц/га. По другим культурам севооборота (озимая пшеница, травы) урожайность в системе лесополос была на уровне контроля или снижалась (ячмень) на 13 - 23%, что связано с благоприятными для роста и развития культур метеоусловиями, исключающими возможность реализации влагосберегающих функций системы лесополос.

Наиболее эффективно мелиоративное влияние системы лесополос использовалось сельскохозяйственными культурами в условиях склона южной экспозиции. В зернотравяном севообороте повышение урожайности культур отмечалось во все годы исследований и составило по однолетним травам 23%, многолетним - 6%, озимой пшенице - 7%, ячменю - 13%. В зернопаропропашном севообороте прибавки урожайности по озимой пшенице и сахарной свекле составили, соответственно, 13 и 11%, по ячменю урожайность была на уровне контроля.

Максимальные величины прибавок урожая сельскохозяйственных культур отмечались в середине межполосного пространства. По озимой пшенице их величина составила в прибалочной части склона северной экспозиции 4.2 ц/га (14%), южной - 3.7 ц/га (12%). Снижение урожайности отмечалось на расстоянии до 50 м от прибалочных лесополос и колебалось от 0.3 до 10.1 ц/га. Наибольшее по протяженности и величине снижение наблюдалось на склоне северной экспозиции. Прибавка урожайности корнеплодов сахарной свеклы в середине межполосных полей составила на склоне северной экспозиции 40%,южной - 22% (табл.5). Снижение урожайности отмечено на расстоянии 5 - 10 м от лесополос, преимущественно с теневой стороны.

5. Влияние системы узких лесополос на урожайность сахарной свеклы, ц/га (склон 2 - 3 °)

Экспозиция склона Варианты Расстояние, м

от нижней лесополосы середина поля от верхней лесополосы

10 50 100 50 10

Северная Открытое поле 352 256 324 292 294

Защищенное поле 348 400 398 294 304

Разница "+" -4 +144 +74 +2 +10

Южная Открытое поле 340 306 300 386 364

Защищенное поле 300 378 360 390 370

Разница "+" -40 +72 +60 +4 +6

НСРо5=12.8 ц/га

Отмеченные закономерности формирования урожая были характерны также для однолетних (злаково-бобовая смесь) и многолетних (клевер красный) трав.

Под защитой лесополос продуктивность агроэкосистем за ротацию севооборотов на склоне южной экспозиции увеличилась на 10% и составила 425 ГДж/га; на склоне северной экспозиции - была на уровне контроля (табл.6).

6. Влияние системы лесополос на продуктивность агроэкосистем за ротацию севооборотов, ГДж/га (1992 - 1995 гг.)

Северная экспозиция Южная экспозиция

Севообороты открытое защищен- открытое защищен-

поле ное поле поле ное поле

Зернопаропропашной 211 217 213 235

Зернотравяной 214 207 173 190

В целом по склону 425 424 386 425

Наиболее эффективное влияние системы лесополос отмечено в зернопаропропашном севообороте.

Рост и развитие тополя гибридного в различных экологических условиях

В период исследований тополевые лесополосы находились во втором возрастном периоде (12 - 18 лет), отличающемся усиленным ростом, резко выраженной дифференциацией по высоте и диаметру стволов, усыханием нижних боковых ветвей во внутренних рядах.

В результате лесоводственно-таксационной оценки лесополос выявлено, что в возрасте 17-18 лет средняя высота лесополос по элементам склона составляет 14.5 - 20.0 м, средний диаметр - 15.1 -30.2 см, средний запас древесины - 166 - 672 м3/га. Крайние значения таксационных показателей отмечены в прибалочных лесополосах и связаны с различиями во влагообеспеченности деревьев тополя на склонах противоположных экспозиций. Высокой продуктивностью отличаются тополевые насаждения на склоне северной экспозиции.

Количество деревьев на единицу площади колебалось по вариантам от 1194 до 2083 шт/га, что близко и даже несколько превышает рекомендуемую в этом возрастном периоде (1.1 - 1.3 тыс. шт/га).

Диаметры стволов опушечных деревьев на 12 - 36% больше, чем во внутренних рядах. При этом, на склоне теневой экспозиции эта разница в 1.4 - 2.6 раза меньше, чем на световой. На склоне южной экспозиции, в условиях более жесткой конкуренции за влагу и луч-

шего освещения, дифференциация древостоя по диаметру стволов выражена в большей степени по сравнению с северной. При усилении лесополос валами-канавами разница в диаметрах внутреннего и опушечного рядов тополя в результате дополнительного влагообес-печения и притока питательных веществ на склоне северной экспозиции снизилась до 11%, южной - отсутствовала.

Результаты исследований показывают, что на склоне южной ' экспозиции данная противоэрозионная система узких тополевых лесополос полностью отвечает своему назначению по состоянию, конструкции и мелиоративным свойствам.

ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Экологическая роль противоэрозионной системы узких лесополос в агроландшафте заключается в выполнении ею водорегулирующей и почвозащитной функций, обеспечивающих экологическую безопасность и экономическую целесообразность сельскохозяйственного использования земель.

Система узких лесополос способствует сокращению выноса с поверхностным стоком твердых фракций и растворенных биогенных веществ. В среднем за 3 года (1991 - 1993 гг.) смыв почвы в зависимости от экспозиции склона уменьшился на 19 - 20%, а суммарный вынос биогенных веществ - на 8 - 27%. Наиболее эффективное влияние системы лесополос выявлено на склоне южной экспозиции: вынос аммиачного азота сократился на 46%, нитратного - на 45%, фосфора - на 33%.

В системе лесополос, усиленной валом-канавой в нижнем междурядье прибалочной лесополосы, поглощается до 100% поверхностного стока талых вод, что предотвращает вынос почвы и биогенных веществ в гидрографическую сеть.

Расчеты экономической эффективности системы узких лесополос на склоне южной экспозиции показали, что уровень рентабельности по группе сельскохозяйственных культур (озимая пшеница, ячмень, сахарная свекла, травы) составил 138%, коэффициент народнохозяйственной эффективности - 0.85. При устройстве вала-канавы в прибалочной лесополосе уровень рентабельности снизился до 133%, а коэффициент народнохозяйственной эффективности уменьшился до 0.64.

В целом, коэффициент народнохозяйственной эффективности использования капитальных вложений на создание системы узких лесополос, в том числе и с валом-канавой, в 5 - 7 раз выше утвержденных нормативов на природоохранные мероприятия (0.12) и в 9 -12 раз, чем по отрасли сельское хозяйство (0.07).

С учетом сокращения ущерба от смыва и размыва сельскохозяйственных угодий в гидрографической сети и предотвращенного ущерба водному хозяйству, эколого-экономическая эффективность системы лесополос, усиленной валом-канавой, значительно возрастает.

Система лесополос, способствуя развитию сельскохозяйственного производства, с годами повышает свою ценность благодаря приросту древесины. Годичный прирост тополевых лесополос на склоне северной экспозиции составил 26.3 м3/га, южной - 16.7 м3/га. Выход деловой древесины тополя составляет 72 - 74% и может играть значительную роль в обеспечении древесиной лесодефицитных районов.

ВЫВОДЫ

1. Противоэрозионные системы узких контурных лесополос в районах проявления водной эрозии почв являются эффективным фактором повышения продуктивности земель, охраны окружающей природной среды и оптимизации агропандшафтов. Система 3-рядных тополевых лесополос, размещенных через 190 - 200 м на склонах северной и южной экспозиций крутизной 1 - 5° и длиной до 400 м, в возрасте 12-18 лет обеспечивает высокую защищенность пашни.

2. В системе узких лесополос продуваемой конструкции снижается скорость ветра. Максимальная ветрозащитная эффективность системы узких лесополос проявляется при угле подхода ветра к лесополосам 70 - 90° и составляет в приводораздельном межполосном пространстве наветренного склона 36%, заветренного - 46%. При угле подхода ветра к лесополосам 20 - 30° ветрозащитная эффективность снижается до 6 - 13%, а при параллельном ветре - ограничивается расстоянием 5 - 10 м от лесополос.

3. Мощность снежного покрова в системе узких лесополос на склонах северной и южной экспозиций повышается в среднем (за 6 лет) на 34%, а запасы снеговой воды - на 29 - 38%. В отдельные годы запасы снеговой воды в системе лесополос увеличивались на 68% или 40 мм. Более высокие снегозапасы формируются в межполосном пространстве на склоне северной экспозиции, где отмечается и более равномерное снегоотложение по сравнению с южной.

4. Система узких лесополос оказывает отепляющее влияние на почву межполосного пространства. Максимальная глубина промерзания почвы по элементам склона снижается на 10 - 19% или 7-14 см, причем различия ее между экспозициями в 4 раза меньше, чем на незащищенном поле. В лесополосах глубина промерзания почвы уменьшается на 31 - 33%.

5. Узкие лесополосы способствуют пополнению почвенных вла-гозапасов в период снеготаяния. Запасы влаги после снеготаяния под пологом прибалочных лесополос на склонах северной и южной экспозиций возрастают в слое почвы 0 - 50 см в среднем (за 3 года) на 16 - 30 мм, 0 -150 см - на 71 - 73 мм. На прилегающем поле запасы влаги увеличиваются на 9 -11 мм.

6. Положительное почвопреобразующее влияние тополевых лесополос проявляется в физических и физико-химических свойствах почвы. Под пологом прибалочных лесополос почва имеет комковато-зернистую макроструктуру с коэффициентом структурности 7.1 - 10.6. Количество водопрочных агрегатов в слое почвы 0 - 30 см увеличивается на 23-29% по сравнению с пашней и выгоном. Плотность сложения почвы в слое 0 - 50 см снижается в среднем на 0.06 - 0.07 г/см3 в сравнении с выгоном.

7. Почва под пологом узких лесополос в летний период характеризуется достаточно хорошей водопроницаемостью. В 3-рядной тополевой лесополосе в первый час наблюдений она составила 137.1 мм, в 2-рядной - 79.2 мм. Средняя скорость инфильтрации за 4 часа наблюдений составила, соответственно, 1.7 и 0.7 мм/мин.

8. В лесополосах шириной 6 - 15 м водопоглощение в 1.4 - 2.5 раза выше, чем на прилегающем поле и зависит от мощности лесной подстилки. Средняя интенсивность впитывания при искусственном дождевании в 3-рядной лесополосе без лесной подстилки составила 1.3 - 1.4 мм/мин, в задерненном междурядье - 1.5 - 1.9 мм/мин. При мощности лесной подстилки 1 - 2 см и более - 2.1 - 2.4 мм/мин или в 1.6-1.7 раза выше, чем при отсутствии лесной подстилки.

9. Система узких контурных лесополос способствовала уменьшению поверхностного стока талых вод на склоне северной экспозиции в среднем за 3 года на 3.4 мм, южной - 1.1 мм. Водопоглощение в системе лесополос было в 1.3 - 1.5 раза выше, чем на необлесенном поле. Усиление системы лесополос валом-канавой в нижнем междурядье прибалочной лесополосы обеспечивает более продолжительный контакт талых вод на всей лесопокрытой площади и сокращает поверхностный сток на 98 - 100%.

10. Смыв почвы в системе узких лесополос при применении ее в условиях дифференцированного по элементам склона четырехпольного севооборота (в приводораздельной части склона - зернопа-ропропашной, в прибалочной - почвозащитный) сокращается на 33 - 36%. Максимальное снижение смыва отмечается на склоне южной экспозиции.

11. В условиях Центральной лесостепи ЦЧР система узких лесополос способствует повышению урожайности основных сельскохозяйственных культур. Прибавка урожайности сахарной свеклы составила на склоне северной экспозиции 16%, южной - 11%. По другим

18

культурам севооборотов существенные прибавки урожайности культур обеспечивают лесополосы лишь на склоне южной экспозиции: по озимой пшенице -10%, ячменю -13%, однолетним травам - 23%.

12. Противоэрозионные системы узких контурных лесополос на склонах северной и южной экспозиций представляют собой устойчивые насаждения оптимального для данных лесорастительных условий состава пород, полностью отвечают своему назначению по состоянию, конструкции и мелиоративным свойствам. В возрасте 17-18 лет средняя высота тополя в системе лесополос составила 17 м, средний диаметр - 20.2 см, средний запас - 394 м3/га.

13. Эколого-экономическая эффективность системы узких лесополос на склоне южной экспозиции выше, чем на северной. В условиях склона южной экспозиции вынос биогенных веществ с поверхностным стоком талых вод под влиянием системы лесополос сокращается на 27%, а при усилении ее валом-канавой - на 100%. Уровень рентабельности по группе сельскохозяйственных культур, выращиваемых под защитой лесополос (озимая пшеница, ячмень, сахарная свекла, травы), составляет 138%, коэффициент народнохозяйственной эффективности - 0.85. При устройстве вала-канавы в прибалоч-ной лесополосе уровень рентабельности составляет 133%, коэффициент народнохозяйственной эффективности - 0.64. С учетом сокращения ущерба от смыва и размыва сельскохозяйственных угодий в гидрографической сети и предотвращенного ущерба водному хозяйству, экономическая эффективность системы лесополос с валом-канавой значительно возрастает.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. В условиях Центральной лесостепи ЦЧР рекомендуется создание противоэрозионной системы контурных 3-рядных лесополос из гибридных сортов тополя в комплексе с arpo- и гидротехническими мероприятиями на склонах южной экспозиции крутизной 1-5°. Расстояние между лесополосами - 190 - 200 м, размещение черенковых саженцев тополя - 3x1 м, количество посадочных мест на 1 га -3330 шт/га.

2. В прибалочных лесополосах устраиваются валы-канавы на тех участках, где направление полосы совпадает с горизонталью. Валы-канавы устраиваются в нижнем по склону междурядье путем однократного прохода роторного экскаватора после окончания вегетационного периода второго года выращивания. Размеры канавы: глубина -1.5 м, ширина - 0.8 м; высота вала - 0.6 - 0.8 м.

3. С целью поддержания продуваемой конструкции лесополос и улучшения условий роста древостоя необходимо проведение рубок

ухода. К концу второго возрастного периода целесообразно оставлять не более 1.3 тыс. шт/га деревьев тополя.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. К вопросу о влиянии лесных полос на водопоглощающую способность почвы // Эколого-биологические исследования в агролесомелиорации / Бюлл. ВНИАЛМИ. - Волгоград, 1991. - Вып.З (64). -С. 17 -19 (в соавторстве).

2. Водопоглощение типичного чернозема под влиянием лесных полос // Тезисы докладов научно-практической конференции, посвященной 25-летию Всероссийского НИИ земледелия и защиты почв от эрозии (г.Курск, 22 - 23 марта 1995г.) - С.ЗЗ - 38.

3. Противоэрозионная система узких лесных полос в агроланд-шафте И Инф. листок № 79 - 97,- Курский ЦНТИ, 1997. - 4 с.

4. Экологическая роль противоэрозионной системы узких лесополос в агроландшафте // Охрана почв и проблемы экологического земледелия / Тезисы докладов науч.-произв. конференции Курского Общества почвоведов при РАН (декабрь, 1997 г.) - Курск, КГСХА. -С.27.