Методы моделирования эрозионных процессов и основы формирования противоэрозионных комплексов

Сухановкий, Юрий Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Методы моделирования эрозионных процессов и основы формирования противоэрозионных комплексов
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Методы моделирования эрозионных процессов и основы формирования противоэрозионных комплексов"

На правах рукописи

РГ£ од

СУХАНОВСКИЙ ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ 21\ ?щ

МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора сельскохозяйственных наук

Курск - 2000

Работа выполнена во Всероссийском научно - исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии.

Научный консультант - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член - корреспондент РАСХН В. М. Володин

Официальные оппоненты:

А.И. Стифеев, доктор сельскохозяйственных наук,

профессор; М. С. Кузнецов, доктор биологических наук, профессор, академик РАЕН; Е. А. Гаршинёв, доктор сельскохозяйственных наук.

Ведущая организация: Почвенный институт имени В. В. Докучаева

Защита диссертации состоится " 27 " июля 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 020.61.01 во ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии по адресу: 305021, г. Курск, ул. К. Маркса, 70-6, ВНИИЗ и ЗПЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии

Автореферат разослан" " ¿//¿у/-^ 2000 г.

Заверенные печатью организации отзывы в двух экземплярах просим присылать по указанному адресу.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

'¿г

М. Г. Агаркова

/7 0бч,р

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эрозия почв является одним из наиболее распространённых видов её деградации. В Российской Федерации более 60% пашни расположено на эрозионноопасных и эродированных землях. Наиболее подвержены эрозионным процессам сельскохозяйственные угодья в Поволжском (85-95%), Северо - Кавказском (92-98%), Центрально - Чернозёмном (53-56%) и Уральском (59-67%) регионах. Более половины (52%) эрозионноопасных и эродированных сельскохозяйственных угодий в РФ подвержены дефляции почв. Продуктивность эродируемых земель снижается, отмечается деградация почвенного покрова.

Всё это приводит к острой необходимости поиска решений о надёжной защите почв от эрозии и дефляции и о рациональном использовании эродированных земель.

Объектом исследований являются почвенно-эрозионные процессы. Географический район исследований - Центрально -Чернозёмный и Северо - Кавказский регионы.

Целью работы является разработка методов моделирования почвенно-эрозионных процессов и основ формирования проти-воэрозионных комплексов на пахотных землях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка и совершенствование методов физического и математического моделирования эрозионных процессов;

• разработка компьютерных моделей для расчёта потерь почвы при различных вариантах использования пахотных земель;

• исследование особенностей проявления эрозионных процессов за многолетний период;

• обоснование противоэрозионной эффективности агротехнических приёмов по отношению к дождевой эрозии почв;

• обоснование допустимого смыва почвы;

• разработка автоматизированной системы выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов;

• обоснование критерия эффективности использования эродированных почв для возделывания основных сельскохозяйственных культур в ЦЧЗ.

Методика исследований основана на применении современных методов физического и математического моделирования природных процессов, к которым относится эрозия и дефляция почв. При моделировании использованы фундаментальные законы природы, методы статистического и имитационного моделирования, а также методы математической статистики, теории вероятностей и методы оптимизации. В проведённых полевых и лабораторных экс-

периментах, а также для обработки различного рода данных и проведения численных экспериментов использована компьютерная технология.

Основные защищаемые положения:

• метод дождевания для исследования стока и смыва почвы;

• математические модели дождевой эрозии почв: гидромеханическая, имитационная и стохастическая;

• стохастическая модель смыва почвы при весеннем снеготаянии;

• эффективность агротехнических приёмов защиты почв от дождевой эрозии;

• допустимый смыв почвы;

• выбор и размещение на пашне элементов противоэрозионных комплексов;

• критерий эффективности использования эродированных почв для возделывания основных сельскохозяйственных культур.

Научная новизна работы состоит в разработке методов физического и математического моделирования эрозионных процессов и основ формирования противоэрозионных комплексов, надёжно защищающих от эрозии пахотные земли, и включает в себя следующее:

• впервые разработана методика дождевания почв, позволяющая получаемые результаты переносить на натурные условия;

• теоретически обоснована и экспериментально доказана применимость формулы Шези-Маннинга для описания склоновых потоков воды, которая, в свою очередь, является частным случаем полученного решения уравнения Рейнольдса (с учётом ударов дождевых капель);

• впервые в России разработаны имитационная и стохастическая модели дождевой эрозии почв, а также стохастическая модель смыва почвы при весеннем снеготаянии;

• определена эффективность основных агроприёмов и агрофонов по отношению к дождевой эрозии почв для условий ЦЧЗ;

• разработан новый подход к обоснованию допустимых потерь почвы;

• предложен новый алгоритм выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов на пахотных землях;

• разработан новый критерий эффективности использования эродированных почв для возделывания основных сельскохозяйственных культур в условиях ЦЧЗ.

Практическая значимость полученных результатов исследований:

• применение в научных исследованиях разработанного метода дождевания и созданной дождевальной установки (а.с. 1648288

СССР) обеспечивает получение объективных данных, существенно сокращая время и затраты на исследования;

• разработанные математические модели водной эрозии почв необходимы для конструирования противоэрозионных комплексов для разных зон России;

• применение в ЦЧЗ почвозащитных обработок почвы (чизельная, безотвальная, нулевая) позволит снизить дождевой смыв почвы примерно на 20%, а мульчирование соломой в расчёте 2-4 т/га практически предотвратит смыв;

• предложенный подход к обоснованию допустимых потерь почвы позволяет разработать нормативы по допустимому смыву для различных зон России;

• автоматизированная система выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов может использоваться проектными организациями при разработке проектов землеустройства хозяйств для условий ЦЧЗ, а также в учебном процессе в системе среднего и высшего сельскохозяйственного образования.

• применение критерия эффективности использования эродированных почв в анализе хозяйственной деятельности предприятий позволяет найти решение о более рациональном использовании пахотных земель.

В целом, внедрение противоэрозионных комплексов гарантирует с вероятностью 95% защиту почв от эрозии в течение 50 лет.

Работа выполнена в период 1976 - 1999 гг. в соответствии с планами НИР Всероссийского НИИ земледелия и защиты почв от эрозии, а также при реализации государственных научно-технических программ (проектов). Экспериментальные исследования проведены в основном на установках аэро - гидродинамического комплекса ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии и на полевых опытах.

Реализация полученных результатов. Результаты исследований, полученные автором, были использованы:

1.В разработке проектов ВАСХНИЛ "ИНТЕРАГРО" (19901991) и "СУПЭР" (1990-1992), проводимых в рамках международного сотрудничества (головная организация - НПО "Нива Ставрополья").

2.В Федеральной целевой комплексной научно - технической программе "Экологическая безопасность России": тема 5.4.8.2 "Разработать математические модели состояния экосистем и протекающих в них процессов" (1993), тема 9.5.10 "Разработка методических указаний по оценке интенсивности современных процессов эрозии и дефляции почв" (1993-1994).

3.В "Концепции формирования высокопродуктивных экологически устойчивых агроландшафтов и совершенствования систем

земледелия на ландшафтной основе. Ландшафтное земледелие. Часть 1". Курск. 1993. 54 с.

4. В разработке нормативов по допустимому смыву для бурых лесных почв предгорий Кубани по договору с Комитетом земельных ресурсов и землеустройства Краснодарского края (головная организация - Кубанский государственный аграрный университет, 19931995).

5.В разработке проекта "Методики землеустройства территории сельскохозяйственных предприятий на ландшафтной основе" по заданию РОСКОМЗЕМ (1995 - 1996 гг.).

6.В "Методике разработки систем земледелия на ландшафтной основе". Курск. 1996.132 с.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Третьей Всесоюзной научной конференции "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (МГУ, 1981); X Всесоюзной школе-семинаре "Моделирование гидрологических процессов" (Звенигород, 1986); совещании "Почвозащитная технология полива и разработка мероприятий по повышению надежности противопаводковой защиты", проведённом Академией наук СССР, Всесоюзным обществом почвоведов, ВАСХНИЛ (Пущино, 1987); школе - семинаре молодых учёных и специалистов "Научные основы рационального использования почв" (Курск, 1988); совещании специалистов СССР и ГДР по теме: "Обмен информацией и обсуждение уровня и дальнейшего развития компьютерных программ для планирования, управления и контроля в растениеводстве с учетом конкретных полей" (Мюнхеберг, ГДР, 1989); школе - семинаре "Моделирование почвенно-эрозионных процессов" (Курск, 1990); Всесоюзной конференции "Экзогенный морфогенез в различных типах среды" (МГУ, 1990); заседании координационного Совета ВАСХНИЛ по защите почв от эрозии на тему: "Совершенствование мероприятий по защите почв от ветровой эрозии в стране" (Шортанды, 1990); выездном заседании Президиума ВАСХНИЛ "О состоянии и перспективах развития исследований по моделированию процессов в региональном АПК" (Ставрополь, 1991); конференции стран содружества "Физика почв и проблемы экологии" (Пущино, 1992); международном семинаре "Эрозия почв" ( Москва, 1993); международной конференции "Экологические проблемы сельскохозяйственного производства" (Воронеж, 1994); Российско-Германском семинаре по Федеральной целевой программе "Возрождение Волги" и Российско - Германскому проекту "Волга - Рейн" (Пущино, 1999); совещании Российско-Германской рабочей группы по проекту "Волга-Рейн" (Магдебург, ФРГ, 1999); на заседании Совета по проблемам экологии в АПК (Москва, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 печатная работа (2 за рубежом), включая 2 изобретения.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений для практического использования результатов исследований. Работа изложена на 255 страницах, содержит 61 таблицу, 104 рисунка, список литературы включает 211 источников, в том числе на иностранных языках 61.

Автор глубоко признателен академику Ц.Е. Мирцхулава, представления об эрозионных процессах которого во многом определили направление проведённых исследований.

Автор выражает свою благодарность научному консультанту член - корреспонденту РАСХН В. М. Володину за консультации по широкому кругу проблем и за поддержку на разных этапах работы, а также всем сотрудникам лаборатории моделирования эрозионных процессов ВНИИЗ и ЗПЭ, руководителем которой является автор.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЖДЕВОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ

1.1.МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. Каждой области науки свойственны свои экспериментальные методы исследований. Поскольку эрозионные процессы находятся на стыке нескольких смежных дисциплин (почвоведение, гидрология, гидравлика, механика грунтов, агрономия и др.), то при исследовании используются и их методы. Однако, особенности эрозионных процессов приводят к необходимости разработки и специальных методов.

1.1.1.Удар дождевых капель о почву. Экспериментальные исследования удара дождевых капель о почву проводили W.D. Ellison (1944, 1947), Г.И. Швебс (1968), Ц.Е. Мирцхулава (1970), A.B. Хмельницкий (1970), R.S. Palmer (1965), Е.Е. Farmer (1973), D.A. Farrell, W.C. Moldenhauer, W.E. Larson (1974), H. Ghadiri, D. Payne (1977, 1981,1988, ), С. Quansah (1981), A.J. Moss, P. Green (1983), M.A. Nearing, J.M. Brandford, R.D. Holtz (1986), Brandford, J.E. Ferris, P.A. Remley (1987) и другие. Используемые в экспериментах ловушки и контейнеры (например, чашечки Эллисона) не полностью учитывают продукты удара. Поэтому были предложены специальные устройства, которые позволили провести измерения дальности разлёта разбрызгиваемых частиц и перемещения массы частиц по наклонной поверхности.

1.1.2. Размыв почвы на гидролотке. По методике М.С. Кузнецова (1981) были определены значения донной допустимой скорости потока воды (как интегральной характеристики противоэрозион-ной стойкости почвы) для монолитов почвы, взятых с разных участков пахотных земель. В используемую методику введены измене-

ния, позволившие повысить точность измерений. По полученным данным для чернозёма тяжелосуглинистого сделан вывод, что про-тивоэрозионная стойкость почвы является консервативной характеристикой, не зависящей (в пределах точности определения) от продолжительности использования земельного участка в качестве пашни и почвозащитных обработок (чизельная, безотвальная, нулевая).

1.1.3. Гидравлика склоновых потоков. В реальных условиях на склонах при выпадении дождей формируется ручейковая сеть. Характер движения воды может быть ламинарным, турбулентным и находиться в переходной области (P.E. Хортон, 1948, Н.И Маккавеев, 1973). При описании склоновых потоков часто используется

формула Шези V = Cy/Ri (С - коэффициент Шези, R - гидравлический радиус, /' - уклон), применяемая в гидравлике открытых потоков (каналов). В зависимости от характера движения воды и подстилающей поверхности для коэффициента С определяются значения или используются различные формулы (Л.С. Кучмент и др.,1983). Всё это приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований гидравлики склоновых потоков с разветвлённой ру-чейковой сетью (D.E. Line, L.D. Meyer, 1987, R.J. Loch, J.C. Maroulis, D.M. Siburn, 1989).

С этой целью проведены эксперименты на гидролотке "Малый", имеющей длину русла 630 и ширину 70 см. В русло загружалась почва ровным слоем. Вода из успокоителя плавно подавалась в русло. В одном эксперименте в почве формировалось русло ручейка, по которому стекала вода. А в другом вода стекала сплошным слоем, покрывая поверхность почвы. Проведённое теоретическое обоснование и полученные экспериментальные данные позволили сделать вывод о применимости для склоновых потоков формулы Маннинга C=Ri/e/n , где п - коэффициент шероховатости.

1.1.4. Метод дождевания. Метод дождевания на протяжении многих десятилетий широко используется в исследованиях дождевой эрозии почв. Главной нерешённой проблемой было обоснование параметров модельных дождей. Основываясь на результатах исследований капельной эрозии и используя методы механики сплошных сред, для решения этой проблемы предложена эрозионная характеристика для монодисперсного дождя (Ю.П. Суханов-ский, К.Ю.Хан, 1983)

A^-pVI't, Дж/м2, (1)

где р - плотность воды; V - скорость капель; I, t - интенсивность и продолжительность дождя. Величина А характеризует слой осадков и ударную способность капель. Для естественного дождя

Л = Ю~21Урф. ХДО, , т-м/га, (2)

НАЕМ?

ЗФФ ~ V А Г-

здесь - кинетическая энергия капель, выпавших за время л//, /, -средняя интенсивность дождя для л/у, а, Ь - постоянные, значения которых зависят от интервалов интенсивности и близки к 1.

Вишмайером (\Л/.Н. УМвсЬтеюг, 1959) по многочисленным натурным данным установлено, что смыв почвы пропорционален индексу ((т-м/га)х(см/час))

ЕЫ = 1(Г2Ло1ДЯ/, (3)

где 13о - максимальная интенсивность за 30 минут. В табл.1 представлены рассчитанные значения А и Е130 для естественных дождей, зарегистрированных на разных метеостанциях.

Таблица 1. Значения эрозионной характеристики (А) и

индекса (Е/30) дождя

Нижнедевицк, Воронежская обл. Ставрополь Горячий Ключ, Краснодарский край

Период наблюдений, лет 30 25 21

Среднемного-

летнее значе-

ние:

А 46,7 79,2 89,2

Е1зо 44,1 78,6 99,7

Коэффициент корреляции 0,94 0,93 0,96

Из данных табл. 1 следует, что можно принять А=Е13о■ Это означает, что смыв почвы также будет пропорционален А.

Таким образом, если дождевание проводить с разными параметрами дождя, но при равных значениях А, то и смыв почвы О должен быть одинаковым. Для проверки этого утверждения проведён ряд экспериментов. Величина А в большей степени зависит от интенсивности дождя. На рис 1-3 представлены результаты дождевания двух стоковых площадок длиной 5 и шириной 1 метр. Интенсивность была 1,51 и 2,70 мм/мин, а исходное состояние почвы одинаковое. Из этих рисунков следует, что смыв почвы (О) и коэффициент стока (а), действительно, определяются эрозионной характеристикой дождя. Аналогичный результат получается и при дождевании с разными скоростями падения капель. Но в этом случае переход от результатов дождевания со скоростью капель 1/0 к

V производится по формулам

а{А) = а0(А), {?(А) = 0Л(А)

16 е 12

ъ т

с т

а 4

(4)

| • -1,51 мм/мин а - 2,70 мм/мин А А А

а а а а А .У А А а а а а а а а

10 15 20 25

Время, мин Рис. 1. Динамика интегрального смыва почвы

«я

5 8

С ш

2 4 О

• -1,51 мм/мин ! а - 2,70 мм/мин

А*

•* 4

АхЮ3, Дж/м2

Рис. 2. Зависимость интегрального смыва почвы от эрозионной характеристики дождя (А)

0,5

0,0

АхЮ3, Дж/м2

Рис. 3. Зависимость коэффициента стока от эрозионной характеристики дождя (А)

Таким образом, чтобы смоделировать естественный дождь, необходимо при дождевании задавать такое же значение эрозионной характеристики дождя. И наоборот, проведя дождевание, полученные результаты для различных значений А можно отнести к естественным дождям, имеющим те же значения А.

1.2.МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. В настоящее время существует весьма большое количество моделей дождевой эрозии почв. Например, для описания разбрызгивания почвы дождевыми каплями предложен ряд эмпирических моделей (W.D. Ellison, 1944, Г.И. Швебс, 1968, L.D. Meyer, W.H. Wischmeier, 1969, Ц.Е. Мирцхулава, 1970, G.D. Budenzer, В.А. Jones, 1971; С. Quansah, 1981 и другие). Для смыва почвы широко известным является универсальное уравнение потерь почвы (W.H. Wischmeier, D.D. Smith, 1978) и его модификации (J.R. Williams, 1974, С.А. Onstad, G.R. Foster, 1975). Из зарубежных более сложных моделей являются модели CREAMS (W.G. Knisei, 1980), ANSWERS (D.B. Beasley, L.F. Haggins, 1981), KYERMO (M.C. Hirschi, B.J. Barfield, 1986), AGNPS (RA Young et al., 1987), модель WEPP (1995).

В нашей стране наибольшее распространение получили модели Ц.Е. Мирцхулава (1970), Г.И. Швебса (1974), Г.П. Сурмача (1979) и модель ГГИ (1979). Для условий России они не позволяют рассчитывать распределения сред немноголетнего смыва почвы

вдоль склона ( при различных вариантах использования пахотных земель) и оценивать его вероятностные характеристики, что необходимо для выбора элементов противоэрозионных комплексов и оценки их надёжности. Поэтому была поставлена задача разработать для условий России физически обоснованные и более совершенные модели.

1.2.1. Модель капельной эрозии почв. Для описания удара дождевых капель о почву использована гидродинамическая модель взрыва (O.E. Власов, 1945). Учитывая особенности почвы и капли воды, была получена зависимость для объёма образующихся воронок

w = A2

gdr

(5)

рС

где : тн, с1к, - масса, диаметр, скорость капли; р, Е0 , С - плотность, модуль линейной деформации, сцепление для среды; д - ускорение силы тяжести; Аг - константа. Эта зависимость описывает результаты экспериментов в пределах точности измерений (10%).

Количество почвы, которое будет подвержено ударному воздействию при выпадении п капель на единицу площади,

М = р\\'п = теп, (6)

здесь тд - масса почвы, приходящаяся на объём воронки.

Используя уравнения механики, закон сохранения энергии и экспериментальные данные, были получены зависимости, описывающие перемещение почвы по склону при выпадении единичного дождя, которые удовлетворительно описывают данные проведённых экспериментов. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что капельная эрозия существенно влияет на формирование почвенной "корки", а заметные потери почвы могут наблюдаться только при значительных уклонах и при небольших расстояниях. И это необходимо учитывать при выборе размеров стоковых площадок при дождевании.

1.2.2. Гидромеханическая модель. Эта модель описывает сток и смыв почвы при выпадении дождя на поверхность водосбора произвольной формы. Она включает в себя следующие уравнения и зависимости:

Уравнение неразрывности для жидкой фазы д(ьи) д(ыъ)

'■ = b(l-F), (7)

81 дх

где /7, V - глубина и средняя скорость потока; I - время; Ь - ширина водосбора на расстоянии х от водораздела; /, Г - соответственно интенсивность дождя и впитывания воды в почву. Средняя скорость потока воды

V = -7-, (8)

н(| + 9,3*10 ау[/ /А)

донная скорость

Vк = 1,2-7-тА\JhSim, (9)

/;(1+ 9,3*10 а-// /А)

где л - геометрический размер шероховатости почвы, т - коэффициент, учитывающий ручейковый характер потоков воды (А.Н. Бе-фани, 1939; А.Н. Костяков, 1960), а - постоянная величина. Зависимости для скоростей потока получены автором из решения уравнений Рейнольдса с учётом ударного действия капель дождя на поток.

Уравнение влагопереноса

™ = (10)

VI д: с:

где в - объёмная влажность почвы; г - координата, направленная вниз; 0(0), К(в) - диффузивность и гидравлическая проводимость почвы..

Интенсивность (кг/м2с) отрыва почвенных агрегатов (Ц.Е. Мирцхулава, 1970)

(/ = \,1хЮ'6 --Л (11)

V' Л.Л™ ) '

где у , с/а - объёмная масса и средний диаметр почвенных агрегатов; У&,доп - донная допустимая (неразмывающая) скорость потока; «-эффективная частота пульсаций скорости.

Транспортирующая способность потока (ВадпоЮ, 1966) 7= К(рд8тфЩ, кг/м с, (12) здесь К, - эмпирическая постоянная, характеризующая свойства наносов; р- плотность воды.

Уравнение неразрывности для твёрдой фазы

= , (13)

й дх

здесь С - концентрация наносов в потоке; О(х,0 - интенсивность отрыва или отложения почвенных частиц.

Для численного решения нелинейных дифференциальных уравнений используются конечно-разностные схемы. Созданная компьютерная модель позволяет моделировать сток и смыв почвы для разных агрофонов. Поскольку в модель входят физические параметры, то для её калибровки требуется небольшое количество данных наблюдений. Последнее обстоятельство является весьма важным, поскольку для условий России, как правило, отсутствуют многолетние и систематические данные наблюдений за дождевым смывом почвы. Для калибровки модели использованы материалы наблюдений Молдавской, Богуславской и Нижнедевицкой водноба-

лансовых станций. Получено, что модель с точностью 30% описывает измеренный смыв почвы.

1 2.3.Имитационная модель. При выборе противоэрозионных мероприятий необходимо оценивать среднемноголетний смыв почвы. Для решения таких задач разработана имитационная модель, описывающая эрозионный процесс за многолетний период. Сток и смыв почвы при выпадении дождя рассчитываются по гидромеханической модели. Динамика влажности почвы между дождями рассчитывается по уравнению влагопереноса. В этом случае в качестве верхнего граничного условия задаётся интенсивность испарения. Для численного моделирования создано программное обеспечение для персональных компьютеров, куда входит база данных по дождям и дефициту влажности воздуха, который используется для расчёта интенсивности испарения. Эти данные должны быть за период не менее 20 - 25 лет.

Задав для конкретного водосбора сценарий использования пахотных земель (севооборот и сроки проведения агротехнических мероприятий), проводится расчёт стока и смыва почвы, вызванного всеми дождями, которые имеются в базе данных. При этом учитываются культуры, на которые выпадают дожди, и фазы развития растений. Таким образом, производится компьютерная имитация дождевой эрозии, которая происходит в природе. Полученные значения смыва почвы от всех дождей позволяют оценить среднемноголетний смыв.

При выпадении дождя в результате ударного действия капель происходит формирование тонкого диспергированного слоя почвы, который обладает слабой водопроницаемостью. Поскольку в модели это не учитывается, то приходится проводить калибровку стоковой части модели. Такая калибровка проведена по 28-летним данным наблюдений за стоком с лога Малютки Нижнедевицкой воднобалансовой станции (Воронежская область) и дала положительный результат: слой стока за 28 лет по модели - 39,1 мм, измеренный - 38,7 мм. Сопоставление для вероятностей превышения показано на рис. 4.

Полученный при этом опыт позволил использовать имитационную модель и для условий Ставропольского и Краснодарского края, для которых отсутствуют многолетние данные наблюдений не только за смывом почвы, но и за стоком.

1.2.4.Стохастическая модель. Дождевая эрозия почв представляет собой стохастический процесс. Главным образом это обусловлено случайным характером дождевых осадков: момент выпадения (дата) дождя, их количество и параметры являются случайными величинами. Следовательно, и величина смыва почвы также является случайной.

Ц О

12 10 8 6 4 2

X о

»8

; х-измерение! ' о - модель

°о^х*ххххх -° П ° о □-—

Вероятность превышения, %

Рис. 4.Вероятность превышения для рассчитанных и измеренных слоев стока

Данные наблюдений за какой-то прошедший период представляют собой конкретную реализацию этого процесса. При сложившихся метеорологических условиях за этот период выпало определенное количество дождей с конкретными датами и параметрами (слой и продолжительность). С позиции теории вероятностей могли сложиться и другие условия, обусловившие бы другое количество дождей и их параметры, что привело бы к другой величине смыва почвы за тот же период. Следовательно, при оценке смыва почвы на перспективу необходимо учитывать и другие возможные реализации случайного процесса.

В стохастическую модель входят:

Распределение смыва почвы вдоль склона при выпадении одного дождя задаётся зависимостью Ц.Е. Мирцхулава, которая была усовершенствована Г.Ш. Читишвили (1974),

ц{х) = 0,01 \ук1„т

Л/С7°'6(|)5ш(/?)

-1

(14)

М ■

п! ) (22,2/»,

"Ь

где q(x) - смыв почвы на расстоянии х за время смыва ; у- объёмная масса почвенных агрегатов; ба - средний диаметр водопрочных

агрегатов; со - средняя частота пульсаций скорости потока ; £ - горизонтальная проекция расстояния х; с(%) - коэффициент стока; ¡3 -угол наклона; п - коэффициент шероховатости; / - средняя интенсивность дождя за время Т его выпадения; т1 -коэффициент, учитывающий концентрацию воды в ручейковой сети.

Коэффициент стока (Ю.П. Сухановский, 1981)

Распределения вероятностей, описывающие дождевые осадки: 1) количество дождей в году; 2) даты выпадения; 3) слой и продолжительность дождя. Такие распределения получены автором для условий ЦЧЗ.

На основе указанных зависимостей и распределений вероятностей создана компьютерная модель для проведения численного моделирования. Задание исходных данных и алгоритм моделирования аналогичны для имитационной модели. Только в этом случае дождевые осадки моделируются с помощью метода Монте-Карло (метод статистического моделирования). В качестве исходных данных дополнительно вводится число лет (Л/Лвт) в одной реализации случайного процесса, которое является периодом усреднения и аналогом периода наблюдений за смывом почвы. Также задаётся количество таких реализаций (Л/рвэл).

Поскольку дождевая эрозия представляет собой стохастический процесс, то и среднемноголетнее значение смыва почвы, определённое за какой-либо интервал времени Ылот (период усреднения), также является случайной величиной. Эту особенность необходимо учитывать при разработке надёжных противоэрозионных комплексов.

Количественной характеристикой варьирования случайной величины является коэффициент вариации.

На рис. 5 для условий Курской области (почва - чернозём) представлены результаты численного моделирования, показывающие зависимость коэффициента вариации среднемноголетнего смыва почвы от периода усреднения (А/лет- )• В качестве "истинного" среднего принято значение, полученное усреднением среднемно-голетних значений по всем реализациям (Л/рвал).

Поскольку коэффициент вариации является характеристикой точности измерений, то из рис. 5 следует, что для определения значения среднемноголетнего смыва почвы (например, для пара) с точностью 20-30% необходим период натурных наблюдений примерно 20 лет. Применение метода дождевания сокращает это время на порядок.

Период усреднения, пет

Рис. 5. Зависимость коэффициента вариации среднемноголетнего смыва почвы от периода усреднения (дождевая эрозия): 1 - чистый пар; 2 -зернопропашной севооборот; 3 - почвозащитный.

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭРОЗИИ МЁРЗЛЫХ ПОЧВ

Методы моделирования эрозионных процессов, протекающих при весеннем снеготаянии, развиты в значительно меньшей степени по сравнению с дождевой эрозией. Объясняется это, главным образом, весьма сложной природой этих процессов.

2.1. СТОХАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ. Наиболее известными в России зависимостями для проведения расчётов смыва почвы являются эмпирические зависимости, разработанные Государственным гидрологическим институтом (1979), Г.П. Сурмачем (1979) и В.Д. Ивановым (1985). В основу стохастической модели принята модифицированная зависимость Г.П. Сурмача

<7 = 0,0115КдГ'95хэ/£'А,, , (16) где ¡7 - величина смыва почвы на расстоянии х от водораздела, вызванная слоем стока У; Кд - коэффициент, зависящий от агрофона и направления обработки почвы; I - уклон; а, Ь - эмпирические коэффициенты, зависящие от агрофона; А, - коэффициент, характеризующий вид обработки.

Единственной случайной величиной в (16) является слой стока У, который представляется в виде

УР= УсРкр , (17)

здесь Ycp - средний сток, приведенный к условиям типичного и обыкновенного чернозёма; кр - коэффициент перехода от среднего стока к стоку различной обеспеченности Р. Средний слой стока картирован, а значения кр представлены в табличной форме. Из теории вероятностей следует, что обеспеченность

Р=1-г, (18)

где у - случайная величина, равномерно распределенная на интервале (0,1). Используя метод статистического моделирования (метод Монте-Карло), численно моделируется случайная величина у , по (18) рассчитывается обеспеченность Р, а по табличным значениям оценивается кр . Далее, при заданном среднем стоке Уср рассчитывается слой стока Ур, а по (16) - смыв почвы.

Алгоритм моделирования смыва почвы за многолетний период аналогичен алгоритму для стохастической модели дождевой эрозии. Также задается геометрия склона, сценарий использования пашни (севооборот и обработки почвы), количество лет в одной реализации случайного процесса Л/Лвт и число таких реализаций Л/реэл.. Дпя проведения численных экспериментов разработана компьютерная модель.

80---- --------------

I 60 -

ГО

н 40

-I 20

-& С

О 10 20 30 40 50

Период усреднения, лет

Рис. 6. Зависимость коэффициента вариации среднемноголетнего смыва почвы от периода усреднения (эрозия мёрзлых почв): 1 - зябь; 2 - зернопропашной севооборот; 3 -почвозащитный.

На рис. 6 для условий Курской области (почва - чернозём) представлены результаты численного моделирования, показывающие зависимость коэффициента вариации среднемноголетнего

смыва почвы от периода усреднения {N„em. ). Из сравнения этих данных с данными для дождевой эрозии (рис. 5) следует, что дождевой смыв варьирует в большей степени.

2.2. МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. Хотя процессы тепло-влагопереноса в мёрзлых почвах в определенной степени изучены многими авторами (А.И. Будаговский, 1955; В.Д. Комаров, 1957; A.B. Павлов, 1965; Н.С. Иванов, 1969; A.M. Глобус, 1969; A.A. Капотов, 1972; Э. Чайлдс, 1973; H.A. Цытович, 1973; А.Ф. Чудновский, 1976; В.Я. Кулик, 1978; И.Л. Калюжный, К.К. Павлова, 1981; Л.С. Кучмент, В.Н. Демидов, Ю.Г. Мотовилов, 1983; С.А. Лавров, 1980, 1986; Ю.А. Зарецкий, С.А. Лавров, 1985; Е.М. Гусев, 1992 и другие), разработка физически обоснованных моделей эрозии мёрзлых почв является делом будущего. Для разработки таких моделей необходимо создание экспериментальной базы для проведения исследований механизма оттаивания, отрыва и переноса потоком воды почвенных агрегатов в условиях весеннего снеготаяния.

Такая база создана в лаборатории моделирования эрозионных процессов ВНИИЗ и ЗПЭ и включает в себя:

- морозильную камеру с системой охлаждения и подачи воды;

- гидролоток с теплоизоляцией, длина его 3, ширина 1,5 и глубина 0,7 метра;

- измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), предназначенный для измерения температуры почвы, воды и воздуха (разработан и изготовлен АФИ);

- установку (с изотопом цезий-137) для измерения влажности почвы методом гаммаскопии (разработана и изготовлена Гидрофизической лабораторией ГГИ);

- комплексом приборов и оборудования для измерения теплофизи-ческих параметров почвы (разработанных и изготовленных Гидрофизической лабораторией ГГИ и АФИ).

Проведённые предварительно эксперименты показали, что создаваемые в почвенном образце режимы температур и влажности аналогичны режимам, которые наблюдаются в натурных условиях.

Характерной особенностью эрозии мёрзлых почв (и весьма слабо изученной) является оттаивание тонкого слоя почвы, подвергаемого смыву, и впитывание талой воды при наличии поверхностного потока. Для исследования этих процессов проведён следующий эксперимент.

Объём гидролотка был разбит на 16 секторов (рис. 7). Секторы 7-9 отделены от секторов 1-6 текстолитовой перегородкой. Эти перегородки являются гидроизоляцией и задают русло для течения воды. Секторы 11-16 представляют собой полости для перемещения источника гамма-излучения и детектора при измерении влажности почвы. Мощность почвенного образца была 55 см. Плотность сложения нижнего слоя почвы во всех секторах была 0,95 г/см3, а

для верхнего слоя толщиной 22 см плотность задавалась разной: в секторах 1,2 и 7 она была 0,9 г/см3, в секторах 3, 4, 8 -1,1 г/см3 и в секторах 5, 6, 9 - 1,2 г/см3. Исходная влажность почвы везде (и по глубине) была одинаковой и равнялась 25-26 % от веса почвы. Датчики температур Д1-Д9 располагались по всей глубине почвы через 5 см.

4 4 I

1 11 7 12 2

ДГ1 ДГ7 ДГ2

3 13 8 14 4

ДГ8

5 15 ДГ9 16 ДГ6

9 6

| 1 1 ▼ ▼ ▼

Рис. 7. Схема эксперимента: 1 - 16 - секторы;

ДТ1 - ДТ9 - датчики температуры

Перед замораживанием почвенный образец был предварительно охлаждён с одинаковым распределением положительной температуры почвы по глубине. Затем в течение 165 часов в морозильной камере проводилось замораживание образца (до глубины примерно 50 см) и гидролоток перемещался в рабочую камеру, где температура воздуха была +2 °С. Распределение влажности почвы после замораживания показано на рис. 8. Из этого рисунка видно, что в слое 0-4 см содержание замёрзшей воды существенно увеличилась за счет миграции влаги из нижних слоев, образуя слабопроницаемый слой.

Затем в течение 6 часов на поверхность почвы сплошным слоем подавался поток воды с температурой 0,1 - 0,3 °С. На рис. 9 показано измеренное распределение влажности почвы после подачи воды. Для почвы с плотностью 0,9 г/см3 количество впитавшейся воды в слое 0-15 см было примерно в 2 раза больше по сравнению

с плотностью 1,1 и 1,2 г/см3. Большая водопроницаемость для рыхлой почвы объясняется большим содержанием пор аэрации и конвективным переносом тепла, поступающего в почву вместе с водой.

Рис. 8. Влажность почвы после замораживания

Влажность, %

20 25 30 35 40 45 50 55

О -:------

Рис. 9. Влажность почвы после подачи воды

Эксперимент проведён для одного цикла замораживания и оттаивания. В период весеннего снеготаяния происходит несколько таких циклов: в ночное время происходит замораживание, а в дневное - оттаивание.

Таким образом, полученные результаты эксперимента показывают существенное влияние поверхностного потока воды на динамику слабопроницаемого слоя почвы при циклическом замораживании и оттаивании.

Для исследования динамики размыва мёрзлой почвы проведён эксперимент на среднем эрозионном лотке по методике М.С. Кузнецова (1981) размыва образцов талой почвы. Образец предварительно замораживался при температуре примерно -10 °С, а температура воды в лотке поддерживалась 0,6 °С. Боковые поверхности и дно образца были теплоизолированы. Измерение температуры почвы проводилось с помощью измерительно - вычислительного комплекса. Было установлено, что динамика смыва почвы аналогична динамике для талых почв.

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФЛЯЦИИ ПОЧВ

3.1.УРАВНЕНИЕ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ. Для проектирования противодефляционных мероприятий необходимы модели дефляции почв, которые позволяли бы оценивать интенсивность потерь почвы с учетом применяемых агротехнических приемов. Поскольку в настоящее время для условий России отсутствуют такие модели, то для весьма приближённых оценок использовано уравнение ветровой эрозии WEQ (W.S. Chepil, N.P. Woodruff, 1963; E.L. Skidmore, 1986). Адаптированное к условиям России уравнение представлено в следующем упрощённом виде

q = Dsx Cl xSxKx С, (19)

здесь q - среднемноголетние потери почвы (т/га в год); Ds - индекс дефлируемости (эродируемости) почвы; С/ -климатический индекс; S - фактор уклона; К - фактор шероховатости поверхности; С -фактор растительности. Уравнение использовано для оценок потерь почвы для условий ЦЧЗ и Ставропольского края.

3.2.МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ РЕЖИМОВ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ. В исследованиях дефляции почв широко используются аэродинамические установки. Во ВНИИЗиЗПЭ создана аэродинамическая труба замкнутого типа для исследования ветровых режимов приземного слоя атмосферы. Рабочая камера имеет следующие размеры: длина -18 м, ширина -1,5 м и высота - 1,2 м. Скорость воздушного потока может задаваться до 30 м/с и измеряется с помощью термоанемометров, разработанных и изготовленных АФИ. Схема измерительной системы показана на рис.10. Показания датчиков выводятся на компьютер. Измерение значений мгновенных скоростей воздушного потока позволяет исследовать его структуру.

Проведённые исследования воздушных потоков, создаваемых установкой, а также проведённые измерения в натурных уело-

виях и сопоставление с литературными данными позволили сделать вывод, что созданная аэродинамическая установка позволяет моделировать ветровые режимы.

Рис. 10. Схема измерительной системы

Наиболее простым и эффективным агротехническим приёмом защиты почв от дефляции является оставление стерни на де-фляционноопасный период. Приводимые в литературе данные по эффективности стерни колеблются в большом диапазоне значений. С целью исследования влияния стерни на ветровой режим проведены измерения эпюр скоростей воздушного потока без стерни и со стернёй.

В качестве модели стерни созданы специальные планшеты в масштабе 1:1 с вертикально установленными соломинами ячменя. Эксперимент проведён для двух вариантов стерни: с длиной стерни L=1,0 и 4,0 м. Полученные распределения скорости воздушного потока по высоте представлены на рис. 11. Скорость над стернёй уменьшилась в два раза. Так как в климатический индекс С/ уравнения потерь почвы (19) скорость входит как V3, то эффективность оценивается отношением (VA/0)3= 0,13, где V - скорость на уровне стерни, V0 - то же самое, но при ее отсутствии. Следовательно, снижение скорости ветра приводит к уменьшению потерь почвы на порядок. Полученная оценка позволила выбрать из приводимых в литературе значений эффективности стерни более обоснованное значение и использовать его в расчётах.

6 -

О 10 20 30 40 50

Высота, см

Рис. 11. Распределение по высоте скорости воздушного потока (со стернёй и без стерни)

Глава 4. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Поиск решений о надёжной защите почв от эрозии лучше проводить на моделях. Во-первых, это существенно экономит время и затраты по сравнению с проведением опытов в натуре. Во-вторых, можно рассмотреть и оценить множество различных вариантов и выбрать наиболее оптимальные, которые уже затем проверять на опыте. Для принятия обоснованных решений по защите почв от эрозии необходимо знать: особенности проявления эрозионных процессов, главным образом, в многолетнем и зональном аспекте; возможности (эффективность) агротехнических приёмов; допустимый уровень потерь почвы и алгоритм выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов.

4.1.ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ. Опасность дождевой эрозии за вегетационный период. С помощью гидромеханической модели доказано, что для условий ЦЧЗ, Ставропольского и Краснодарского края смыв почвы достаточно хорошо коррелирует с известным эрозионным индексом дождя Е/зо- Следовательно, распределение среднемноголетнего значения индекса по месяцам позволяет довольно просто определить эрози-онноопасные периоды. Для ЦЧЗ таким периодом является май - август, а для Ставропольского края и предгорий Кубани май - сентябрь.

А * А * *

• * • • •

• А X

• X *

х А

• X .

• х* А Ж* а ! а -1=1 М

! х - 1=4 М

• - без стерни;

Вклад различных видов эрозии в потери почвы. При выборе противоэрозионных мероприятий для конкретной зоны необходимо знать вклад каждого вида эрозии в потери почвы. С помощью разработанных эрозионных моделей проведена такая оценка для условий ЦЧЗ (Курская область) и Ставропольского края (Шпаковский район), результаты представлены в табл. 2 и 3 (склон прямой формы с уклоном 3°, обработка почвы - вспашка). Результаты моделирования позволяют количественно оценить вклад каждого вида эрозии для конкретных природно-климатических зон с учётом агрофо-нов и принять соответствующие меры.

Таблица 2. Потери почвы от водной эрозии и дефляции; ЦЧЗ

Расстояние, м Суммарные потери, т/га год ВКЛАД В ПОТЕРИ ПОЧВЫ, %

Дождей Весеннего снеготаяния Дефляции

П А Р (ЗЯБЬ)

0 1,18 0 0 100

50 3,43 30,0 40,6 29,4

100 4,52 38,1 43,5 18,4

... ... ... ...

500 9,68 50,0 45,4 4,6

Среднее по склону 6,5 45,52 44,5 10

ЯРОВЫЕ ЗЕРНОВЫЕ

0 1,18 0 0 100

50 2,4 0 58 42

100 2,8 0 70,2 29,8

... ... ...

500 4,85 0,2 90,5 9,3

Среднее по склону ___3,6________ _........0,1___________ _______81,7_______ 18,2________

Таблица 3. Потери почвы от водной эрозии и дефляции:

Ставропольский край

Расстояние, м Суммарные потери, т/га год ВКЛАД В ПОТЕРИ ПОЧВЫ, %

Дождей Весеннего I пе£ьляции снеготаяния | н ™

П А Р (ЗЯБЬ)

0 22,3 0 0 | 100

100 23,5 15,5 3,5 81,0

200 22,6 25,1 5,1 69,8

• •• ... ... ... ...

1000 23,8 53,5 10,9 35,6

Среднее по склону 22,5 37,9 7,6 54,5

Окончание табл. 3

Расстояние, м Суммарные потери, т/га год ВКЛАД В ПОТЕРИ ПОЧВЫ, %

Дождей Весеннего ! „ , снеготаяния! Де*ляции

ЯРОВЫЕ ЗЕРНОВЫЕ

0 22,3 0 0 100

100 21,1 6,0 3,9 90,1

200 18,9 10,4 6,1 83,5

... ... ...

1000 15,6 29,0 16,6 54,4

Среднее по склону 17,0 17,7 10,1 72,2

Оценка варьирования среднемноголетних потерь почвы. Ранее такая оценка была сделана отдельно для дождевого смыва почвы и для смыва при весеннем снеготаянии в условиях ЦЧЗ. Разработанная компьютерная стохастическая модель водной эрозии позволила оценить варьирование среднемноголетнего смыва, обусловленного при совместном проявлении этих двух видов эрозии. Полученные результаты представлены на рис. 12, из которых

О 10 20 30 40 50 60

Период усреднения, лет

Рис. 12. Зависимость коэффициента вариации среднемноголетнего смыва почвы от периода усреднения (водная эрозия): 1 - пар (зябь); 2 - зернопропашной севооборот; 3 - почвозащитный.

следует, что среднемноголетнее значение смыва в достаточно большой степени варьирует. На рис. 13 для почвозащитного сево-

оборота и периода усреднения Ыпет =50 лет показана полученная зависимость среднемноголетнего смыва почвы (в относительных единицах) от вероятности превышения (обеспеченности). Значения смыва нормированы на "истинное" значение среднемноголетнего смыва почвы (на графике оно соответствует 1), полученное усреднением по всем реализациям (Л/реал ) случайного процесса.

1,6

1 •1'4

5 5 1,2

■ ер

§ ё 1,0

2 т

® 3 0,8

5 5

а ° 0.6

0 20 40 60 80 100 Вероятность превышения, %

Рис. 13. Распределение вероятности превышения для среднемноголетнего смыва почвы (почвозащитный севооборот, Ы„ет=50 лет)

Из рис. 13 следует, что среднемноголетний смыв почвы за 50 лет с вероятностью 40% превысит "истинное" среднее значение. Практически это означает следующее: если за "истинное" среднее значение принять допустимый смыв почвы, то в 40 случаях из 100 за последующие 50 лет потери почвы превысят этот допустимый уровень. Очевидно, что такая, принимаемая в настоящее время, надёжность противоэрозионных комплексов является неудовлетворительной.

Оценка потерь почвы для больших территорий. Для решения задач, связанных с формированием эрозионноустойчивых агро-ландшафтов, существует необходимость в оценке смыва почвы с пахотных земель всего хозяйства. Для решения такого рода задач создано специальное программное обеспечение для персональных компьютеров. Расчёт интенсивности дождевого смыва почвы проводится по степенной зависимости, которая представляет собой аппроксимацию (с точностью 10-15%) результатов численного моделирования, проведённого по имитационной модели. Полученные с помощью процедуры оптимизации Розенброка значения показателей при длине и уклоне согласуются с литературными данными. Для расчёта смыва почвы при весеннем снеготаянии используется зави-

симость Г.П. Сурмача. Результатом счёта является оценка распределения площади пахотных земель по интенсивности смыва почвы.

4.2.ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОПРИЁМОВ. Под эффективностью (Е) понимается отношение среднемноголетнего смыва почвы при применении какого-либо агроприёма к такому же смыву при стандартных условиях: почва в состоянии длительного пара (зяби) и вспашка проводится вдоль склона. Если эффективность для смыва почвы при весеннем снеготаянии оценена по полученным данным натурных наблюдений, то для дождевого смыва почвы аналогичные данные для условий ЦЧЗ отсутствуют и, соответственно, отсутствуют надёжные оценки эффективности. С помощью метода дождевания и имитационной модели для этих условий определена эффективность различных обработок почвы и мульчирования, а также эффективность агрофонов.

Эффективность почвозащитных обработок. Проведено дождевание на участках многофакторного полевого опыта ВНИИЗ и ЗПЭ, на которых применялись обычная вспашка, чизельная, безотвальная и нулевая. Во всех случаях почва была в состоянии пара и имела одинаковую влажность. Полученные результаты представлены на рис. 14 и 15. Поскольку участки имели разный уклон, то значения смыва почвы были приведены к уклону участка со вспашкой, используя универсальное уравнение потерь почвы (W.H. Wischmeier, D.D. Smith, 1978).

I- 2 -

-+ -

л ш

— • —

- 1 XI 1

5 О

АхЮ3, Дж/м2

Рис. 14. Зависимость приведённого смыва почвы от эрозионной характеристики дождя (А) для обработок: 1 - вспашка, 2 - чизельная, 3 - безотвальная, 4 - нулевая.

По результатам дождевания можно оценить эффективность почвозащитных обработок для естественных дождей. Например, для дождей Нижнедевицкой воднобалансовой станции (Воронежская область) среднемноголетнее значение А =1,8x10"3 Дж/м2. Из рис. 14 следует, что для этого значения по сравнению со вспашкой смыв почвы при других обработках будет примерно на 50% меньше.

0,4

га О б ь

X ф

ГГ

-В-•9-

со о

0,3

0,2

0,1

0,0

АхЮ3, Дж/м2

Рис. 15. Зависимость коэффициента стока от эрозионной характеристики дождя (А) для обработок: 1 - вспашка, 2 - чизельная, 3 - безотвальная, 4 - нулевая.

Поскольку результаты дождевания получены при одной исходной влажности почвы, а сток и смыв почвы зависят от неё, то для оценки эффективности за многолетний период, когда влажность почвы изменяется, использована имитационная модель. При численном моделировании принято, что установившаяся скорость впитывания для почвозащитных обработок была на 20% больше по сравнению со вспашкой (установлено по данным дождевания). В результате получено, что эффективность исследованных почвозащитных обработок оценивается величиной £=0,77.

С помощью имитационной модели было также установлено, что эффективность поперечной вспашки £=0,60.

Эффективность мульчирования. Исследования проведены на гидролотке "Агроплощадка" аэрогидродинамического комплекса ВНИИЗиЗПЭ. Рабочая площадь гидролотка равняется 5x5 м и разбивалась на пять одинаковых площадок длиной 4,65 м и шириной 1 м, которые дождевались одновременно с интенсивностью 1,70±0,21

мм/мин. Подготовка почвы была одинаковой. В качестве мульчи использовалась солома озимой пшеницы, которая равномерно распределялась по поверхности почвы и заделывалась на глубину до 5 см. Две площадки были контрольными (без мульчирования), на одну площадку внесено соломы в расчёте 2 т/га и на две площадки - 4 т/га. На рис. 16 представлены полученные результаты дождевания.

4 "!

О 5 10 15

Ах103, Дж/м2

Рис. 16. Зависимость смыва почвы от эрозионной характеристики дождя (А) при мульчировании: 1,2- контроль, 3-2 т/га, 4, 5 - 4 т/га.

За 30-летний период наблюдений на Нижнедевицкой водноба-лансовой станции для зарегистрированных дождей максимальное значение А = 3,6x10'3 Дж/м2. Поскольку сток на вариантах с мульчированием начинался при больших значениях А (рис. 16), то все эти дожди не вызовут сток. Для Ставропольского края, где дожди более эрозионноопасные, для почв с близкими свойствами сток вызовет один дождь за 25-летний период наблюдений. Для условий США, где дождевая эрозия проявляется ещё в большей мере, мульчирование соломой с дозой внесения 2 и 4 т/га уменьшает среднемного-летний смыв почвы соответственно в 7 и 20 раз (Wischmeier, Smith, 1978). Таким образом, для условий ЦЧЗ мульчирование соломой в расчёте 2-4 т/га практически предотвращает дождевой смыв почвы.

Эффективность агрофонов. С помощью имитационной модели проведена оценка эффективности различных агрофонов для условий ЦЧЗ (табл. 4). Посев озимой пшеницы в августе (приходящийся на эрозионноопасный период) после чистого пара снижает эффективность севооборотов, включающих данную культуру.

Следовательно, в зонах проявления дождевой эрозии необходимо использовать занятые пары или проводить мульчирование почвы.

Таблица 4. Эффективность агрофонов

Сахар- Куку- Яровые Озимые Пар Много- Много-

. ная руза зерно- (созре- + озимые летние летние

Пар свёкла вые + вание) травы травы

стерня + стер- + озимые (больше

ня года)

£ 1 0,35 0,36 0,077 0,069 0,99 0,49 0,003

4.3.ДОПУСТИМЫЕ ПОТЕРИ ПОЧВЫ. Обоснование допустимых потерь почвы является весьма важной задачей, поскольку от её решения зависят степень защиты почв от эрозии и затраты на про-тивоэрозионные мероприятия. Существующие решения этой задачи (Белыибаев, Долгилевич, 1970; Заславский, 1983; Иванов, 1984; Ларионов, 1993; Лисецкий, 1988; Сурмач, 1985; Шикула, Рожков, Трегубов, 1973; Пацукевич, Геннадиев, Герасимова, 1997 и другие) не гарантируют необходимую защиту. Предложен новый подход к обоснованию допустимых потерь, суть которого заключается в следующем. За 50 лет с вероятностью 95% допускаются потери, приводящие к уменьшению мощности гумусового горизонта в пределах абсолютной погрешности её измерения. Это означает, что проведённые измерения через 50 лет не зафиксируют (в пределах точности измерений) изменение мощности гумусового горизонта. Расчёт допустимых потерь почвы (мм/год) проводится по следующей зависимости

Iср. доп. (Т)= б/[Г Кр(Т)], (20)

где 7= 50 лет, 3- абсолютная погрешность измерений (мм), КР(Т) -функция надёжности, характеризующая варьирование среднемно-голетнбго смыва (б/р). Абсолютная погрешность ё=сНЛ 00 , здесь е-относительная точность измерений (%), Н- мощность гумусового горизонта (мм). Для условий ЦЧЗ в табл. 5 приводятся полученные значения допустимого смыва почвы.

4.4.ВЫБОР И РАЗМЕЩЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТИВОЭРО-ЗИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ. Агротехнические, луго - лесомелиоративные мероприятия в сочетании с простейшими гидротехническими сооружениями позволяют смыв почвы на пашне снизить до допустимого уровня. Вся задача сводится к размещению стокорегули-рующих линейных рубежей и выбору севооборотов и обработок почвы.

Задача решается в два этапа (Ю.П. Сухановский, Г.И. Бахи-рев, 1995). Сначала на склонах размещаются линейные рубежи. Критерием размещения является граница перехода слабосмытых

почв в среднесмытые, где за исторически длительный период проявления ускоренной антропогенной эрозии потери гумусового слоя составляют 25%. Например, для почв с мощностью гумусового слоя 80 см и для периода 200 лет (для ЦЧЗ) средняя интенсивность уменьшения этого слоя соответствует примерно 1 мм/год. В совокупности стокорегулирующие линейные рубежи расчленяют склоны на однородные контурно-параллельные полосные участки, обеспечивающие за долголетний период использования пашни снижение интенсивности смыва почвы до некоторого уровня. На рис. 17 в качестве иллюстрации показано размещение линейных рубежей для одного из водосборов ОППХ ВНИИЗиЗПЭ.

Таблица 5. Допустимый смыв почвы для ЦЧЗ

Степень эродиро-ванности почвы Потери гумусового слоя от эталона Нс,% ¡доп., мм/год

Чернозём Серые лесные

Неэродированная 0-5 0,54 0,41

Слабая 5-25 0,43 0,32

Средняя 25-50 0,29 0,21

Сильная 50-75 0,14 0,11

Очень сильная 75-100 0 0

Примечание; Н0 - мощность гумусового слоя неэродированных почв (для

чернозёма 800 мм, для серых лесных 600 мм).

На втором этапе, зная размещение линейных рубежей, для каждого межполосного пространства подбираются севообороты и обработки почвы, которые должны обеспечить смыв почвы ниже допустимого уровня. Главная роль принадлежит севооборотам. При их выборе рассматриваются типичные для данных условий севообороты с различной противоэрозионной эффективностью.

Обработка почвы проводится поперёк склона. Поскольку почвозащитные обработки имеют относительно невысокую эффективность, их применение требует дополнительного обоснования. Например, для зон недостаточного увлажнения они необходимы для задержания стока или для решения других задач.

Проведённые расчёты с помощью разработанной автоматизированной системы показали, что предложенный алгоритм выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов по сравнению с существующими рекомендациями требует меньше линейных рубежей (следовательно, и меньше затрат).

Таким образом, противоэрозионные комплексы, созданные на основе предложенного подхода, обеспечивают с вероятностью 95% защиту почв от эрозии в течение 50 лет.

Рис. 17. Пример размещения стокорегулирующих линейных рубежей:

граница водосбора; горизонталь;

линия тока; • расчетная точка рубежа;

.....* линейный рубеж; -——- водоток

граница пашни;

Глава 5. КРИТЕРИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭРОДИРОВАННЫХ ПОЧВ

Снижение урожайности сельскохозяйственных культур на эродированных почвах, её варьирование и изменчивость цен на рынке в некоторых случаях может привести к убыточному производству этих культур. Следовательно, необходим количественный критерий для оценки эффективности использования эродированных пахотных земель.

5.1.СНИЖЕНИЕ УРОЖАЙНОСТИ. В многочисленных литературных источниках приводятся данные по снижению урожайности сельскохозяйственных культур на эродированных почвах (Г.Н. Лыса к, 1975 ; Ю.Н. Поздняков, 1976; Д.Е. Ванин, 1979; В.П. Лидов, 1981; В.Д. Иванов, М.И. Парахневич, 1983; М.И. Лопырев, Е.И. Рябов, 1989 и другие). Актуальность вопроса и получение новых дан-

ных требует уточнения и установления количественных зависимостей влияния эродированности почв на урожайность культур.

По многочисленным литературным источникам были собраны показатели урожайности зерновых и пропашных культур и многолетних трав на эродированных почвах лесостепной и степной зон России, Украины и Молдавии. Эти данные были обработаны с помощью методов математической статистики, полученные результаты представлены в табл. 6 и на рис. 18 (вертикальные и горизонтальные отрезки означают стандартные отклонения).

Таблица 6. Снижение урожайности (%) в зависимости от _эродированности почвы_

Почва Культура Эродированность почвы (по Соболеву)

Слабая Средняя Сильная

Чернозём Многолетние травы 3,5 ± 2,4 17 ± 8 38 ± 15

Чернозём,серые лесные Зерновые, пропашные 18 ± 12 35 ± 16 52 ± 16

О 20 40 60 80

Уменьшение запасов гумуса, %

Рис. 18. Зависимость снижения урожайности от уменьшения запасов гумуса в слое 0-50 см

Полученные результаты свидетельствуют, что фактические данные сильно варьируют и это не позволяет установить точные зависимости. Тем не менее, можно утверждать, что зерновые и пропашные культуры в большей мере реагируют на эродированность

почвы по сравнению с многолетними травами, а полученные результаты можно использовать в расчётах.

5.2.ВАРЬИРОВАНИЕ УРОЖАЙНОСТИ. Известно, что погодные условия, болезни и вредители растений, а также несоблюдение агротехнологий приводит к варьированию урожайности сельскохозяйственных культур. Для описания варьирования урожайности разработана следующая стохастическая модель

Y=YcpxE, (21)

где Y - урожайность (как случайная величина), Ycp - среднее значение урожайности (детерминированная компонента), Е - случайная компонента, имеющая смысл относительной урожайности (по отношению к её среднему значению). Случайная компонента описывается зависимостью

Е =const ЕХР{ - [(К - Ко)/Ко]2}П (1 - Су), (22)

здесь К - гидротермический коэффициент (ГТК), К0 - его оптимальное значение, С/ - снижение урожайности, обусловленное j-м случайным фактором, вероятность проявление которого Pj (общее количество факторов равно М). ГТК определяет средние за вегетационный период условия увлажнения, а экстремальные ситуации (вымерзание озимых, засуха, переувлажнение) описываются величинами Су. Значения Ру и Су для основных культур, возделываемых в ЦЧЗ, определены экспертным путём сотрудниками лаборатории севооборотов ВНИИЗ и ЗПЭ.

Для численного моделирования используется метод Монте-Карло. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с фактическими данными для озимой пшеницы. Некоторые полученные результаты представлены в табл. 7.

Таблица 7. Относительная урожайность в зависимости от со-

блюдения технологии возделывания озимой пшеницы

Вероятностные характеристики Соблюдение технологии Предельная урожайность

Стандартные условия Среднее хозяйство Грубые нарушения

Среднее 1 0,68 0,51 1,19

Коэффициент

вариации, %:

модель, 23 38 56 6

фактические

данные____________ 15 21 - -

Соблюдение агротехнологии условно характеризуется тремя уровнями: в качестве стандартных условий приняты условия возделывания культур на сортоиспытательных станциях, уровень средне-

го хозяйства соответствует некоторым отступлениям от технологии, уровень грубых нарушений говорит сам за себя. Предельная урожайность соответствует только варьированию ГТК.

Варьирование урожайности характеризуется коэффициентом вариации, являющимся показателем её устойчивости. Полученные результаты численного моделирования позволили для разных культур оценить снижение средней урожайности и её устойчивости в зависимости от степени соблюдения агротехнологии. С помощью модели сделана также оценка снижения урожайности, вызванного различными факторами. Установлено, что наибольшее снижение вызывают погодные экстремальные ситуации.

5.3.КРИТЕРИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ. Вводится следующее понятие устойчивости производства сельскохозяйственной культуры: производство является устойчивым, если с достаточно высокой вероятностью (надёжностью) оно будет давать прибыль. Если на эродированных почвах производство является устойчивым, то это означает, что они используются эффективно. Для эродированных почв, применяя вероятностный подход, получена следующая зависимость для предельного уменьшения запасов гумуса в слое 0 - 50 см (в относительных единицах)

1 -, (23)

(///Со)0~еу)

здесь Ц, С0 - цена реализации продукции и её себестоимость при производстве на неэродированных почвах, еу - коэффициент вариации урожайности. Зависимость получена для примерно одинаковых технологий возделывания культур на неэродированных и эродированных почвах. Для прогнозирования значения величины Ц/С0 используется динамический ряд за предшествующие года (для конкретного хозяйства).

Используя зависимость (23), для каждой культуры выделяются земли, на которых производство будет устойчивым. Земли, производство на которых будет неустойчивым для всех культур (даже с применением специальных технологий для эродированных земель), подлежат временному переводу в другую категорию использования (например, под сенокосы, пастбища).

Таким образом, при сложившейся рыночной конъюнктуре и культуре земледелия эродированные почвы можно эффективно использоваться в производстве сельскохозяйственной продукции.

ВЫВОДЫ

1.Исследованиями капельной эрозии показано, что она существенно влияет на формирование почвенной "корки", а заметные потери почвы, обусловленные ударным действием капель, возможны только для очень коротких и крутых склонов.

2.Установлено, что противоэрозионная стойкость (донная допустимая скорость потока) чернозёма тяжесуглинистого является консервативной характеристикой почвы, не зависящей от продолжительности использования пахотных земель и почвозащитных обработок.

3.Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что для склоновых потоков может применяться формула Шези-Маннинга. Кроме того, теоретически показано, что она является частным случаем решения уравнения Рейнольдса (с учётом ударного воздействия дождевых капель на поток).

4.Разработанный метод дождевания (и дождевальная установка) позволяет получаемые в экспериментах результаты переносить на натурные условия. При этом время на проведение исследований сокращается на порядок по сравнению с проведением натурных наблюдений за дождевым стоком и смывом почвы.

5.Созданная во ВНИИЗ и ЗПЭ уникальная экспериментальная база для физического моделирования процессов водной эрозии и дефляции почв позволяет получать надёжные данные о механизме этих процессов.

6.С помощью разработанных моделей водной эрозии почв, адаптированного уравнения ветровой эрозии и их компьютерной реализации установлено:

в условиях ЦЧЗ для надёжной оценки значений среднемно-голетнего смыва почвы по натурным данным требуется период наблюдений не менее 20 лет;

проведены оценки:

- эффективности различных агрофонов по отношению к дождевой эрозии почв для условий ЦЧЗ ;

- вероятностных характеристик среднемноголетнего смыва почвы для условий ЦЧЗ, которые необходимы для оценки надёжности про-тивоэрозионных комплексов;

- вклада каждого вида эрозии в потери почвы для условий ЦЧЗ и Ставропольского края.

7. С помощью метода дождевания и имитационной модели установлено, что для условий ЦЧЗ почвозащитные обработки чернозёмных почв (чизельная, безотвальная, нулевая) снижают сред-немноголетний смыв почвы примерно на 20%, а мульчирование соломой в расчёте 2-4 т/га практически предотвращает смыв почвы.

8.Для условий ЦЧЗ снижение интенсивности смыва почвы до предложенных допустимых значений гарантирует с вероятностью 95% защиту почв от эрозии в течение 50 лет.

9.Предложенный алгоритм обеспечивает рациональный выбор и размещение на пахотных землях элементов противоэрозион-ных комплексов.

10.Разработанный критерий эффективности использования эродированных почв позволяет выделять земли с устойчивым производством основных сельскохозяйственных культур в условиях ЦЧЗ.

11.Основу формирования противоэрозионных комплексов на пахотных землях определяют: фундаментальные знания о самих эрозионных процессах, об особенностях их проявления в различных природно-климатических условиях за многолетний период; эрозионные модели; знания об эффективности различных приёмов; допустимый уровень интенсивности этих процессов; алгоритм выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Научно-исследовательским организациям рекомендуется использовать:

- метод дождевания и дождевальную установку в экспериментальных исследованиях дождевой эрозии почв и в оценке эффективности агротехнических приёмов для различных зон России;

- подход к определению допустимых потерь почвы для разработки нормативов допустимого смыва с учётом зональных особенностей;

- компьютерные модели водной эрозии и дефляции почв в исследованиях зональных особенностей проявления этих процессов и в разработке противоэрозионных комплексов.

2. Для условий ЦЧЗ при разработке проектов землеустройства хозяйств проектным организациям рекомендуется использовать автоматизированную систему выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов на пахотных землях. Эта система также может использоваться в учебном процессе в системе среднего и высшего сельскохозяйственного образования.

3.Для принятия решений о более рациональном использовании эродированных пахотных земель хозяйствам рекомендуется в анализе их производственной деятельности применять разработанный критерий эффективности.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Многофакторные зависимости для дождевого стока //Доклады ВАСХНИЛ. 1981. № 1. С. 40-42.

2. Физические уравнения ударного действия дождевых капель о почву II Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. М.: Изд-во МГУ. 1981. С. 128-129.

3. Гидродинамическая модель капельной эрозии почвы //Теоретические и практические вопросы почвозащитного земледелия. Курск. 1981. С. 29-34.

4. Вероятностный подход к прогнозу дождевого смыва почвы // Вопросы повышения эффективности земледелия. Курск. 1983. С. 3-9.

5. К вопросу формирования русел склоновыми потоками //Повышение эффективности противоэрозионных мероприятий. 1984. С. 3-6.

6. Применение теории Прандтля для описания дождевой эрозии почв //Инженерные методы прогноза и борьбы с эрозией почв. Тбилиси. 1987. С. 112-119.

7. Гидромеханическая модель дождевой эрозии почв //Доклады ВАСХНИЛ. 1988. № 9. С. 43-45.

8. Разработка имитационных моделей водной эрозии почв// Почвозащитная технология полива и повышение надёжности противопаводковой защиты. Пущино. 1990. С. 100-102.

9. Имитационная модель дождевой эрозии почв //Доклады ВАСХНИЛ. 1991. № 1. С. 55-58.

10. Математическое моделирование эрозионных процессов // Эро-зиоведение: теория, эксперимент, практика. М. 1991. С. 147-148.

11. Формирование эрозионно устойчивых агроландшафтов //Проблемы ландшафтного земледелия. Курск. 1997. С. 200-206.

12. Выбор противоэрозионных мероприятий на пашне //Земледелие. 1995. № 5. С. 4-6. (В соавт.).

13. Оценка допустимых эрозионных потерь почвы //Доклады РАСХН. 1998. № 1. С. 27-28. (В соавт.).

14. Выбор и оценка критерия эрозионной устойчивости агроланд-шафта на основе компьютерной технологии //Доклады РАСХН. 1994. № 4. С. 23-24. (В соавт.).

15. Устройство для изучения интенсивности капельной эрозии. A.c. 1103147 СССР МКИ5 G 01 №33/24 . Опубл. 15.07.84. Бюл. № 26. С. 123. (В соавт.).

16. Лабораторная дождевальная установка. A.c. 1648288 СССР МКИ5А01 G 25/00 //Б.И. 1991. № 18. (В соавт.).

17. Исследование ручейков малой глубины на гидролотке //НТВ ВНИИЗиЗПЭ. 1990. Вып. 2(65). С. 49-52. (В соавт.).

18. Моделирование размывов малой глубины на гидролотке //Экзогенный морфогенез в различных типах природной среды. М.: Изд-воМГУ. 1990. С. 146-147. (В соавт.).

19. Обоснование параметров модельных дождей при исследовании эрозионных процессов //Доклады ВАСХНИЛ. 1990. № 8. С. 61-63. (В соавт.).

20. Экспериментальный комплекс для моделирования эрозионных процессов // Эрозиоведение: теория, эксперимент, практика. М. 1991. С. 148-149. (В соавт.).

21. Влияние скорости падения капель на сток и смыв почвы //Почвоведение. 1995. № 11. С. 1425-1427. (В соавт.).

22. Эрозионная характеристика дождя //Почвоведение. 1983. № 9. С. 123-125. (В соавт.).

23. Перемещение радиоцезия на склоновых землях и его прогноз при ливневой эрозии почв // Тез. докл. международной конф. "Экологические проблемы сельскохозяйственного производства". Воронеж. 1994. С. 40-41. (В соавт.).

24. К вопросу определения для почвы размывающей скорости водного потока// Повышение эффективности противоэрозионных мероприятий. 1984. С. 7-9. (В соавт.).

р 25. Метод дождевания в почвенно-эрозионных исследованиях/Под ред. В.М. Володина и Ю.П. Сухановского. Курск. 1999. 68 с. (В соавт.).

f 26. Методика разработки систем земледелия на ландшафтной основе. Курск. 1996. 132 с. (В соавт.).

27. Модели управления продуктивностью агроландшафта. Курск. 1998. 215 с. (В соавт.). ^ 28. К вопросу нормирования процессов водной эрозии в условиях интенсивного земледелия Предгорной зоны Краснодарского края //Тез. докл. научно - практической конференции, посвященной 25-летию ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии. Курск. 1995. С. 33-34. (В соавт.).

29. Предельно допустимый уровень эрозии бурых лесных почв Северо-Западного Кавказа в условиях интенсивного земледелия //Почвоведение. 1998. № 2. С. 200-206. (В соавт.).

30. A Rainfall Erosion Model Based on Fundamental Principles of Mechanics //Proceedings of an "International Workshop on Soil Erosion". Moscow. Russia. September 20-24.1993. P.35-44.

31. Evaluating tolerable levels of soil loss on the basis models //Proceedings of an "International Workshop on Soil Erosion". Moscow. Russia. September 20-24.1993. P. 385-390. (В соавт.).

Информация о работе

Сухановкий, Юрий Петрович
доктора сельскохозяйственных наук
Курск, 2000
ВАК 06.01.03

Автореферат

Похожие работы