Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

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

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Способы регулирования почвенно-эрозионных процессов и гидрологического режима агроландшафтов Центрально-Черноземной зоны"

На правах рукописи

КУМАНИ Михаил Владимирович

СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОЧВЕННО-ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА АГРОЛАНДШАФТОВ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика 03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Курск-2003

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии РАСХН и Курском государственном университете

Научные консультанты: член-корреспондент РАСХН,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

В.М. Володин,

доктор сельскохозяйственных наук Г.Н. Черкасов

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

А. Г. Ступаков,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.И. Стифеев,

доктор географических наук, профессор P.C. Чалов

Ведущее учреждение - Орловский государственный аграрный университет

Защита состоится 23 декабря 2003 года в 10—часов на заседании диссертационного совета Д 006.016.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии по адресу: 305021, г. Курск, ул. К. Маркса, 70-6, ВНИИЗиЗПЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и защиты почв от эрозии

Автореферат разослан «15 » ноября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

М.Г. Агаркова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Задачами современного сельскохозяйственного производства являются оптимизация землепользования и охрана окружающей среды. Реализуются эти направления путем разработки систем земледелия на ландшафтной основе с целью регулирования режимов функционирования агроландшафта и управления продуктивностью агроэкосистем. На современном этапе существенным обстоятельством является осознание необходимости более полно учитывать то, что агроландшафт является природно-антропогенной ресурсовоспроизводящей и средообразукяцей геосистемой.

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

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

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

Изменяющиеся условия влагообмена в агроландшафтах приводят к развитию эрозионных процессов на пашне, активизации овражной эрозии, что, в свою очередь, вызывает деградацию почв, снижение уровня стояния грунтовых вод, изменение гидрологического, гидрохимического и биологического режимов водотоков и водоемов. Кроме того, потоки поверхностного и подземного стока являются агентами, непосредственно связывающими все элементы естественных и антропогенных экосистем и обеспечивающими перенос вещества и энергии от элементарных природных комплексов к системам более высокого ранга. Эти энергетические потоки определяют условия формирования макро- и микрорельефа территории, условия вегетации растений, жизнедеятельность животных, микроорганрдм^',*ДС§3|дуц^ щццес-сов формирования или разрушения почвенного I

1 ЪЛвшЛш и i I

з ! «SyEfe-/ ¡

18 J¿9

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

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

Цель обусловила постановку следующих задач исследования:

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

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

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

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

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

Для анализа влияния сельскохозяйственной деятельности на гидрологический режим, химический состав воды и русловые процессы в агроланд-шафтах ЦЧЗ использованы данные многолетних наблюдений на реках Курской и сопредельных областей на водомерных постах и гидрологических станциях УГКС ЦЧО, службы мониторинга Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Курской области и других организаций, в том числе использованы данные экспедиционных исследований поверхностных водотоков и водоемов, организованных и проведенных под ру-

I «О < 4

* *

ководством автора в период с 1995 по 2003 год при участии студентов, аспирантов и преподавателей Курского государственного университета.

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

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

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

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

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

Практическая значимость полученных результатов исследований:

* созданная на базе статистической обработки обширного объема данных наблюдений математическая модель водной эрозии позволяет с высокой степенью надежности оценивать последствия эрозионных процессов при сельскохозяйственном использовании земельных угодий;

* разработанные методы и критерии позволяют определить оптимальные комплексы противоэрозионных агротехнических, гидро- и лесомелиоративных мероприятий на пашне;

* оптимизация гидрологического режима почвогрунтов обеспечит снижение смыва почвы с пашни, повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий, сохранение или расширенное воспроизводство почвенного плодородия;

* методы биологической индикации состояния водных биоценозов адаптированы для условий Курской области и внедрены в ее систему экологического мониторинга.

Исследования выполнялись в рамках программы экологического мониторинга, разработанной для Курской области с целью усиления контроля за загрязнением водных ресурсов, воспроизводством рыбных запасов и улуч-

шением кормовой базы ихтиофауны; в течение 1995-2000 гг. изучалось состояние водных растений и животных в водоемах и водотоках области.

Основные защищаемые положения:

* метод расчета и прогноза влагозапасов в почве на основе метеорологических данных и территориальных закономерностей динамики влагозапасов;

* математическая модель формирования ливневого и талого стока и смыва на различных почвах, с различных агрофонов и в условиях применения противоэрозионных водорегулирующих приемов и их комплексов на пашне;

* методы оценки водорегулирующей и почвозащитной эффективности противоэрозионных приемов и их комплексов на сельскохозяйственных землях с учетом баланса гумуса и органического вещества почвы, допустимого и компенсированного смыва;

* метод биоиндикационной оценки влияния почвенно-гидрологических процессов на пашне и хозяйственной деятельности на режим стока и качество воды в речной сети, состояние и динамику развития аквальных природных комплексов;

* направление и интенсивность русловых процессов в малых и средних реках в зависимости от интенсивности и особенности сельскохозяйственного освоения их водосборов.

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

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 29 научных и научно-практических конференциях, симпозиумах, совещаниях, в том числе на 1 Приморской конференции по гидрологическим расчетам и использованию водных ресурсов (Владивосток, 1975); всесоюзных конференциях "Теоретические основы противоэрозионных мероприятий" (Одесса, 1979), "Современные аспекты изучения эрозионных процессов" (Новосибирск, 1980); "Молодые ученые и специалисты сельскому хозяйству" (Курск, 1984); международных научных конференциях "Современные экологические проблемы провинции" (Курск, 1995) и "География на рубеже веков: проблемы регионального развития" (Курск, 1999); V и VII международных симпозиумах "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (Белгород, ВИО-

ГЕМ, 1999, 2003), IVIOSTE симпозиуме для стран Восточной и Центральной Европы (Курск, 2003); на пленарных совещаниях Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Волгоград, 2000; Краснодар, 2002; Курск, 2003); международных конференциях по Программе экологического оздоровления Днепра (Смоленск, 2001, 2002; Минск , 2002; Киев, 2002, 2003; Харьков, 2003), международной научно-практической конференции "Модели и технологии оптимизации земледелия" (Курск, 2003).

Публикации. Основное содержание и результаты изложены в 47 научных работах, включая 1 монографию и 3 коллективных монографии.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 426 страницах текста, состоит из введения, 7-ми глав, выводов и приложений. Содержит 68 таблиц, 43 рисунка и список использованной литературы из 424 источников.

Автор выражает глубокую благодарность научным консультантам диссертации члену-корреспонденту РАСХН профессору [В.М. Володину!и д.с.-х.н. Г.Н. Черкасову. Особенно признателен автор профессору В.П. Герасименко, под руководством которого в лаборатории гидрологии ВНИИЗиЗПЭ начиналось данное исследование и были сформулированы его основные задачи и положения.

Неоценимую помощь работе оказали С.А. Павлов, Л.И. Линд, Т.Н. Ла-рикова, доценты И.А. Баусов, H.A. Прудников, A.A. Чернышев, при активном участии которых проведены полевые исследования.

Теоретические аспекты исследуемой проблемы неоднократно обсуждались с докторами наук А.Г. Рожковым. И.П. Здоровцовым. И.Г. Пыхтиным,

Л.Ф. Литвиным и профессором |Г.П. Сурмачем.

Активное участие в выполнении отдельных разделов работы принимали к.г.н. C.B. Ясинский, к.с.-х.н. С.А. Шульга, к.с.-х.н. Т.Я. Зарудная. Автор благодарен коллегам и всем сотрудникам ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии, принимавшим участие в его исследовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ЭРОЗИОННО-СКЛОНОВЫЕ ГЕОСИСТЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЕ.

Глобальные последствия разрушения и деградации агроландшафтов привели к осознанию комплексного характера возникающих проблем и, следовательно, к необходимости их детального изучения и формирования цельного представления об организации и функционировании агроэкосистем, что возможно только на основе применения комплексного ландшафтно-экологического подхода при территориальной организации сельскохозяйственного производства (Кирюшин В.И., 1996, 2000; Кочетов И.С., 1999; Ландшафтное земледелие, 1984,1993, 1994; ЛопыревМ.И., 1995).

Новый этап развития земледелия базируется на принципиально новых теоретических положениях, отражающих закономерности функционирования агроландшафтов как единства природных и хозяйственных компонентов. Использование сельскохозяйственной наукой таких фундаментальных понятий,

как геосистема и агроландшафт, способствует более полному учету всех особенностей сельскохозяйственных угодий. Основным объектом исследований становятся не отдельные морфологические части географических комплексов, а их сопряженные системы в пределах территории, которая достаточна для выявления их закономерных сочетаний, то есть ландшафта (Исаченко А.Г., 1991).

В условиях Центрального Черноземья при разработке систем ландшафтного земледелия в первую очередь следует уделять внимание процессам влагообмена. Изменение режима функционирования водной компоненты в агроландшафтах ЦЧЗ и других регионов сельскохозяйственного освоения склоновых земель приводит к резкому увеличению интенсивности эрозионных процессов на пашне, активизации овражной эрозии. Это вызывает деградацию почв, снижение запасов подземных вод, изменение гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режимов рек и водоемов.

Важной составляющей адаптивно-ландшафтного земледелия является решение сопутствующих экологических проблем. Сельскохозяйственные источники загрязнения вод, одной из основных причин которых является эрозия почв, обусловливают поступление в водоемы огромной массы почвенного субстрата и биогенных веществ. При этом суммарный ущерб от загрязнения природной среды продуктами водной эрозии, от заиления рек и водохранилищ намного превосходит прямой ущерб сельскохозяйственному производству и почвенному плодородию.

Эрозия почв - наиболее мощный и распространенный по площади фактор перераспределения вещества на земной поверхности и основной поставщик наносов и химических элементов в реки и водоемы (Арманд Д.Л., 1955; Кумани М.В., 1999; Морган Р.П., 1984). С пахотных земель России ежегодно смывается 560 млн. т почвенного субстрата (Литвин Л.Ф., 1997).

Кроме традиционного исследования собственно процессов талой и ливневой эрозии в условиях ЦЧЗ и их моделирования, рассмотрены вопросы формирования почвенных влагозапасов как фактора, определяющего не только особенности формирования склонового стока и смыва, но и продуктивность агроландшафтов, урожайность выращиваемых сельскохозяйственных культур. Дана оценка влияния транспорта взвешенных и растворенных веществ в системе овражно-балочных и речных водосборов разного порядка. Методами гидрохимической оценки и биологической индикации установлены экологические последствия поступления в реки загрязняющих веществ и наносов различного происхождения. Оценено влияние склоновой эрозии на русловые процессы в малых и средних реках ЦЧЗ.

2. ТРАНСФОРМАЦИЯ ЗАПАСОВ И ДИНАМИКА ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ В АГРОЛАНДШАФТАХ

В естественных ландшафтных комплексах лесостепной зоны почти вся атмосферная вода впитывается в почву и даже в годы с максимальными сне-гозапасами поверхностный сток с водосборов практически не формируется. В агроландшафтах существенная часть талых и некоторая часть ливневых

вод стекает в виде поверхностного стока. Изменяется тепловой и водный баланс почвы, ее водопроницаемость и водоудерживающая способность.

Все это приводит к трансформации режима почвенной влаги и изменению ее средних многолетних и сезонных запасов в почвенных горизонтах аг-роэкосистем по сравнению с экосистемами. Статистический анализ данных многолетних наблюдений за сезонными изменениями запасов почвенной влаги показал, что в период весеннего снеготаяния максимальное ее количество накапливается в почве под лесом и степными участками, в почвах агроэкоси-стем накопление меньше, особенно в нижних почвенных горизонтах с 50 до 100 см. В течение вегетационного периода почва в агроэкосистемах быстрее теряет влагу, чем в природных экосистемах.

Анализ влагозарядки почв под озимыми и зябью с осени до весны показал, что в 90% случаев почва близка к насыщению, содержание воды в верхних горизонтах, от 0 до 50 см, равно или превышает наименьшую полевую влагоемкость (HB) еще до начала снеготаяния. Насыщение почвы влагой происходит в период осенних дождей и зимних оттепелей. Поэтому за период весеннего снеготаяния запасы воды в почве увеличиваются незначительно, ее впитывается намного меньше, чем накоплено в снежном покрове. Из этого следует, что снегозадержание на полях в условиях ЦЧЗ эффективно только 1-2 раза в 10 лет, в остальных случаях дополнительные запасы снега будут приводить только к увеличению поверхностного стока и смыва почвы в период половодья.

К окончанию весеннего снеготаяния в нижней части почвенного профиля могла бы удерживаться влага, но вода не попадает сюда из-за наличия запирающего льдистого слоя. Снегозадержание имеет смысл проводить только в сочетании с приемами, увеличивающими впитывание воды в почву в период снеготаяния. Наиболее эффективно решают эту проблему лесомелиоративные и гидротехнические приемы на пашне (Гаршинев Е.А., 1982; Иванов В.Д., 1983; Константинов И.С., Яловицкий K.M., 1977).

Особенностями режима влажности почв Центрального Черноземья в теплый период года являются: во-первых, непосредственная зависимость влажности почв от атмосферных осадков; во-вторых, четкий сезонный ход, зависящий от режима температуры и испарения; в-третьих, зимне-весенняя влагозарядка почвы в результате таяния снежного покрова. Предлагаемая нами методика расчета и прогноза запасов влаги в почве учитывает эти особенности. Вычисления для различных типов сельскохозяйственных угодий и природных экосистем производятся по уравнению

W,= 'fia,-{xl-xk,) + Wh,+A()iu), (1)

/-1

где: W, - запасы влаги в почве в слое 0-50 см на расчетную дату вегетационного периода, для данного типа угодий; Wh, - среднее многолетнее значение влагозапасов в слое почвы 0-50 см на ту декаду вегетационного периода, к которой относится расчетная дата; i - индекс, изменяющийся от 1 до т, номер дня (отсчет ведется обратный) от расчетной даты; т - продолжительность периода, за который учитываются предшествующие осадки; а, - коэф-

фициенты, зависящие от типа угодий и номера дня от расчетной даты; х, -фактические или прогностические суточные слои осадков на /-туго дату. Кроме того, это может быть и значение влагозапасов в слое почвы 0-50 см на дату окончания снеготаяния, если эта дата входит в расчетный период. В этом случае значения х, на более ранние даты принимаются равными нулю; х,Ср - средний многолетний слой осадков на г'-тую дату; А - свободный член уравнения регрессии.

Параметры для уравнения (1) представлены в табл. 1. Их анализ показывает, что для степных участков Центрально-Черноземного заповедника и под озимыми коэффициенты а, мало различаются, изменяясь от 0,9 для первого интервала до 0,2 - для седьмого. Продолжительность периода, за который нужно учитывать предшествующие осадки, здесь 50 дней. Для леса коэффициенты убывают более плавно, здесь приходится принимать в расчет осадки за максимально продолжительный период, составляющий 90 дней. Близки между собой значения а; под пропашными и на паровом поле. Здесь значения а, минимальны, они изменяются от 0,55 до 0,07, так же как и продолжительность периода т, равная 40 дням.

Таблица ]

Значения параметров формулы (1) для слоя почвы 0-50 см различных

типов экосистем

Геоэкосистемы, А, при I равном (дни): ш,

агроэкосистемы мм 1-2 3-5 6-10 11- 21- 31- 41- 51- 61- дней

20 30 40 50 60 90

Пар 2,7 0,54 0,40 0,32 0,23 0,13 0,07 40

Пропашные 0,1 0,55 0,50 0,40 0,27 0,19 0,14 40

Озимые 0,6 0,86 0,79 0,70 0,59 0,45 0,34 0,22 50

Степь косимая 4,5 0,95 0,90 0,80 0,60 0,43 0,30 0,23 50

Степь некосим. 3,9 0,83 0,76 0,67 0,57 0,43 0,32 0,21 50

Лес 2,8 0,68 0,63 0,57 0,49 0,40 0,33 0,26 0,22 0,13 90

Полученные результаты вполне соответствуют особенностям влагооб-мена в исследуемых агроэкосистемах. Так, не защищенный растительностью паровой участок и слабо защищенное пропашными культурами поле сильнее всего теряют влагу на испарение, сравнительно быстро иссушаются после весеннего снеготаяния и дождей. В лесу попавшая в почву вода расходуется медленнее, ее влияние прослеживается в течение более длительного периода. Здесь летний минимум влажности почвы наблюдается на месяц - два позже, чем в других экосистемах. Под озимыми культурами и степными ценозами большая часть выпавших осадков идет на увлажнение почвы, но зато растения интенсивней, чем в лесу, расходуют ее на транспирацию, хотя потери и не столь велики и расходование влаги идет дольше, чем на паровом поле и под пропашными культурами.

Выражение (1) для условий ЦЧЗ позволяют учесть все основные закономерности процесса влагообмена в почве различных типов экосистем. Поэтому коэффициенты корреляции между фактическими и вычисленными по всем шести предложенным формулам значениями влажности почвы превы-

шают 0,94. Средние квадратические отклонения находятся в пределах 8-12 мм, что составляет относительную погрешность от 5 до 10%. Это вполне соответствует точности измерения влажности почвы и суточных сумм осадков.

По данным многолетних наблюдений за влагозапасами в почве под различными сельскохозяйственными культурами разработаны диаграммы вероятности установления различной обеспеченности влагой сельскохозяйственных культур по декадам вегетационного сезона. Для оценки влагообес-печенности использованы нормативы, применяемые агрометеослужбой.

С помощью разработанных диаграмм можно оценить условия увлажнения сельскохозяйственных культур в различных агроклиматических районах, дать вероятностную оценку наступления благоприятных и неблагоприятных условий выращивания, оценить возможные потери урожая, наметить зоны и периоды избыточного, благоприятного, оптимального и недостаточного увлажнения. Полученные данные необходимо учитывать при разработке систем противоэрозионных мероприятий в агроландшафтах.

3. СТОК ТАЛЫХ И ЛИВНЕВЫХ ВОД, СМЫВ ПОЧВЫ В АГРОЛАНДШАФТАХ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ

3.1. Методы расчета стока талых и ливневых вод и смыва почвы в период весеннего снеготаяния и выпадения ливневых осадков

Регулирование водного режима предусматривает необходимость регулирования снеготаяния, ливневого стока и экологически безопасное перераспределение водных ресурсов в агроландшафте: корнеобитаемый слой почвы - грунтовые воды — овражно-балочная сеть - речная сеть. Все это одновременно должно обеспечить снижение эрозионных процессов до допустимых пределов (Володин В.М., Масютенко Н.П., 1990).

При этом необходимо развивать балансово-экологический подход к регулированию водного режима, что особенно важно в связи с возрастающими масштабами применения минимальных обработок почвы, способствующих, как правило, увеличению стока с пашни.

В принятой нами расчетной схеме эрозионная опасность пашни устанавливается по 4-м показателям: стоку талых и ливневых вод, смыву почв в период снеготаяния и при выпадении ливневых осадков. Важным является надежность применяемых комплексов борьбы с эрозией почв, особенно если в них используются гидротехнические и лесомелиоративные приемы на пашне. Поэтому нами в расчетах используются не среднемноголетние величины поверхностного стока, а значения талого и ливневого стока 10%-ной повторяемости. Как показывают многолетние опыты в ОППХ ВНИИЗиЗПЭ, такой подход обеспечивает достаточную степень защиты почвенного покрова в сочетании с экономически целесообразными затратами на противоэрозион-ные мероприятия.

На наш взгляд, для условий Центрального Черноземья наиболее приемлемой является методика, разработанная при участии автора в лаборатории гидрологии ВНИИЗиЗПЭ под руководством В.П. Герасименко. Для обоснования предложенной расчетной схемы и определения параметров входящих в нее уравнений были собраны и статистически обработаны практически все

доступные материалы наблюдений, выполненных на необходимом для включения в общую выборку методическом уровне.

Расчет весеннего стока (\Нт, мм) для рабочего участка производится по формуле (Герасименко В.П., 1997; Герасименко В.П., Кумани М.В., 2000) Нт = И-П-<р -Э-Р%-Кс> (2)

где /г - зональный средний многолетний сток талых вод с зяби или уплотненной пашни, мм; П - поправка на тип (подтип) почвы; <р - коэффициент, характеризующий влияние на сток степени эродированности почв; Э - коэффициент, учитывающий воздействие на талый сток экспозиции склона; Р% - ордината кривой обеспеченности для перехода от среднего многолетнего стока, снятого с карт, к стоку 10%-ной обеспеченности; Кс - коэффициент снижения стока почвозащитными агротехническими или гидромелиоративными приемами, применяемыми на пашне.

Расчет весеннего смыва почв (Мт, т/га) производится по формуле (Герасименко В.П., Кумани М.В., 2000)

Мт = р-Мср-Ь-ята.-тг-З-К-Кэ-Кп, (3)

где р - коэффициент, зависящий от степени увлажнения территории; Мср -зональный средний многолетний смыв почвы с зяби или с уплотненной пашни, (т/га); Ь - расстояние от водораздела до створа, для которого определяется смыв почвы (м); а - уклон склона в градусах на расстоянии Ь (м) от водораздела; тт - коэффициент, учитывающий влияние на смыв формы профиля склона; 5 - показатель, характеризующий влияние на эрозию типа (подтипа) почвы; А - коэффициент, отражающий влияние на эрозионные процессы степени эродированности почвы; Кэ - коэффициент, показывающий воздействие на смыв экспозиции склона; К„ - коэффициент снижения смыва применяемыми почвозащитными агротехническими или гидромелиоративными приемами на пашне.

Метод расчета ливневого стока со склонов и балочных водосборов площадью до 2 км2 разработан автором в лаборатории гидрологии ВНИИ-ЗиЗПЭ. Расчеты рекомендуется производить по формуле

=~ -Ар%-К, -Ка-К„-К,, (4)

где Ир% - слой ливневого стока обеспеченностью р%, мм; Ик - картированный слой ливневых осадков (мм) за интервал времени /=30 мин. 50%-ной обеспеченности; Ар% - коэффициент перехода от картированного слоя осадков к слоям стока различной обеспеченности, определяется в зависимости от типа почв; К„ Ко, К„, К- коэффициенты, учитывающие влияние на ливневой сток уклона, агрофона, агротехнических противоэрозионных приемов и залесен-ности склонов (водосборов).

Особенностью предложенной методики расчетов является построенная автором для территории ЦЧЗ карта слоев ливневых осадков за 30-минутный интервал 50%-ной повторяемости.

Средняя многолетняя интенсивность ливневой эрозии (М„, т/га) оценивается по уравнению (Герасименко В.П., Кумани М.В., 2000)

Мл = р •/-I-хтсеТТ-З-А-Аг, (5)

где Лг - параметр, зависящий от вида агрофона в вегетационный период; значения других показателей формулы (5) аналогичны применяемым в (3).

На основе данных, полученных по формулам (2), (3), (4) и (5), устанав-» ливается средневзвешенный сток талых и ливневых вод 10%-ной повторяе-

мости в севообороте с учетом площадей возделываемых культур и агрофо-нов, а также вычисляются средневзвешенные средние многолетние весенний и ливневой смыв почвы. Путем их суммирования находится средний за период севооборота смыв.

3.2. Расчет стокорегулирующей и противоэрозионной эффективности лесомелиоративных и гидротехнических приемов на пашне

Лесомелиоративные и гидротехнические приемы на пашне применяются в большинстве случаев в виде линейных рубежей: водозадерживающих валов-террас и лесополос. Существует несколько видов лесополос. Наиболее эффективными в результате многолетних исследований признаны лесополосы, расположенные, как и валы-террасы, по горизонтали и усиленные внутри или по нижнему краю водопоглощающей канавой с валом. Такая конструкция позволяет не только использовать увеличивающееся впитывание воды в почву в лесополосе, но и дополнительно удерживать определенный объем воды в канаве и перед ограждающим валом. Там, где вода удерживается, создаются условия для более интенсивного напорного впитывания ее в почву. В условиях лесостепной и степной зоны скапливающийся в лесополосах снег препятствует промерзанию почвы, что также обусловливает увеличение впитывания в период весеннего снеготаяния.

Чтобы рассчитать эффективность линейных рубежей разной конструкции, в разных вариантах комплексов противоэрозионных мероприятий необходимо определить объемы поглощения и удержания в них воды в различных почвенных, агротехнических, гидроклиматических условиях склонов определенной протяженности, формы, экспозиции.

Наиболее удобно вести расчеты, определяя значения водоудерживаю-щей способности, выраженные в объемах удержания и поглощения воды на 1 м длины лесополосы или вала-террасы. Они легко пересчитываются в объемы или слои стока, изменяющиеся на участках склона, расположенных как выше, так и ниже линейного рубежа. По величине сокращения стока воды не сложно рассчитать снижение величин смыва почвы. Объем задержания воды в водоудерживающей емкости определяется по формулам

ЖК = И-Ь, (6)

1¥пр=}г2-(с18а-с18/3)/2, (7)

где 1¥к - объем воды, удерживаемый в канаве глубиной Ь и шириной Ь; 1¥щ, -объем воды, удерживаемый в прудке перед валом в лесополосе или валом-террасой на пашне при высоте вала И; а - уклон склона выше гидротехнического сооружения, в затапливаемом водой прудке; р— уклон верхнего откоса ограждающего вала.

Сложнее определить объем воды, впитавшейся в почву перед гидротехническим сооружением. Он зависит от многих причин, изменяющихся в зависимости от типа почв, их механического состава, характера растительно-

сти, возраста лесополосы, ее ширины. Кроме того, впитывание, особенно в период весеннего снеготаяния, зависит от промерзания и влагозапасов в почве, от запасов воды в снеге, продолжительности и интенсивности процесса снеготаяния. <

Для решения поставленной задачи нами использован эмпирический вероятностный подход. Рассмотрим методику расчетов на примере одного из водосборов стационарного опытного участка по Оценке эффективности контурно-мелиоративного земледелия в опытно-производственном хозяйстве ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии. Опыт проводится под руководством И.П. Здоровцова с 1983 по 2003 год. Участок расположен на склоне юго-восточной экспозиции на черноземах слабо- и среднесмытых. Средний уклон склона около 2,5°, площадь водосбора 46,4 га. Лесополосы расположены по горизонталям через 216 м, усилены валом и канавой по нижней кромке. Суммарная длина лесополос на водосборе около 1600 м. Для избытка воды, которую лесополосы не удерживают, организован залуженный многолетними травами водосброс.

В табл. 2 приведены исходные данные по годам наблюдений и по уравнению водного баланса рассчитана суммарная величина слоя воды, впитавшейся в почву и испарившейся с поверхности водосбора, или величина потерь стока. Разница между впитыванием на участке с лесополосами и на контроле соответствует дополнительному поглощению воды в лесополосах. Слой поглощенной в лесополосах воды сильно изменяется по годам: от 95,6 мм в 1994 г. до 0 мм в 1989 г.

Таблица 2

Водопоглощение (мм) лесополосами, расположенными по горизонталям с интервалом 216 м, ранжирование по стоку с контроля (Здоровцов И.П., Кумани М.В., Зарудная Т.Я., 2001)___[_

Контроль Лесополосы Впиты-

№ Год Агрофон Запас Сток Впиты- Запас Сток Впиты- вание в Р,

воды вание воды вание лесопо- %

лосах

1 1994 Зябь 142,5 120,1 22,4 147,0 29,0 118,0 95,6 9,1

2 1987 Зябь 121,0 31,7 89,3 145,0 20,0 125,0 35,7 18,2

3 1986 Зябь 67,0 28,0 39,0 67,0 27,0 40,0 1,0 27,3

4 1993 Зябь 65,3 26,8 38,5 71,0 23,8 47,2 8,7 36,4

5 1990 Упл. паш. 51,0 26,0 25,0 85,0 9,0 76,0 51,0 45,5

6 1988 Зябь 113,0 25,0 88,0 130,0 11,0 119,0 31,0 54,5

7 1992 Мн. тр. 52,3 3,5 48,8 77,0 2,2 74,8 26,0 63,6

8 1991 Зябь 69,7 1,7 68,0 85,0 2,8 82,2 14,2 72,7

9 1995 Зябь 96,0 0,4 95,6 106,0 1,8 104,2 8,6 81,8

10 1989 Зябь 30,0 0 30,0 30,0 0 30,0 0 90,9

Среднее 86,4 26,3 51,5 101,4 12,7 78,6 27,2

Среднее за период эс )фективного впитывания 44,4

На рис. 1 представлены по годам кривые запасов воды на начало снеготаяния на контрольном и опытном участках, сток воды с них и впитывание воды лесополосами. Годы расположены не в календарном порядке, а ранжированы по убыванию величины стока с контрольного участка. Сток с контроля является показателем водности года, его эрозионной опасности. Поглощение воды лесополосами имеет тенденцию убывания в зависимости от водности года, слоя и объема сформировавшегося поверхностного стока. Максимальное поглощение отмечено в 1994 г., когда при максимальных запасах воды в снеге одновременно отмечен максимальный сток как на контрольном, так и на опытных участках. Причина больших значений стока с зяби в этом году обусловлена, кроме максимальных запасов воды в снеге, еще и достаточно сильным промерзанием почвы на пашне. В то же время в лесополосах почва промерзла незначительно, всего на глубину 29 см. Слабое промерзание почвы в лесополосах и обильное поступление в них воды с расположенных выше участков пашни обусловило максимальные за весь период наблюдений величины впитывания.

Рис. 1. Кривые повторяемости характеристик стока на участке с лесополосами. Обозначения: 1 - запас воды в снеге на водосборе с лесополосами (мм); 2 - сток воды за период половодья с контрольного водосбора (мм); 3 -сток воды с водосбора с лесополосами (мм); 4 - впитывание и задержание воды лесомелиоративными и гидротехническими сооружениями (мм); Р,%~ повторяемость стока с контрольного водосбора (%).

В течение четырех лет сток как с контрольного водосбора, так и с водосбора с лесополосами был практически нулевым. Незначительной за эти годы оказалась и величина впитывания воды в лесополосах: от 0 до 8 мм. Ясно, что в эти годы малые величины впитывания в лесополосах обусловлены не их водопоглощающей способностью, а дефицитом воды, в них поступавшей. Поэтому в нижней части табл. 2 приведены средние величины всех гидрологических показателей за весь период наблюдений, а величина впитывания воды в лесополосах еще и за период эффективного водопоглощения. Под

периодом эффективного водопоглощения мы предлагаем понимать годы, когда сток с контрольного участка был существенно больше, чем с опытного, поэтому объем воды, поглощенный в лесополосах, зависел только от их впитывающих способностей в период весеннего снеготаяния. К таким годам « следует отнести и 1993 год, когда водопоглощение в лесополосах было ограничено не объемом стекавшей с пашни воды, а интенсивным промерзанием почвы.

Из данных табл. 2 видно, что если среднее за десятилетний период суммарное значение удержания и впитывания равно 27,2 мм в расчете на всю площадь экспериментального водосбора, то за годы эффективного впитывания его средняя величина составила 44,4 мм, или 12,9 м /м. Из них на заполнение прудка и канавы приходится 7,4 м3/м, а объем впитавшейся за это же время воды составил 5,5 м3/м.

Аналогичным образом были обработаны данные наблюдений за водо-поглощением в лесополосах и на валах-террасах на различных типах почв, проведенные рядом авторов, результаты приведены в табл. 3. Ее данные характеризуют эффективность лесомелиоративных и гидротехнических приемов на пашне и использованы нами в расчетах. В соответствии с водорегулирующей эффективностью рассчитаны коэффициенты снижения смыва ниже лесополос и валов-террас на пашне по разработанным формулам.

Таблица 3

Объемы впитывания воды в период снеготаяния на различных линейных рубежах (м3 на 1 м ширины склона)_

Противоэрозионные Тип Впитывание воды

мероприятия почвы в прудке, м3

Валы-террасы Черноземы 1,8

Лесополосы Черноземы 5,5

Валы-террасы Серые лесные 0,9

Лесополосы Серые лесные 1,8

Лесополосы Каштановые 1,8

3.5. Расчет допустимого смыва почв в агроландшафтах

При разработке систем почвозащитного земледелия одним из важнейших показателей их эффективности является величина допустимого смыва. Большинство исследователей сходятся во мнении, что допустимый смыв соответствует такому количеству почвенного вещества, вынос которого с сельскохозяйственных угодий в результате водной эрозии или дефляции компенсируется процессами почвообразования. Предложено большое количество методов определения допустимых потерь почвы. Как правило, расчеты сводятся к тому, чтобы после внедрения противоэрозионного комплекса на определенном участке пашни фактический или расчетный смыв в среднем за расчетный период не превышал допустимый смыв.

Для определения допустимого смыва можно использовать предложенное В.П. Герасименко (1996) уравнение

М = [(Мз + Мп)/(2 • Б)] ■ (Зс/Зц) ■ (Сг/Сф), (8)

где Мз и Мп- зональный среднемноголетний смыв почвы с зяби и ливневой смыв почвы с чистого пара (т/га); 5"- параметр, зависящий от типа почвы; Зс и Зц - запасы гумуса в почве на несмытой, слабо-, средне- и сильносмытой пашне и на целинном аналоге (т/га).

Эрозионные потери почвы, вынос веществ с урожаем, потери гумуса в результате минерализации компенсируются поступающим извне органическим веществом за счет следующих источников: 1) пожнивные остатки сельскохозяйственных культур, их стерня, корневая система; 2) сидерапьные культуры; 3) внесение органических удобрений: навоз, торф, компосты; 4) оставление на поле всей или большей части нетоварной массы сельскохозяйственных культур.

Плодородие почвы определяется не только общими запасами гумуса, но и количеством органического вещества, не прошедшего стадию гумификации (Ганжара Н.Ф., Кирюшин В.И., 1993). Гумус может использоваться как эквивалент всей совокупности органического вещества почвы.

Математически выше изложенное выражается уравнением баланса гумуса (Методические указания..., 2000):

(У„-К0-Кг-Ку + Уи-Кг-Ку + М„-Кги) - (3-Км-у+ 0,01 -М-Г) >0, (9) где У„ - урожайность сельскохозяйственных культур (т/га); К0 - коэффициент накопления пожнивно-корневых остатков; Кг - коэффициент гумификации накопленного органического вещества растений; Ку - коэффициент снижения урожайности на почвах разной степени смытости; 3 - запасы гумуса в пахотном слое почвы (т/га); Км - коэффициент минерализации гумуса; у — коэффициент уменьшения потерь гумуса при почвозащитных обработках почвы; М - средний годовой за период севооборота смыв почвы (т/га); Г — содержание гумуса в подверженном эрозии слое почвы (%), У„ - масса нетоварной продукции (т/га); Мн - масса органических удобрений, внесенных за расчетный год (в среднем за период) (т/га); Кгн - коэффициент гумификации органических удобрений.

Нами предлагается использовать при оптимизации комплекса почвозащитных мероприятий понятие «компенсированного смыва» (Мк, т/га), под которым предлагается понимать величину смыва с учетом поправки на восстановление количества гумуса в пахотном горизонте, и рассчитывать по формуле (Володин В.М., Кумани М.В., 2001)

Мк = М- (М„ ■ К1 ■ 100/Гс, (10)

где М- средний годовой суммарный смыв почвы талыми и ливневыми водами за период севооборота, (т/га); М„ - доза органических удобрений, внесенная в среднем за период севооборота (т/га); Кг - коэффициент гумификации органических удобрений; Ге - содержание гумуса в пахотном слое (%).

Компенсированный смыв показывает, какая часть потерь почвы и содержащегося в ней гумуса восстанавливается в конкретных севооборотах системой противоэрозионных мероприятий в разных частях рабочего участка. Если Мк > 0, то это свидетельствует о недостаточном уровне защиты почвенного покрова и его разрушении, при Мк = 0 - о сохранении и при Мк < 0-о повышении потенциального почвенного плодородия.

3.6. Моделирование противоэрозионных комплексов в агроландшафтах

При проектировании противоэрозионных комплексов возникает сложная и трудоемкая задача выбора оптимального набора агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических приемов. Оптимальным может считаться такой комплекс мероприятий, который при минимуме капитальных и текущих материальных затрат гарантирует защиту почв от эрозии и воспроизводство почвенного плодородия, а также обеспечивает рентабельное ведение сельскохозяйственного производства (Методическое пособие..., 2001).

Для анализа большого числа вариантов противоэрозионных комплексов разработано программное обеспечение для компьютеров на базе электронной таблицы "EXEL", которое позволяет быстро перепрограммировать и просчитать большое количество вариантов, выбрать из них оптимальные.

Таксономической единицей при расчетах принят элементарный водосбор, то есть территория с однородными условиями формирования стока воды и смыва почв. Водосбор имеет водораздельную линию, распахиваемые склоны и тальвег. Рабочий участок водосбора разбивается на отрезки, и все расчеты в электронной таблице ведутся для этих отрезков, что позволяет контролировать состояние почвенно-гидрологических процессов на всем протяжении рабочего участка.

Оптимальная длина отрезков должна соответствовать или быть кратной максимальной ширине захвата сельскохозяйственной техники при обработке почвы, посеве и уборке культурных растений. Исходя из этих соображений, длина отрезков принята равной 21,6 м.

Оценка эрозионной опасности рабочего участка ведется для различных севооборотов и применяемых в них противоэрозионных приемов, расчеты выполняются по уравнениям (2), (3), (4) и (5). Вычисляется баланс гумуса с учетом его минерализации, эрозионные потери и дозы внесения органических удобрений по (9) и компенсированный смыв по (10). Данные по балансу гумуса, допустимому стоку, компенсированному и допустимому смыву являются критериями для выбора комплекса противоэрозионных мероприятий.

Рассмотрены варианты севооборотов, обеспечивающие разную степень защищенности почвы от смыва: зернопаропропашной (контроль); зернопро-пашной с применением занятого пара, безотвальной обработки и почвоуглубления; зернотравяной; травяно-зерновой.

Кроме того, при моделировании рассматриваются различные почвозащитные приемы, такие как щелевание, мульчирование почвы нетоварной продукцией. В качестве лесомелиоративных и гидротехнических приемов в расчетах используются валы-террасьт на пашне и лесополосы, усиленные валом и канавой, располагающиеся по горизонталям, перпендикулярно линиям стока. Алгоритм выбора оптимального севооборота и комплекса противоэрозионных приемов иллюстрирует рис. 2.

Расчеты почвоводоохранной эффективности всех вариантов севооборотов и применяемых в них почвозащитных arpo-, лесо- и гидротехнических мероприятий проводятся в несколько этапов. Сначала рассматриваются только агротехнические почвозащитные приемы, в том числе севообороты, диф-

ференцированные для разных частей склонов. Результаты анализируются в интерактивном режиме: если рассчитанные сток и смыв не превышают допустимых значений, то это свидетельствует о достаточной защите почвы и сохранении ее плодородия. В этом случае расчеты прекращаются и принимается данный вариант агротехники.

-40 -—

0 200 400 600 800

35

-10

0 100 200 300 400 500 600

Рисунок 2. Рассчитанный средний многолетний смыв почвы в различных севооборотах на темно-серых лесных почвах (а) и черноземах (б).

Обозначения: 1 - зернопропашной севооборот с противоэрозионными агротехническими приемами; 3 - то же, но компенсированный смыв (10 т/га органики в севообороте); 2 - почвозащитный зернотравяной севооборот, 4 -то же, но компенсированный смыв; 5 -зернопропашной севооборот с мульчированием, 6 - то же, но компенсированный смыв.

Если агротехнические приемы не позволяют достичь желаемого результата, в расчеты вводятся линейные рубежи на пашне. Правильнее всего

начинать их размещение сверху вниз по склону с того отрезка, на котором рассчитанный смыв начинает превышать допустимый (компенсированный). Решение о том, какой линейный рубеж использовать (лесополосу или вал-террасу), принимается в зависимости от величины стока и объема воды, поступающей к сооружению с верхней части склона.

Если использование всех вариантов противоэрозионных комплексов не позволяет обеспечить сохранение почвенного плодородия в нижней части склона, тогда необходимо выведение таких участков из состава пахотных угодий для последующего их залужения или залесения. На границе пашни и овражно-балочной сети для снижения стока до допустимого уровня применяются прибавочные лесные полосы с валом и канавой.

Выбор оптимальных вариантов противоэрозионных комплексов для различных хозяйственно-экономических условий рассмотрим на примере эрозионно опасного склона северо-восточной экспозиции длиной 870 м на серых лесных почвах.

Вариант 1. Комплекс, позволяющий снизить сток воды и смыв почвы до допустимых величин в условиях зернопропашного севооборота. Этот комплекс включает противоэрозионную агротехнику (безотвальную обработку под зернобобовые и глубокую вспашку под сахарную свеклу) и линейные рубежи: 2 лесополосы с валами и канавами, удаленные на 470 и 770 м от водораздела, прибалочную лесополосу с валом и канавой, вал-террасу на расстоянии 590 м от водораздела. Для компенсации минерализации гумуса в севообороте необходимо вносить на несмытых почвах 16 т/га органических удобрений, на слабосмытых - 12 т/га, на среднесмытых - И т/га, на сильно-смытых - 6 т/га плюс но 10 т/га на компенсацию потерь гумуса от эрозии.

Вариант 2. С мульчированием нетоварной продукцией сельскохозяйственных растений. Комплекс без противоэрозионных линейных рубежей, позволяющий снизить до допустимых величин только смыв почвы. Он включает: в верхней части склона зернопропашной севооборот с мульчированием нетоварной продукцией плюс внесение 10 т/га органических удобрений в севообороте; в нижней части склона - зернотравяной севооборот с многолетними травами 2-го и 3-го года жизни и мульчированием нетоварной продукцией.

Вариант 3. Без мульчирования нетоварной продукцией. Комплекс без противоэрозионных линейных рубежей, позволяющий снизить до допустимых величин только смыв почвы. Он включает: в верхней части склона зернопропашной севооборот с противоэрозионной агротехникой и внесение органических удобрений как в варианте 1; в средней части склона - зернотравяной севооборот с внесением 10 т/га органических удобрений в севообороте I только для компенсации смыва почвы; в нижней части склона - травяно-зерновой севооборот. Этот вариант комплекса обеспечивает восстановление почвенного плодородия на средне- и сильносмытых почвах без дополнительного внесения органических удобрений.

Предложенный метод моделирования противоэрозионных комплексов на ПЭВМ с применением электронных таблиц позволяет проанализировать

большое количество вариантов защиты почвы и выбрать в каждом конкретном случае наиболее приемлемый.

4. ВЛИЯНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА СТОК РЕК ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ

Оценить влияние сельскохозяйственного производства на сток рек -довольно сложная задача, так как он зависит от комплекса природных факторов, связанных в основном с погодно-климатическими и физико-географическими условиями, и антропогенных воздействий, вызванных не только сельскохозяйственной, но и другими аспектами деятельности человеческого общества.

Для оценки трансформации поверхностного стока под влиянием только (или хотя бы преимущественно) сельскохозяйственного производства были использованы многолетние наблюдения на р. Тускарь в створе у г. Курска, с высоким уровнем сельскохозяйственного освоения водосбора и одновременно небольшой площадью урбанизированных территорий, без крупных предприятий - потребителей поверхностных или подземных вод.

На водосборе р. Тускарь выше г. Курска существуют 82 пруда с суммарным объемом 36,6 млн. м воды. На рис. 3 показана динамика нарастания объема прудов по мере их строительства. Интенсивное строительство прудов началось в 50-е годы, но основные объемы были введены в период с 1970 по 1985 гг., когда их суммарный объем увеличился более чем в 4 раза. В 1990-е годы строительство прудов практически прекратилось. Большинство прудов являются водоемами комплексного назначения, то есть используются для водоснабжения, регулирования стока, рыборазведения и рекреации.

В гидрологическом режиме рек пруды играют важную роль, накапливая воду в период весеннего половодья, дождевых паводков и пополняя сток рек и водоносные горизонты в засушливые, меженные периоды. Большинство прудов было построено для сельскохозяйственных предприятий и принадлежит им. Объем прудов составляет 11% от годового стока и 21% от объема стока весеннего половодья. Пруды являются важной частью современных аг-роландшафтов, оказывая существенное влияние на их водную компоненту.

При расчетах гидрологических характеристик р. Тускарь использованы материалы многолетних наблюдений на гидрологическом посту у г. Курска с 1925 по 1999 год. Площадь водосбора реки 2380 км, залесенность 5%, распа-ханность 70%, площадь озер и болот менее 1%.

По режиму стока р. Тускарь относится к восточно-европейскому, или русскому, типу. Для него характерно преобладание снегового питания, обуславливающего весеннее половодье, когда на реке проходит до 70 - 80% годового стока. Грунтовое питание составляет 10%, а дождевое — 5%. Зимой и летом в реке наблюдается межень, нарушаемая дождевыми паводками в летнее и осеннее время и паводками в период зимних оттепелей (табл. 4).

Анализ многолетних колебаний гидрологических характеристик реки ► Тускарь выполнен с помощью разностных интегральных кривых (РИК) (рис.

4, 5). За последние 75 лет минимальный зимний и летний сток сначала были ниже средних многолетних значений, о чем говорит ветвь спада РИК в пери-

од с 1926 по 1940 год для зимнего стока и с 1926 по 1978 год - для летнего. На кривой минимального летнего стока затем выделяется период, когда сток колебался в пределах средних многолетних значений с 1940 по 1978 г. Затем минимальный сток стал превышать среднее значение, о чем говорят ветви подъема с 1978 по 2001 гг.

1945

1955

1965

1975

1985

1995

2005

Рис. 3. Динамика нарастания суммарного объема прудов на водосборе рек Тускарь и Сейм с 1950 по 2000 гг.

Обозначения 1 - Тускарь до г. Курска; 2 - Сейм до г. Курска; 3 - Сейм до с. Лебяжье (ниже г. Курска и ниже устья р. Тускарь).

Таблица 4

Статистические характеристики различных элементов

Статистические характеристики Характеристики стока

Н годовой мм Qmax вес. м3/с Qmin лет м3/с Qmin зимн м3/с

Среднее за 1925 - 1999 г. 135,7 258,5 2,81 3,18

Среднее за 1925 - 1987 г. 139,1 288,6 2,69 3,05

Среднее за 1988 - 1999 г. 117,6 100,9 3,41 3,87

Ср. квадратич. откл., ст. 40,0 197,2 1,34 1,38

Коэффициент вариации, Су 0,30 0,76 0,48 0,43

Максимальное значение 258,0 824,0 7,45 8,40

Минимальное значение 59,0 16,3 0,58 1,30

Обратная картина наблюдается для слоя стока за период половодья и максимальных суточных расходов воды на пике половодья. С 1926 по 1965 г. сток половодья был выше средних многолетних значений. С 1965 по 1973 г. он колеблется в пределах, близких к средним значениям, а в последние годы наметился четкий спад, особенно сильный в период с 1980 по 2001 г.

Средний годовой сток за все это время изменялся сравнительно мало: его РИК (рис. 5) показывает только небольшие отклонения от года к году, не выявляя устойчивых многолетних тенденций, характерных для минимально-I о и максимального стока.

Рис. 4. Разностные интегральные кривые слоев стока и максимальных расходов весеннего половодья, минимального летнего и зимнего стока р. Тускарь

Рис. 5. Разностные интегральные кривые годовых слоев стока р. Тускарь, слоев годовых и сезонных сумм осадков (г. Курск)

Сравнение РИК характеристик стока р. Тускарь и климатических показателей на ее водосборе (рис. 5) свидетельствует об отсутствии полного совпадения их изменений во времени. Это подтверждается и результатами проведенного корреляционного анализа. Отсюда следует вывод, что колебания стока определяются не только климатическими факторами, но и влиянием хозяйственной деятельности на водосборе.

Рост максимальных расходов воды весеннего половодья и дождевых паводков с одновременным падением минимальных меженных расходов -признак сведения лесов, применения несовершенной агротехники, уменьшения площадей пойменных болот и лугов. Весеннее половодье в таких условиях резко "скатывается" в реку, мало пополняя грунтовые воды, отсюда -уменьшение меженного стока. Напротив, внедрение почвозащитных технологий на полях, посадка лесополос, перевод поверхностного талого стока в грунтовый, строительство водохранилищ и многочисленных прудов, улучшают ситуацию, снижая сток половодья и увеличивая меженные расходы.

Для количественной оценки влияния хозяйственной деятельности на речной сток использован графоаналитический способ (Доброумов Б.М., Устюжанин Б.С., 1980), который заключается в сравнении стока, его различных

элементов в створах, испытывающих влияние хозяйственной деятельности, со стоком рек-аналогов, находящихся в естественных условиях. В ЦЧЗ подобрать такие реки-аналоги, не подверженные влиянию сельскохозяйственного производства, невозможно, так как распаханностъ практически всех водосборов превышает 60 - 80%, а остальные территории заняты сенокосами, пастбищами или урбанизированы, поэтому для сравнения использованы климатические характеристики - слои осадков и температуры воздуха.

Для выявления хозяйственных воздействий построены двойные интегральные кривые (ДИК) суммированных значений стока и метеорологических характеристик, позволяющие графически установить границы периодов с естественным и нарушенным стоком и различным уровнем нарушений. По результатам корреляционного анализа для каждой из гидрологических характеристик была выбрана наиболее тесно связанная с ней характеристика климатическая. ДИК для образовавшихся пар представлены на рис. 6-9.

Отклонение ДИК связи характеристик стока и осадков к оси стока свидетельствует об увеличении коэффициента стока, то есть доли осадков, поступающих подземным или поверхностным путем в русло реки, а отклонение к оси осадков или температур говорит о снижении коэффициента стока для анализируемого гидрологического периода.

На всех представленных кривых заметен ряд переломов, большую часть которых климатическими факторами объяснить невозможно. Следовательно, здесь проявились изменения характера хозяйственной деятельности на водосборе Тускари и других рек изучаемого региона. В основном это изменения сельскохозяйственного производства, связанного с ним гидротехнического строительства и ирригационных мероприятий на водосборах и в поймах рек.

Первый перелом приходится на 1939 -1940 гг., после него увеличились коэффициенты стока летней и зимней межени и уменьшился коэффициент стока весеннего половодья, что могло быть обусловлено изменениями сельскохозяйственного производства в военные и первые послевоенные годы, когда сократились площади посевов и обработка полей с использованием сельскохозяйственной техники.

На 1955 - 1960 гг. пришелся первый период интенсивного строительства прудов. Одновременно на полях стала применяться "травопольная система", улучшалась агротехника. Все это благоприятствовало улучшению водного режима почв и увеличению стока рек в период летней и зимней межени при снижении стока и максимальных расходов половодья.

На период с 1960 г. до начала 70-х гг. приходится снижение коэффициентов меженного стока при увеличении стока половодья. На наш взгляд, это обусловлено сокращением посевов многолетних трав, широким внедрением пропашных культур. Прекратилось почти полностью строительство прудов. В сельскохозяйственный оборот вовлекались новые земельные участки склоновых и пойменных земель, неудобий. Увеличилось поголовье скота и нагрузки на пастбища.

С 1975 г. по 1980 г. произошло увеличение коэффициента стока р. Тускарь в летнюю и зимнюю межень и снижение стока половодья. Этот период характеризуется интенсивным строительством прудов. Внедрялись в сельскохозяйственное производство противоэрозионные приемы и комплексы, создавались полезащитные и водорегулирующие лесные полосы.

16000

14000

0

50

100

150

200

Рис. 6. Двойная интегральная кривая минимального летнего стока и летних сумм осадков

0 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -700

Т зим

0

50

100

150

Qmin зим.

200 250

Рис. 7. Двойная интегральная кривая минимального зимнего стока и зимних температур

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Рис. 8. Двойная интегральная кривая слоя стока половодья и зимних сумм осадков

40000 30000 20000 10000 0

0 2500 5000 7500 10000

Рис. 9. Двойная интегральная кривая годового слоя стока и годовых сумм осадков

Последний период начался с 1981 г. и продолжается по настоящее время. Коэффициенты летнего и зимнего меженного стока несколько снизились по сравнению с предыдущим периодом, но остаются одними из самых высо-

ких за все время наблюдений. Коэффициент стока половодья, его максимальные расходы - самые низкие за все время наблюдений.

Одним из факторов, вызвавших небольшое снижение коэффициентов > меженного стока в последний из периодов по сравнению с концом 1980-х го-

дов, является то, что в это время строительство прудов в основном было пре-

* кращено, но гидротехническая деятельность продолжалась, акцент был пере-I» несен на осушение пойм, болот, создание участков с искусственным орошением. Все это привело к косвенным (при осушении) или прямым (при орошении сельскохозяйственных угодий) потерям стока и незначительному, снижению коэффициента стока по сравнению с предыдущим периодом.

С 1990 г. произошло сокращение площади пашни, орошаемых земель, пришли в упадок дренажные системы на осушенных участках пойм. Все эти хозяйственные тенденции компенсировали, сгладили влияние климатических факторов. Перелома в ДИК, который должен был возникнуть при изменении климатических условий, не произошло.

На ДИК годового стока (рис. 9) отсутствуют заметные переломы, весь исследованный период она представляет собой практически прямую линию. Это говорит о том, что при изменении климатических условий и характера хозяйственной деятельности годовой слой стока и его коэффициент стока сравнительно мало менялся за весь период наблюдений.

Причина этого, по-видимому, в том, что изменения стока половодья и стока летней и зимней межени взаимно компенсировали друг друга. Когда возрастал сток половодья, уменьшался сток меженных периодов и, наоборот. Единственное небольшое отклонение ДИК годового стока и осадков вверх от оси стока произошло после 1970 г. Коэффициент стока незначительно уменьшился. Объяснить это относительное снижение стока можно интенсивным строительством прудов, что приводит к увеличению испарения с их водной поверхности и снижению годового стока.

Таким образом, нами установлено, что сельскохозяйственное производство влияет на общий годовой и сезонный сток рек исследуемого региона, его внутригодовое распределение. Меженный сток за период интенсификации сельскохозяйственного производства 20 века в основном возрастал, а сток половодья снижался. Годовой сток за все время наблюдений под влиянием сельскохозяйственной деятельности изменялся относительно мало, только в последние 30 лет его коэффициент стока несколько уменьшился.

5. ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И КАЧЕСТВА ВОДЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОТОКОВ

Для оценки влияния хозяйственной деятельности на химический состав ^ поверхностных вод Курской области использованы многолетние данные на-

блюдений гидрометеослужбы, природоохранных ведомств и экспедиционные исследования Курского государственного университета за период с 1960 по

* 2003 гг., всего более 60 контрольных створов. Выполненный анализ показал, ^ что основными веществами, загрязняющими поверхностные водотоки и водоемы, являются соединения азота, минеральный фосфор, растворенные органические вещества, определяющие повсеместное, фоновое загрязнение.

Локальное загрязнение в местах сброса нормативно и недостаточно очищенных промышленных и хозяйственно-бытовых вод, кроме того, определяют тяжелые металлы и нефтепродукты. Качество воды изменяется от умеренно загрязненных до очень грязных.

Важно не только оценить совокупное влияние всех видов хозяйственной деятельности на сток растворенных веществ, но и выявить влияние собственно сельскохозяйственного комплекса, его различных отраслей.

В 1990-е годы в Курской области в новых экономических условиях произошли существенные перемены в сельском хозяйстве. Диспаритет цен на сельскохозяйственную продукцию, отрицательные демографические тенденции, многие другие социальные и экономические причины привели к снижению уровня сельскохозяйственного производства. Так, за время проведения экономических реформ в Курской области посевные площади сократились более чем на 20%, внесение минеральных удобрений сократилось почти в 10 раз, а органических почти в 8 раз. Почти в 10 раз сократилось поголовье крупного рогатого скота, практически прекратилось разведение овец. На рис. 10 показана динамика этих процессов по годам.

Площ. пашни, тыс. га,

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

-минеральные удобрения -посевные площади

- органические удобрения ■ поголовье КРС

Рис. 10. Динамика характеристик сельскохозяйственного производства в Курской области

Резкое сокращение и изменение характера хозяйственной нагрузки на агроландшафты Курской области, отмеченное в течение последнего десятилетия, невольно оказалось крупномасштабным экспериментом, позволяющим оценить влияние сельскохозяйственного производства на экологическое состояние и режим гидрохимического стока рек.

В многочисленных научных исследованиях было показано, что в условиях лесостепной зоны Центрально-Черноземных областей России поступле-

ние в реки органических остатков и биогенных веществ происходит в основном за счет водноэрозионных процессов на пашне в период весеннего половодья и ливневых паводков (Бойченко Э.А., Чуян Г.А., Тур О.П., 1985; Бер-" кович K.M., Чалов P.C., Чернов A.B., 2000 и др.). Кроме того, нашими иссле-

дованиями показана существенная роль в поступлении биогенных и органических веществ в реки из-за выпаса крупного рогатого скота (КРС) в поймах У рек и размещения здесь животноводческих комплексов и летних лагерей КРС

(Кумани М.В., 1999, 2000).

Для оценки влияния изменений сельскохозяйственной деятельности на качество поверхностных вод и экологическое состояние водотоков нами использованы материалы многолетних наблюдений за стоком химических веществ на р. Псел в створе у с. Горналь. Длина реки Псел до створа у с. Гор-наль составляет около 200 км, площадь водосбора 6400 км2, это левый приток Днепра. Псел - типичная для ЦЧЗ средняя по размерам река. Средний годовой расход в створе у с. Горналь составляет 15 м3/с. Почвенный покров водо-' сбора представлен в основном черноземами. На водосборе реки отсутствуют крупные промышленные предприятия и населенные пункты, стоки которых могли бы определять химический состав речной воды, пашня занимает 6080% территории.

В качестве характеристик степени воздействия на гидрохимический сток р. Псел хозяйственной деятельности нами рассмотрены концентрации растворенных в воде нитратного и аммонийного азота, минерального фосфора и органического вещества по биологической потребности кислорода (БПК-5). В работе использованы данные многолетних наблюдений Территориального центра государственного мониторинга геологической среды и водных объектов Курской области Министерства природы России.

На рис. 11 показана динамика стока растворенных веществ по сезонам года в среднем за период 1992-2001 гг. Анализ представленных данных позволяет сделать вывод, что все формы азота и растворенные органические вещества попадают в речную сеть в основном за счет весеннего стока и смы-за с сельскохозяйственных угодий. В период половодья, на который приходится 50-60% годового стока рек Курской области, наблюдаются и максимальные концентрации этих ингредиентов, следовательно, за этот период в речную сеть попадает 80-90% их валового годового стока.

Несколько иначе происходит сток минерального фосфора (рис. 11). Во время весеннего половодья его концентрации почти в 2 раза меньше, чем в зимний и летний периоды. Однако за счет наблюдающихся в этот период максимальных расходов воды доля стока фосфора за весеннее половодье со. ставляет более 50% от суммарной годовой величины. Относительно низки " концентрации фосфора и в период зимней межени и ледостава. В летнее время, особенно при формировании летних дождевых паводков, концентрация ' фосфора в речной воде почти в 3 раза увеличивается.

■•♦■•NH4 —Ш—Р минеральный ä БПК5 Ж -N03 —в—N сумм.

Рис. 11. Сезонная динамика стока биогенных веществ. Средние месячные значения концентраций (мг/л)

На наш взгляд, это связано с тем, что основньм источником поступления фосфора в водотоки в летний период являются продукты экскрекции животных при выпасе и размещении летних лагерей крупного рогатого скота в пойме реки. По результатам нашего обследования, в долине р. Псел расположено более 20 лагерей и загонов КРС, значительная часть которых расположена или непосредственно на урезе меженного русла реки, или в прибрежной зоне. Общая численность выпасаемых в пойме животных, по нашим наблюдениям, составляла от 4-5 тыс. в начале периода до 2-3 тыс. - в конце. В результате при выпадении дождей, во время водопоя большое количество органического вещества и фосфора попадает в р. Псел и другие реки Курской области.

Изменения условий и объемов сельскохозяйственного производства в 1990-е годы привели к уменьшению стока биогенных и органических веществ в реки. Их концентрации снизились, загрязнение рек уменьшилось. На рис. 12-14 приведены кривые, характеризующие изменение содержания биогенных и органических веществ в период открытого русла (летняя межень и период осенних паводков), зимнего ледостава и в среднем за год.

Наиболее существенно за 1990-е годы в стоке р. Псел сократилось содержание аммонийного азота. Сокращение в зимний период и в среднем за год произошло в 5 раз, в летний период - в 4 раза. Причем во все сезоны гидрологического года наиболее существенное сокращение пришлось на начало периода - 1992-1995 годы, когда резко сократилось количество вносимых на #

поля минеральных и органических удобрений. Летом, когда поверхностный сток с полей практически прекращается или существенно снижается (в зависимости от погодных условий года), увеличивается роль в выносе азота пой- ф менных пастбищ и лагерей КРС. Поскольку уровень эксплуатации пойменных угодий снизился меньше, чем дозы внесения удобрений, сокращение

стока аммонийного азота в период открытого русла меньше, чем зимой и в среднем за год (рис. 12).

Важно отметить, что в начале периода концентрации аммонийного азота во все сезоны года в 2-2,5 раза превышали предельно допустимые концентрации (ПДК) для водоемов рыбохозяйственного назначения. С 1997 г. концентрации этого вещества ПДК не превышают.

♦ зима —*— откр. русло----ср. год

Рис. 12. Изменение концентраций аммонийного азота в стоке р. Псел за период 1992-2001 гг.

БПК$, мг/л 02

* зима —*— откр. русло......ср. год. 1

^ Рис. 13. Изменение концентраций растворенного органического вещества (по

БПК-5) в стоке р. Псел за период 1992-2001 гг.

I) Существенно сократились и концентрации нитратного азота: в среднем

за год почти в 3 раза, в зимний период в 4 раза. Концентрации летнего периода остались практически неизменными. Общий сток растворенного азота

в летний период сократился за счет его аммонийной формы, что, кроме всего прочего, говорит об улучшении кислородного режима в этот сезон, а следовательно, об улучшении экологического состояния реки.

В 2-3 раза сократился за период исследований и сток растворенных органических веществ (по БПК-5) (рис. 13). Причем наиболее существенное сокращение концентраций отмечено для периода открытого русла, что, как отмечалось выше, связано с общим улучшением экологической обстановки. В зимнее время происходит вынос органики, накопившейся за летний вегетационный сезон в донных отложениях речной сети, разложение и вынос остатков водных растений, поэтому сокращение в этот период менее заметное. Во все сезоны наиболее существенное снижение БПК-5 произошло, как и для аммонийного азота, в начале исследуемого периода, с 1992 по 1996 г. Это указывает на то, что значительная часть поступления органических веществ в реки зависит от ингенсивности эрозионных процессов на пашне и доз внесения органических удобрений на поля.

Сток минерального фосфора в р. Псел за период спада сельскохозяйственного производства изменился меньше всего: средний годовой снизился на 20-30%, за период открытого русла почти не изменился. Сток в зимний период в начале периода даже увеличился, а за 1996-2001 гг. сократился примерно в 1,5 раза (рис. 14). Известно (Чуян Г.А., Ермаков В.В., Чуян С.И., 1986), что фосфор из почвы вымывается медленнее, чем азот и органические вещества.

Р

0.45 0,40 0,35 0,30 0,25 * 0,20 (

0,15 -■-■-.-1-1---

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

------ --------------' Годы

—*— зима —•— отер, русло - - - - ср. год. .

Рис. 14. Изменение концентраций растворенного минерального фосфора в

стоке р. Псел за период 1992-2001 гг. '

Проведенные нами исследования показали, что сток биогенных и растворенных органических веществ в условиях Центрального Черноземья зави- » сит в значительной степени от условий ведения сельскохозяйственного производства: площадей пахотных угодий, доз внесения органических и мине-

минеральный, мг/л

ральных удобрений, выпаса в поймах рек и размещения здесь летних лагерей крупного рогатого скота. Снижение уровня интенсивности сельскохозяйственного производства в 1990-е годы привело к снижению концентраций в речной воде аммонийного азота (в 4 раза), нитратного азота (в 3 раза), фосфора (в 1,3 раза) и растворенных органических веществ по БГЖ-5 (в 2-3 раза).

В результате уровень антропогенного воздействия на агроландшафт-ные комплексы в целом и на интегрирующие его влияние речные системы снизился, экологическое состояние водотоков улучшилось. В стоке р. Псел и других рек на территории Курской области концентрации аммонийного азота и значения БПК-5 в начале периода превышали предельно допустимые концентрации для водоемов рыбохозяйственного назначения, а с 1997 г. - концентрации ниже ПДК.

6. БИОИНДИКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПРЕСНОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

В современной научной и методической литературе используются различные критерии оценки качества воды поверхностных водоемов. Нами использованы индексы сапробности (ИС) - гидробиологические показатели, рассчитанные по методу Пантле и Букка в модификации Сладечека (Sladecek V., 19ТЗ), и гидрохимические показатели - классы загрязнения в зависимости от концентрации растворенных в воде веществ техногенного, биогенного или природного происхождения.

В научной и методической литературе принято, что каждому из 6 классов качества вод соответствует определенный уровень сапробности обитающих в водоеме организмов и соответствующий уровень сапробности самого водоема: ксено-, олиго-, бетамезо-, альфамезо-, поли- и гиперсапробность. Использование такого подхода, когда загрязненность водоема однозначно увязана с его сапробностью, не всегда правомерно. Содержание биогенных веществ и состояние водных экосистем зависят от природно-климатических условий местности, в которой расположен водоем, в такой же мере, как и от антропогенного загрязнения (Афанасьев С.А., 2001; Винберг Г.Г., 1981; Metcalfe J.L., 1989).

Нами предложен подход, состоящий в том, что сапробность водных объектов зависит от их загрязнения, но не идентична ему, так как в некоторых случаях антропогенное загрязнение ведет к увеличению сапробности, а в других - к ее снижению (Кумани М.В., Кичигин Е.В., 1999).

Тогда классификация водоемов по двум принимаемым критериям представляется в виде двумерной таблицы. Первую оценку состояния водоемов и водотоков мы предлагаем условно называть "антропогенным загрязнением", а вторую - "биологической" или "сапробиотической". Каждому состоянию водоемов соответствуют двойные индексы, которыми в дальнейшем мы предлагаем обозначать качество воды и состояние экосистемы водоемов, например БМЗ. Подобный подход нам представляется более универсальным, чем традиционный.

33 ' СШиаШщ,

ОЛ * Т„ |

С 1995 по 2003 г. нами проводился гидробиологический мониторинг, в сферу которого (табл. 5) попали более 50 водных объектов практически всех типов, характерных для Курской области и ЦЧЗ, испытывающие все виды антропогенной нагрузки: от промышленных, бытовых стоков, сельскохозяйственного производства разной интенсивности. Есть ряд створов, позволяющих оценить возможности водотоков по биологическому самоочищению.

В соответствии с общепринятой методикой, на исследуемых водных объектах были отобраны количественные и качественные пробы зоопланктонных организмов с помощью конической планктонной сети Апштейна.

Вычисление индексов сапробности водых объектов в соответствии с обнаруженным составом зоопланктонных организмов проведено по формуле

(17)

где 5 -индексы сапробности; А - относительная частота встречаемости видов, обнаруженных в пробе.

Кроме ИС организмов нами учитывалось индикаторное значение вида по Сладечеку (/=1+5). У водных организмов, которые могут обитать в водоемах разных трофических уровней, /= 1-К2. Другие могут существовать в водных объектах только или преимущественно одного класса сапробности. Такие организмы наиболее ценны для биоиндикации, т.к. четко указывают на то, к какому классу сапробности следует отнести водоем (/=5).

Организмы с индикаторным значением 1 или 2 несут минимум информации о состоянии водоема, в котором они обнаружены. Их индексы сапробности по Сладечеку всегда будут близки к среднему по всем группам сапробности, то есть к 2. Включение в расчеты организмов с низкими индикаторными значениями может существенно искажать истинную картину, особенно когда таких организмов много или они преобладают в выборке. Расчеты с использованием видов с разным индикаторным значением показали целесообразность исключения из выборки видов с /=1 и 1=2.

Отметим еще одно введенное нами дополнение к общепринятой методике. Все природные водоемы в зависимости от индексов сапробности делятся на 6 групп. Причем максимальный диапазон значений ИС отведен для альфа- и бетамезосапробных водных объектов: от 1,5 до 3,5. Для условий Курской области целесообразно введение еще одной промежуточной градации качества вод - альфабетамезосапробной. Она встречается достаточно часто на реках ЦЧЗ. Эта дополнительная градация позволяет более детально классифицировать водоемы с самым характерным для региона трофическим уровнем и загрязнением.

Планктонные организмы, свободно перемещающиеся в текущих речных водах из одного биотопа в другой, из акватории с одним уровнем загрязненности в зону с другими условиями, могут при определенных условиях несколько искажать реальную картину условий каждого конкретного биотопа. Бснтосные организмы, ведущие малоподвижный образ жизни, однозначно являются элементами того биотопа, где они обнаружены.

.1М* ¡И» »<'"'-'• * ; 34

5 - - -1С *

Особенно ценны в индикаторном отношении организмы макрозообен-тоса, так как их легко обнаружить и идентифицировать, а среди них легочные моллюски-фильтраторы перловицы и беззубки. Эти моллюски, фильтруя большой объем воды, очень зависят от качества воды, ее загрязнения. Поэтому нами предпринята попытка классификации качества вод в водоемах Курской области с использованием этих двух видов моллюсков.

Установлено, что численность и размеры перловиц и беззубок, соотношение численности их популяций оказались хорошим дополнением к данным по зоопланктонным организмам, а отсутствие моллюсков перловицы и беззубки - явный признак чрезвычайной экологической ситуации или ' экологического бедствия на реках Курской области.

В табл. 8 помещены результаты комплексной оценки обследованных водных объектов и указаны классы качества воды, к которым они могут быть отнесены. В соответствии с предложенной нами комплексной классификацией экологического состояния водоемов и водотоков обследованные нами водные объекты разделились на 6 основных групп:

1) БМЗ, БМ4 - бетамезосапробные водоемы с незначительно загрязненными водами;

2) АБМЗ, АБМ4 - альфабетамезосапробные водоемы с незначительно загрязненными водами;

3) АБМ5 - альфабетамезосапробные водоемы с загрязненными водами;

4) АМ4 - альфамезосапробные водоемы с незначительно загрязненными водами;

5) АМ5 - альфамезосапробные водоемы с загрязненными водами;

6) ОС4, ОС5 - олигосапробные водоемы с сильно и чрезвычайно загрязненными водами.

Важным выводом из приведенных данных можно считать то, что водоемы с сильно и чрезвычайно загрязненными водами (Хвостохранилище Михайловского ГОКа, р. Чернь, р. Песочная ниже Хвостохранилища) могут быть отнесены к бетамезосапробным или даже олигосапробным водоемам. Сильное техногенное загрязнение оказывается токсичным для всех элементов водных биоценозов и приводит к снижению ИС водоемов.

Высшие водные растения, как и остальные элементы водных биоценозов, могут служить показателем качества природной среды водоемов и водотоков. Их видовой состав, встречаемость, репродуктивность, степень покрытия водной поверхности и другие показатели зависят от прозрачности, цвета воды, наличия в ней минеральных и органических веществ.

В соответствии с рекомендациями при проведении экологических исследований водная флора разделена на 3 эколого-биологические группы -

1) гелофиты - болотные, земноводные прибрежные растения, оптимум произрастания - глубина 0-1,5 м;

2) гидрофиты плавающие - растения с плавающими листьями, оптимум произрастания - глубина 0,6-2,5 м;

биоморфы (Руководство..., 1983):

{

I

35

I 4".

3) гидрофиты погруженные - растения, полностью находящиеся в водной толще, оптимум произрастания - глубина до 3 м.

Таблица 5

№ Пункты наблюдений Классы качества воды

по гидрохимическим показателям по биологич. показателям

зоопланктон. бентосн. моллюски

ИС(Б) КЗП

1 Сейм, с. Лебяжье 3 н.з. 2,05 БМ БМ

2 Сейм, с.Ройково 5 с.з 2,18 АБМ АБМ

3 Сейм, с.Сугрово 3 н.3. 1,83 БМ БМ

4 Сейм, с. Воронино 3 н.з. 2,13 БМ БМ

5 Сейм, с. Березняки 3 н.з. 1,66 БМ БМ

6 Сейм, с. Ржава 3 н.з. 2,01 БМ БМ

7 Тускарь, с. Никулино 4 3. 2,50 АМ АМ

8 Тускарь, д. Долгое 4 3. 2,67 АМ АМ

9 Тускарь, д. Щетинка 3 н.з. 1,53 БМ БМ

10 Тускарь, устье 5 с.з. 2,80 АМ АМ

11 Снова, с. Никулино 5 с.з. 2,27 АБМ АМ

12 Виногробль, устье 5 с.з. 2,21 АБМ АБМ

13 Свапа, с. Сергеевка 3 н.з. 2,08 БМ БМ

14 Свапа,Копенковское водохр. 3 н.з. 1,92 БМ БМ

15 Свапа, устье р. Песочной - - 2,24 АБМ АБМ

16 Свапа, выше у. р. Усожи 4 3. 2,13 БМ БМ

17 Свапа, ниже у. р. Усожи 4 3. 1,91 БМ БМ

18 Свапа, ниже сл. Михайловка 4 3. 2,80 АМ АМ

19 Свапа, с. Ратманово 6 ч.з. 1,51 БМ БМ

20 Свапа, с. Черная грязь 4 3. 2,38 АБМ АБМ

21 Свапа, с. Комаровка 3 н.з. 1,51 БМ БМ

22 Песочная, Хвостохранилище 4 3. 1,30 ОС ОС

23 Песочная, с. Андросово 4 3. 1,30 ОС ОС

24 Усожа, с. Жидеевка 3 н.з. 1,65 БМ БМ

25 Чернь, с. Солдаты 4 3. 1,50 ОС ОС

26 Рясник, х. Михайловский 3 н.з. 2,25 АБМ АМ

27 Рясник, пруд №2 (верхний) 3 н.э. 2,00 БМ АБМ

28 Рясник, пруд №2 (нижний) 3 Н.З. 2,10 БМ АБМ

29 Речица, устье, с. Остапово 5 с.з. 1,66 БМ БМ

30 Псел, г. Обоянь 3 у.з. 2,35 АБМ АМ

31 Псел, с. Гуево 4 3. 1,61 БМ БМ

Из трех выделенных экологических групп растений в наибольшей степени зависят от качества воды гидрофиты погруженные и с плавающими листьями.

По имеющимся материалам установлены предварительные оценки зависимости обилия макрофитов от классов загрязненности изученных водных

объектов. Часть растений представлена практически одинаково в водоемах с различным качеством воды и уровнем сапробности. Другие растения, наоборот, начинают увеличивать свое присутствие при возрастании захрязненно-» сти и сапробности до определенного уровня. Выявлены растения, которые

сокращают свое присутствие при самом незначительном ухудшении состояния водоемов, они могут рассматриваться в качестве индикаторов загрязненности водоемов.

Определенную информацию об экологическом состоянии водных объектов дает количество видов макрофитов и степень зарастания русла. На бе-тамезосапробных водоемах с самыми чистыми в Курской области водами, с незначительным гидрохимическим загрязнением число видов высших водных растений превышает 20-25. Максимальное количество видов (до 30) отмечено на р. Сейме и р. Свапе в районе наиболее благополучных створов. Здесь и зарастание русла невелико, не превышает 20-30%.

На водных объектах со средним уровнем загрязнения и переходным уровнем сапробности (АБМ) количество видов высших водных растений около 20 и интенсивное зарастание русла реки (60-80%). При увеличении содержания в воде биогенных веществ, но незначительном техногенном загрязнением (АБМЗ) русло может зарастать полностью. При уровне загрязненности 5 и 6 классов (сильное и чрезвычайное загрязнение) высшая водная растительность практически отсутствует, встречаются единичные растения.

Таким образом, по общему состоянию высшей водной растительности можно в первом приближении оценить экологическое состояние водотоков и водоемов Курской области, что удобно использовать для экспресс-анализа при обследовании большого количества объектов.

В литературе неоднократно отмечалась способность высших водных растений к очищению водоемов и извлечению различных загрязнений из попадающих в них сточных вод. Особенно эффективны в этом отношении среди макрофитов камыш озерный, тростник обыкновенный, рогоз узколистный, элодея, рдест (Эйнор Л.О., 1992; ОегеЬегд Я.М., ЕПапэ В.У., 1983,1986). Кроме вегетирующих растений определенной способностью удерживать и адсорбировать загрязняющие вещества обладают растительные остатки, накапливающиеся в водоемах и служащие естественным природным фильтром.

На основании наших исследований и опубликованных данных о водоочистительной способности водных растений (Хрисанов Н.И., Осипов Г.К., 1993 и др.) нами была разработана и внедрена система доочистки биологически очищенных сточных вод г. Железногорска на биоплато, использющая контакт сточных вод с высшей водной растительностью, макро- и микроводорослями в проточных условиях. ( В 2000-2003 гг. проведены натурные экспериментальные испытания

способа, где в качестве приемника биологически очищенных сточных вод для доочистки используется биоплато площадью более 20 га, представляющее собой пойменное болото с прилегающими к нему участками пойменного луга и торфяниками, расположенными в пойме рек Речицы и Погаршины в окрестностях г. Железногорска.

Проведенные наблюдения и расчеты гидрохимического баланса показали, что на биоплато во все сезоны года происходит доочистка биологически очищенных сточных вод очистных сооружений практически от всех загрязняющих веществ до концентраций, обеспечивающих нормальное функционирование водных экосистем и приемлемое качество воды. Обеспечивается высокая степень обеззараживания воды, снижается бактериальное загрязнение рек. Предложенный способ доочистки сточных вод защищен па- 1 тентом на изобретение (Кумани М.В., Алешечкин В.Н., 2002).

В результате внедрения этого изобретения получен экономический (около 4 млн. руб. ежегодно) и экологический эффект. Улучшилось качество воды и состояние водных биоценозов р. Свапы, в том числе в районе Березовского водозабора, снабжающего питьевой водой г. Железногорск. Об этом свидетельствуют, в частности, индексы сапробности в р. Свапе, определенные по зоопланктонным сообществам в 2000-2002 гг. Состояние реки вернулось к фоновому, характерному для незагрязненных створов.

7. ВЛИЯНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ МАЛЫХ И СРЕДНИХ РЕК

В лесостепной зоне Центрально-Черноземного района, в условиях сильного расчленения рельефа, хорошего увлажнения и очень высокой степени сельскохозяйственного освоения территории, максимальное развитие получили все виды водноэрозионной деятельности. Средняя многолетняя интенсивность смыва почвенного покрова на пашне Курской области за весь период проявления ускоренной антропогенной эрозии составила 0,46 мм/год. За последние 200 лет эта скорость возросла до 6 мм/год. В результате овражной и линейной эрозии в Курской области сформировалось около 32000 оврагов, количество промоин - в 2-3 раза больше. Общая протяженность оврагов около 6000 км (Рожков А.Г., Гайворон Т.Д., Горина H.A., 1987).

Аккумуляция смытого плоскостной и линейной эрозией материала происходит в различных звеньях гидрографической сети. Около 20% наносов отлагается в балочном звене, около 10% попадает в малые реки, приводя к их обмелению и пересыханию, длины водотоков сокращаются.

Существует мнение, что все перечисленные причины ведут к обмелению рек, снижению в них меженных расходов за счет перехода части стока в подрусловой. Наши исследования показывают, что практически на всех реках области в последние 20-30 лет отмечается не уменьшение, а увеличение стока как летней, так и зимней межени при сокращении объемов весеннего половодья и стабилизации средних годовых расходов (Кумани М.В., 2000).

Определить, какая часть смытого материала попадает в малые и средние реки, что аккумулируется в этих звеньях гидрографической сети, доста- ) точно сложно (Бобровицкая H.H., 1995, Голосов В.Н., Иванова H.H., Панин A.B., 1997). Достоверных данных по транспорту взвешенных и влекомых наносов реками области нет, несмотря на существование сети гидрометрических наблюдений, т.к. низка точность измерений во время весеннего полово- * дья и дождевых паводков, когда в основном и происходит транспорт наносов.

В течение 1995-2003 гг. нами было проведено комплексное экспедиционное обследование более 20 рек Курской области. Полученные в результате данные свидетельствуют о четко выраженной направленности русловых про-■ цессов на всех исследованных водотоках. Русла практически всех рек на пле-

сах заросли высшей водной растительностью и водорослями на 40-90%. В зарослях происходит накопление илистого материала, состоящего из частиц смытых с водосборов почво-грунтов и органических остатков водных расте-9 ний. Мощность илистого слоя местами превышает 1,5-2 м. В нем создаются

анаэробные условия даже в летнее время, когда в остальной части русла хорошая аэрация и достаточно высокое содержание кислорода, близкое к состоянию насыщения.

На перекатах зарастание русла составляет от 40 до 100%. Высокие скорости течения наблюдаются только в небольшой, обычно центральной, части русла. На таких участках дно песчаное, реже каменистое. Но большая часть русла и на перекатах занята зарослями высшей водной растительности, в которой идет накопление ила. В результате по всей длине русла изменяются гидравлические условия. Увеличивается площадь живого сечения при одновременном сокращении площади открытого русла. Снижаются скорости течения, вместо размыва дна и берегов во многих местах происходит накопление наносов. Сокращается не только донная, но и боковая эрозия, так как берега защищены зарослями рогоза, камыша и других растений шириной 5-10 м. Причина происходящих на реках Курской области русловых процессов - водная эрозия на их водосборах, поставляющая в реки не только наносы, но и биогенные вещества, стимулирующие зарастание русел и их заиливание (Кумани М.В., 2000; Ларионов Г.А., Чалов P.C., 1988; Литвин Л.Ф., Кирюхина З.П., 1995).

При очевидной общей качественной оценке происходящих под влиянием хозяйственной деятельности изменений русловых процессов отсутствует их количественная оценка. Не всегда понятна даже общая направленность переформирований русел рек в разных частях гидрографической сети.

Чтобы получить представление о развитии продольного профиля русел рек, необходимо привлечение комплекса гидрологических, геоморфологических и литологических методов. Для получения количественных оценок интенсивности трансформации продольного профиля рек нами были использованы наблюдения на семи водомерных постах рек Курской области с максимальными периодами гидрологических наблюдений, превышающими 50 лет. На основе данных гидрометеослужбы, по кривым связи Q=f(H) за весь имеющийся период наблюдений построены по две кривых H=f(T,Q). Одна -для минимальных расходов и уровней, но такой повторяемости, чтобы они ^ присутствовали на всех или большинстве кривых Q=f(H), а вторая - для мак-

симальных расходов, когда вода еще не выходит на пойму (рис. 15).

Обе кривые в створе р. Сейм у с. Лебяжье за весь период наблюдений ^ показывают снижение уровней прохождения расходов 36 м3/с и 16 м3/с. При

этом падение уровня нижней кривой с 1937 по 1995 г. составило 192 см (3,3 см/год), а верхней - 141 см (2,4 см/год). Русло на протяжении всего периода

практически непрерывно врезалось, причем нижняя часть несколько быстрее, чем верхняя, то есть русло становилось несколько глубже и уже. Аналогично протекало врезание русла р. Свапы у г. Дмитриева и у с. Михайловка.

Свапз-Ст Город

1925 1935 1945 1955 1985 1975 1985 199!

- 0=50мЗ/с ■

- 0=20 ыЗ/с

Сейм-Лебяжье

1935 1945 1955 1965 1975 1885 1995

- 0=50 ыЗ/с •

-0=20мЗ/с

200 150 100 50

Усожа-Фатеж

1945 1 955 1 965 1975 1 985 1 995

300

а 250 о

а: 200

150

Свапа-Локгионово

1945 1955 1 965 1 975 1985 1995

- 0=25мЗ/с •

-0=6мЗ/с

-0=7иЗ/с -4- 0=2мЗ/с

Тускарь-Свобода

250 200 150

1955 1985 1975 1985 1 995

-018мЗ/с ■

- 0=8мЗ/с

Сейм-Зуевка

1945 1955 1 965 1975 1 985 1 995

-0"13м3/с •

-0-8МЗ/С

Рис. 15. Кривые соответственных уровней за многолетний период наблюдений Н=Г(Т,Р) для рек Курской области

Более сложный характер изменения уровней в верхнем течении Сейма у с. Зуевка. С 1952 по 1977 г. происходило врезание русла, но после 1977 |

скорость углубления нижней части русла резко замедлилась. Еще более резко изменился русловой процесс на Сейме у г. Рыльска. Первоначальное падение уровней нижней части кривой сменилось таким же интенсивным его подъемом с 1970 по 1996 год. При этом верхняя кривая весь период циклически ' колебалась в районе одних и тех же отметок. Судя по характеру кривых, рус-

ло в первой половине периода углублялось при уменьшающейся ширине, а во второй половине периода дно поднималось одновременно с расширением г русла.

Все перечисленные створы расположены в среднем течении рек, которые по площади водосборов следует отнести к средним. Эти водотоки обладают большой кинетической энергией, достаточной для поддержания формы " русла. Их транспортирующая способность позволяет не только осуществлять

вынос транзитного потока донных и взвешенных наносов, но и выполнять эрозионную работу в своем собственном русле, углубляя его.

Принципиально другая ситуация на большинстве изученных малых рек. На них практически непрерывно отмечается повышение кривых H=f(T,Q). Интенсивней всего этот процесс на Свале у с. Локтионово: отметки нижней кривой увеличивались на 2,3 см/год, а верхней - на 0,8 см/год. Практически с такой же интенсивностью заиливалось русло Усожи у г. Фатежа. Уровни обеих кривых росли на 1,9 см/год в течение всех 50 лет наблюдений, то есть форма русла в процессе заиливания не менялась. На реке Псел у г. Обояни отметки нижней кривой, а следовательно, и дна реки незначительно колебались у одной и той же отметки с 1954 по 1996 г. Отметки верхней кривой незначительно выросли: на 0,4 см/год. При стабильных отметках дна происходило сужение русла. Причина этого - зарастание берегов прибрежной растительностью и последующее заиливание.

Промежуточное положение занимает русло реки Тускарь у с. Свобода. На этой реке на фоне циклических колебаний с амплитудой 20-30 см за 1520 лет происходит очень медленное углубление нижней части русла (0,7 см/год) в сочетании с неизменньм уровнем верхней кривой.

Таким образом, если в среднем течении средних по размерам рек происходит в основном более или менее интенсивное врезание русла, то в их верхнем течении и на всех остальных малых реках, их притоках наблюдается заиливание. Следует также обратить внимание на перелом в ходе большинства кривых H-f(T,Q) после 1970 г. В этот период произошло снижение интенсивности врезания русел на одних реках и смена врезания на заиливание на других.

Выявленные вертикальные преобразования в руслах рек могут обуславливаться вертикальными тектоническими движениями территории, изменением интенсивности эрозионных процессов на водосборах рек в результате хозяйственной деятельности, изменением водности и связанных с нею руслоформирующих расходов и гидротехнической деятельностью непосредственно в руслах рек, такой как руслоуглубление, строительство плотин,

• спрямление русел и другие (Чалов P.C., Чернов A.B., 1998).

Существенного изменения водности рек за исследуемый период с 1930 по 1998 год не произошло. Поскольку реки области не судоходны, руслоуг-лубительных работ на реках не производилось. Выявленные нами общие

* тенденции вертикальных русловых трансформаций, в общем, неплохо согласуются с новейшими тектоническими движениями. Но интенсивность выявленных русловых процессов, измеряющаяся в сантиметрах в год, не может

соответствовать интенсивности тектонических движений, измеряемых в долях миллиметров.

Одними тектоническими процессами все выявленные закономерности не объясняются, например, наличие перелома в ходе кривых Н=/(Т,0 на большинстве рек после 1970 г. На наш взгляд, причина этого перелома в особенностях применяемых в сельскохозяйственном производстве технологий: распашка пастбищ, пойменных земель почти до урезов рек и бровок овраж-но-балочной сети, интенсивные мелиоративные работы, привели к увеличению площади пахотных земель, увеличению в севооборотах пропашных культур вместо трав и густопокровных культур. Изменилась и сама технология обработки почв: на поля пришла более мощная сельскохозяйственная техника, увеличилась плотность почвы и подплужной подошвы. Этот комплекс причин привел к увеличению и плоскостной, и линейной эрозии (Си-дорчук А.Ю., 1995; Овражная..., 1989). Важный аргумент для доказательства влияния антропогенной, в первую очередь сельскохозяйственной, деятельности на русловые процессы - заиливание русел практически всех малых рек.

Из проведенных исследований следует сделать вывод о существенном влиянии антропогенной, в основном сельскохозяйственной, деятельности на русловые процессы в реках Курской области. В то время как направленность тектонических процессов определяет преобладание врезания русел рек региона, на большинстве малых рек наблюдается процесс заиливания, а на средних реках отмечается тенденция к замедлению или прекращению снижения отметок дна.

ВЫВОДЫ

1. Проведенными исследованиями установлено, что в условиях хозяйственной деятельности человеческого общества происходит изменение естественных природно-территориальных комплексов (НТК), переходящих в антропогенные, с разной степенью трансформации всех элементов. При этом в условиях лесостепных ландшафтов Центрально-Черноземной зоны России одним из основных изменяющихся под влиянием хозяйственной деятельности элементов ландшафтных комплексов оказывается их водная компонента. Разработанные методы расчета и прогноза показали трансформацию всех элементов водной компоненты агроландшафтов: запасов влаги в почве, поверхностного стока и связанного с ним склонового смыва. Почвенно-эрозионные процессы в агроландшафтах изменяют режим стока, русловые процессы, гидрохимический состав и экологическое состояние рек, искусственных и естественных водоемов.

2. Установлено, что в агроэкосистемах происходит трансформация сезонной динамики влагозапасов по сравнению с естественными экосистемами лесостепной зоны (лесом и степью), снижается глубина и интенсивность сезонного промачивания почвогрунтов, возрастают потери влаги на поверхностный сток и испарение. Разработана методика расчета и прогноза запасов влаги по метеорологическим данным для вегетационного периода под различными сельскохозяйственными культурами по уравнению, составляющими которого являются: запасы влаги в почве в слое 0-50 см на расчетную да-

ту вегетационного периода; среднее многолетнее значение влагозапасов в слое почвы 0-50 см; продолжительность периода, за который учитываются предшествующие осадки; коэффициенты, »висящие от типа угодий и номера ( дня от расчетной даты; суточные слои осадков или влагозапасы в слое почвы

0-50 см на дату окончания снеготаяния, если эта дата входит в расчетный период; средний многолетний слой осадков.

Разработаны диаграммы вероятностной оценки влияния многолетней й динамики запасов почвенной влаги на урожайность сельскохозяйственных

культур, которые можно использовать для программирования урожаев и выбора оптимальных агроклиматических и почвенно-гидрологических условий возделывания сельскохозяйственных культур.

3. На основе разработанной при участии автора методики расчета склонового стока и смыва почв в период весеннего половодья и дождевых паводков предложена методика моделирования оптимальных противоэрози-онных комплексов на пашне с применением электронных таблиц ЭВМ. С помощью компьютерного моделирования выполнена оценка противоэрози-онной эффективности различных агротехнических, гидротехнических и лесомелиоративных приемов на пашне. Использование предложенного метода моделирования и оценок противоэрозионных мероприятий позволяет выбирать и размещать оптимальным образом элементы противоэрозионных водорегулирующих комплексов на пашне, используя для оптимизации более 20 различных показателей.

4. В качестве основного критерия выбора оптимальных противоэрозионных комплексов целесообразно использовать понятие компенсированного смыва: такую величину потерь плодородного слоя почвы, которая уравновешивается поступающими на сельскохозяйственные угодья органическими удобрениями - пожнивными остатками и нетоварной массой сельскохозяйственных культур, сидеральными культурами и органическими удобрениями (навозом, торфом и др.). Впервые в качестве критерия оптимальности системы противоэрозионных мероприятий в агроландшафтах предложено использовать баланс гумуса, органического вещества почвы. Оптимальным считается такой противоэрозионный комплекс, который обеспечивает нулевой или положительный баланс гумуса, то есть сохранение или восстановление почвенного плодородия соответственно.

5. Для склоновых земель с черноземными и серыми лесными почвами одним из эффективнейших противоэрозионных приемов в условиях ЦЧЗ является мульчирование почвы нетоварной продукцией сельскохозяйственных растений, позволяющее решить проблемы сохранения почвенного плодородия на склонах длиной до 500 м и крутизной до 5°.

« 6. Установлено, что в условиях ЦЧЗ на сложных склонах большой про-

тяженности достаточную защиту почвенного покрова и решение основных экологических проблем в агроландшафтах обеспечивают только системы противоэрозионных мероприятий с применением агротехнических, гидротехнических (валы-террасы) и лесомелиоративных (лесополосы) приемов на

пашне, обеспечивающих удержание слоя стока весеннего половодья до 80100 мм.

7. Под влиянием сельскохозяйственного производства в агроландшаф-тах трансформируются не только сами сельскохозяйственные угодья, но и ландшафтные комплексы более высоких рангов, изменяется гидрологический режим и экологическое состояние рек, озер, прудов, водохранилищ. В агро-ландшафтах в зависимости от агротехники, интенсивности и культуры производства, системы удобрений, использования различных почвозащитных приемов меняется гидрологический режим рек: внутригодовое распределение стока, сток половодья и меженных периодов, годовой сток. Одним из наиболее существенных элементов агроландшафтов, влияющих на сток, являются пруды и водохранилища: в условиях ЦЧЗ они снижают сток половодья на 20-30%, увеличивая меженный сток на 30-50%. Внедрение противо-эрозионных водорегулирующих приемов и их комплексов снижает сток половодья на 10-15%, увеличивая меженный сток на 15-20%.

8. В условиях интенсификации сельскохозяйственного производства в агроландшафтах ЦЧЗ изменяется гидрохимический состав стока рек, увеличивается содержание растворенных биогенных и органических веществ до концентраций, превышающих ПДК в 3-5 раз по аммонийному азоту, в 2-5 раз по минеральному фосфору, в 1,5-2 раза по БПК5, что приводит к трансформации всех элементов водных и околоводных биоценозов: альгофлоры, макрофитов, зоопланктона, зообентоса и ихтиофауны. Трофический уровень водоемов, их сапробность увеличивается от фоновой бетамезосапробной до альфамезосапробной, что установлено с помощью предложеного метода комплексной экологической оценки трансформации водных биоценозов и качества воды в реках и прудах.

9. Почвенно-эрозионные процессы и вынос биогенных веществ с пашни оказывают существенное влияние на русловые процессы в реках ЦЧЗ. На большинстве малых рек наблюдается процесс заиливания русел со скоростью 0,5-1,5 см/год. В период с 1975 по 1980 год интенсивность этого процесса увеличилась до 2,0-2,5 см/год. При этом на более крупных реках с большей транспортирующей способностью преобладает тенденция к врезанию русел.

10. На основании выявленных в процессе мониторинговых исследований закономерностей загрязнения и самоочищения водоемов и водотоков в агроландшафтах разработана и внедрена система доочистки биологически очищенных сточных вод очистных сооружений г. Железногорска Курской области с использованием биоплато. Разработанный метод доочистки защищен авторским свидетельством на изобретение. В результате доочистки снижено поступление в р. Свапу и ее притоки поступление аммонийного азота в 3-5 раз, минерального фосфора в 1,5-2 раза, растворенных органических веществ и взвесей в 2-3 раза, меди, железа, нефтепродуктов в 2-3 раза. Заметно улучшилось экологическое состояние водных биоценозов р. Свапы. Экономический эффект составляет более 3 млн. руб. ежегодно.

11. Разработанная с использованием предложенных методов моделирования система мероприятий по регулированию почвенно-гидрологических

процессов в агроландшафтах ЦЧЗ позволяет повысить производительность сельскохозяйственного производства, сохранить плодородие почвы, улучшить качество поверхностных и подземных вод, стабилизировать экологическое состояние водотоков и водоемов, тем самым улучшая качество жизни ' населения, обеспечивая экологический, социальный и экономический эф-

фект.

Предложения по практическому использованию результатов ис-,1 следования

1. Научно-исследовательским организациям рекомендуется использовать:

- метод расчета и прогноза запасов влаги в почве по метеорологическим данным;

- метод расчета стока тальк и дождевых вод, смыва почв талыми и дождевыми водами с различных агрофонов;

- методы расчета эффективности различных агротехнических, гидромелиоративных и лесомелиоративных приемов на пашне;

- подход к определению оптимального состава противоэрозионных водорегулирующих комплексов с учетом компенсированного смыва, на основе баланса гумуса и органического вещества почвы;

- компьютерное моделирование отдельных мероприятий и их комплексов по регулированию почвенно-гидрологических процессов на пашне с применением электронных таблиц.

2. Для условий ЦЧЗ при разработке проектов землеустройства хозяйств, проектным организациям рекомендуется использовать разработанную на базе электронных таблиц ЭВМ интерактивную систему выбора и размещения элементов противоэрозионных комплексов на пахотных землях.

3. При разработке природоохранных, в том числе водоохранных, мероприятий при проектировании различных производственных объектов рекомендуется использовать предложенные критерии качества воды и состояния водных биоценозов.

4. Разработанная система расчета и прогноза почвенно-гидрологичес-ких процессов на пашне, моделирования противоэрозионных комплексов, система комплексной экологической оценки состояния водотоков и водоемов могут быть использованы в учебном процессе в системе высшего и среднего специального образования.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Определение нормы влагозапасов в почве на основе территориальных закономерностей // Науч.-техн. бюлл. ВНИИЗПЭ. Вып. 1 (28). Курск: 1978. С. 40-46.

2. Влияние агрофона на коэффициент стока ливневых вод // Науч.-техн. бюлл. ВНИИЗПЭ. Вып. 3 (22). Курск: 1979. С. 8-12.

3. К вопросу о расчете запасов влаги в почве по метеорологическим данным // Науч.-техн. бюлл. ВНИИЗПЭ. Вып. 2 (25). Курск: 1980. С. 14-20.

4. Весенний сток и смыв почв в Центрально-Черноземной зоне // Водные ре* сурсы. 1980. № 1. С. 185-188 (Герасименко В.П.).

5. О применимости и унификации основных методов определения смыва почв // Современные аспекты изучения эрозионных процессов. Новосибирск: Наука, СО АН СССР. 1980. С. 56-60 (.Герасименко В.П.).

6. Методы изучения ливневой эрозии почв в Центрально-Черноземной области и пути их совершенствования // Современные аспекты изучения эрозионных процессов. Новосибирск: Наука, СО АН СССР. 1980. С. 60-64.

7. О возможности уточнения параметров ливней при расчетах максимального дождевого стока со склонов в Центрально-Черноземной зоне // Деп. ВИНИТИ. № 104/10-80, 1981. 23 с. {Павлов С.А.).

8. Определение нормы влагозапасов в почве на основе териториальных закономерностей // // Науч.-техн. бюлл. ВНИИЗПЭ. Вып. 1 (28). Курск: 1981. С. 40-46.

9. Противоэрозионная эффективность стокорегулирующих лесных полос // Гидротехника и мелиорация. 1982. № 3. С. 31-33 (Буруменский B.C.).

10.Метод расчета ливневого стока при проектировании противоэрозионных комплексов в ЦЧЗ // Географические исследования района КМА. М.: МФГО АН СССР. 1983. С.118-132 ÇГерасименко В.П.).

11. Расчет влагозапасов в почве по метеорологическим данным с учетом зональных и азональных особенностей (на примере ЦЧО) // Сб. науч. трудов КГПИ. Курск. 1984. С. 55-66.

12.Методические рекомендации по проектированию комплексов противоэрозионных мероприятий на расчетной основе. Курск: ВНИИЗи ЗПЭ ВАСХ-НИЛ. 1985. 167 с. (коллектив авторов).

13.Расчет влажности почвы при мониторинговых наблюдениях геосистем // Строение и функционирование геосистем. М.: ИГАН, 1986. С. 191-208 {Ясинский C.B.).

14.Выбор слоя-индикатора при мониторинговых исследованиях влажности почвы // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1987. № 2. С. 73-79 {Ясинский C.B.).

15.Методические рекомендации по составлению проектов внутрихозяйственного землеустройства на расчетной основе. М.: ЦНТИПР Госагропрома РСФСР. 1987.90 с. {коллектив авторов).

16.Оценка весенней влагозарядки черноземов // Изучение и оптимизация водных ресурсов Центральной лесостепи: Сб. науч. трудов КО МФ ГО. Курск: 1987. С. 83-91 {Шульга С.А.).

17.Многолетние колебания стока реки Хопер в пределах Хоперского заповедника // Природные условия Курской и сопредельной областей и влияние на них деятельности человека. Курск: Изд. КГПИ, 1991. С. 50-59. 18.Экологические проблемы использования водных ресурсов Курской области // Современные экологические проблемы провинции. Курск. КГПУ. 1995. С. 102-104 {Павлов С.А.).

19.Количественная оценка связи сообщества лесных птиц с местообитаниями в Хоперском заповеднике // Лесоведение. № 12. 1997. С. 89-93 {Золотарев

А,А,)-

20.Районирование ЦЧО по внутригодовому режиму речного стока // Проблемы региональной экологии. Курск: КГПУ. 1998. С. 26-29 {Малыхина Е.И.).

21. Связь водной эрозии с русловыми процессами в условиях ЦЧО // Х1П пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Псков: i 111 IM — МГУ, 1998. С. 108-109.

22.Влияние склоновых эрозионных процессов на водные экосистемы Курской области // XIV пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Уфа: БашГУ. 1999. С. 145-147.

23.Исследование поверхностных вод Курской области биоиндикационными методами // География на рубеже веков: Проблемы регионального развития: Материалы международной научной конференции. Т. 2. Курск: КГПУ. 1999. С. 28-45.

24.0ценка состояния водных биоценозов р. Свапы и ее притоков методами биоиндикации // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях. Материалы V международного симпозиума. Белгород: ВИОГЕМ. 1999. С. 245-254 (Кичи-гин Е.В.).

25.Экологическая оценка современного изменения стока рек, подверженных техногенному влиянию МГОКа // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях. Материалы V международного симпозиума. Белгород: ВИОГЕМ. 1999. С. 96 - 101 (Кичигин Е.В., Клименко H.A.).

26.Антропогенное влияние на русловые процессы рек Курской области // Эрозионные и русловые процессы. Вып. 3. М.: МГУ, 2000. С. 114-123.

27.Рекомендации по регулированию почвенно-гидрологических процессов на пахотных землях. Курск: ВНИИЗиЗПЭ, 2000.105 с. (Герасименко В.П.).

28.Атлас Курской области. М.: Роскартография. 2000. 50 с (коллектив авторов).

29. Моделирование противоэрозионньгх дифференцированных севооборотов в ландшафтном земледелии // Земледелие в XXI веке. Проблемы и пути их решения: Материалы науч.-практ. конф. Курск: ВНИИЗиЗПЭ РАСХН. 2001. С.160—166 (Герасименко В.П.).

30.Принципы построения почвоводоохранных комплексов в ландшафтном земледелии // Почвы и их плодородие на рубеже столетий. Материалы II съезда Белорусского общества почвоведов. Минск: БНИИПА, 2001. С. 33-35 {Герасименко В.П., Черкасов Г.Н.).

31.Оценка водорегулирующей эффективности лесных полос и валов-террас на пашне // Земледелие в XXI веке. Проблемы и пути их решения. Материалы науч.-практ. конф. Курск: ВНИИЗиЗПЭ РАСХН. 2001. С.131-135 (Здо-ровцов И.П., Зарудная Т.Я.).

32. Учет допустимых потерь почвы при проектировании противоэрозионньгх комплексов // XVI пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Санкт-Петербург: ГУВК, 2001. С. 130-132.

33. У чет баланса гумуса при проектировании противоэрозионньгх комплексов //Земледелие. 2001. № 2. С. 20-21 (Володин В.М.).

34.Оптимизация агролаидшафтов и адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Науч. техн. бюлл. ВНИИЗиЗПЭ. Вып. 1 (70). Курск, 2002. 88 с. (коллектив авторов).

35.Принципы построения почвоводоохранных комплексов в земледелии // XVII пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Краснодар: КГАУ, 2002. С. 127— 128.

36.Влияние эрозионных процессов на химический состав поверхностных вод // XVII пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Краснодар: КГАУ, 2002. С. 128-130 {Борзенкова И.А.).

37.Способ биологической доочистки сточных вод // Патент на изобретение RU № 2186738 С2. 7 С 02 F 3/32. Россия. М.:ФИПС. 2002. 3 с. {Алешечкин В.Н.)

38.Моделирование противоэрозионных комплексов с использованием электронных таблиц // Модели и технологии оптимизации земледелия. Курск: ВНИИЗиЗПЭ, 2003. С. 448-451.

39.Изменение режима стока р. Свапы и ее притоков под влиянием хозяйственной деятельности Михайловского ГОКа // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях. Материалы VII международного симпозиума. Белгород: ВИО-ГЕМ. 2003. С. 466-469 {Бобров A.A., Кичигин КВ.).

40.Влияние природных факторов и хозяйственной деятельности на русловые процессы рек Курской области // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях. Материалы VII международного симпозиума Белгород: ВИОГЕМ. 2003. С. 469-473 {Боброва А.И.).

41.Стокорегулирующая эффективность лесных полос и валов-террас на пашне // XVIII пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Курск: КГУ, 2003. С. 6-15 {Черкасов Г.Н.).

42.Изучение прудов Курской области как индикаторов эрозионных процессов // XVIII пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Курск: КГУ, 2003. С. 149-150 {Шумаков А.Н.).

43.Оптимизация агроландшафтов и адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Науч. техн. бюлл. ВНИИЗиЗПЭ. Вып. 2 (71). Курск, 2003. 110 с. {коллектив авторов).

44.1nfluence of urbanized territories of Kursk on the condition of superficial currents // The materials of IV IOSTE Symposium for central and East European countries. Kursk: KSU. 2003. P. 276-278 {Borzenkov A.A.). 45.Determination and investigation of sources polluting small rivers of Central-Chernozem Region by phenols and biogenic substances // The materials of IV IOSTE Symposium for central and East European countries. Kursk: KSU. 2003. P. 243 - 247 {Kometiani I.B.).

46. Влияние рыбного хозяйства на биоразнообразие в бассейне Днепра. Киев: Академпериодика, 2003. - 138 с. (коллектив авторов).

47.Оценка влияния сельскохозяйственного производства на сток органических и биогенных веществ в р. Псел // Водные ресурсы. 2004. № 1. 22 с. (в печати).

в

*

*

\

Подписано к печати 10.11.2003 г. Формат 60x64/16 Печать офсет. Бумага тип. Усл. печ. л. 3,0 Уч.-изд. л. 3,8 Тираж 100 экз. Заказ 1002.

Е-таП:паика@росЫалй.ги

Отпечатано в лаборатории оперативной полиграфии

Курского государственного университета •

I

1 !

^ооЦ

"Тз^рГ

»187 0 9

Содержание диссертации, доктора сельскохозяйственных наук, Кумани, Михаил Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭРОЗИОННО-СКЛОНОВЫЕ ГЕОСИСТЕМЫ (АГРОЭКОСИСТЕМЫ)

И ОСОБЕННОСТИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В ЦЧЗ.

2. ТРАНСФОРМАЦИЯ ЗАПАСОВ И ДИНАМИКА ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ В АГРОЛАНДШАФТАХ.

2.1. Объекты и методы исследования.

2.2. Динамика влагозапасов в вегетационный период в почвах различных агроэкосистем и природных экосистем.

2.3. Территориальные закономерности сезонного изменения средних декадных влагозапасов в почве.

2.4. Динамика накопления влаги в осенне-зимний период и формирование весенних влагозапасов в почве.

2.5. Методика расчета и прогноза запасов влажности в почве по метеорологическим данным.

2.6. Методика использования статистических данных о влажности почвы для оценки влагообеспеченности сельскохозяйственных растений.

3. СТОК ТАЛЫХ И ЛИВНЕВЫХ ВОД, СМЫВ ПОЧВЫ В АГРОЛАНДШАФТАХ ЦЧЗ.

3.1. Метод расчета стока талых вод и смыва почвы в период весеннего снеготаяния.

3.2. Метод расчета ливневого стока и смыва почвы в ЦентральноЧерноземной зоне.

3.3. Влияние мульчирования на сток талых и ливневых вод и смыв почвы.

3.4. Расчет стокорегулирующей и пртивоэрозионной эффективности лесомелиоративных и гидротехнических приемов на пашне.

3.5. Расчет допустимого смыва почв в агроландшафтах.

3.6. Использование системы севооборотов в противоэрозионных комплексах.

3.7. Моделирование противоэрозионных комплексов в агроландшафтах.

3.7. 1. Структура электронной таблицы и исходные данные.

3.7.2. Конструирование противоэрозионных комплексов для рабочих участков.

3.7.3. Анализ результатов моделирования противоэрозионных комплексов и выбор оптимального варианта.

4. ВЛИЯНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА СТОК РЕК

4.1. Многолетние колебания стока рек ЦЧЗ в разные фазы гидрологического режима и связь их с климатическими процессами и хозяйственной деятельностью.

4.2. Оценка изменения водного режима рек под влиянием хозяйственной деятельности с помощью двойных интегральных кривых.

5. ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И КАЧЕСТВА ВОДЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОТОКОВ.

5.1. Экологическая оценка качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям.

5.2. Гидрохимический состав и качество поверхностных вод Курской области.

6. БИОИНДИКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПРЕСНОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ.

6.1. Мониторинг состояния поверхностных вод методами биоиндикации

6.2. Зоопланктонные сообщества как индикаторы сапробности.

6.3. Комплексная оценка состояния пресноводных экосистем и влияния на них хозяйственной деятельности.

6.4. Моллюски как индикатор загрязненности водных объектов.

6.5. Характеристика ихтиофауны и возможности ее использования для биоиндикации.

6.6. Распространение различных экологических групп высших водных растений и их роль в самоочищении водоемов.

6.7. Способ биологической доочистки сточных вод на биоплато.

7. ВЛИЯНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА РУСЛОВЫЕ

ПРОЦЕССЫ МАЛЫХ И СРЕДНИХ РЕК.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Способы регулирования почвенно-эрозионных процессов и гидрологического режима агроландшафтов Центрально-Черноземной зоны"

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

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

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

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

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

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

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

Цель обусловила постановку следующих задач исследования:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Кумани, Михаил Владимирович

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

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

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

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

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

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

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

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

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