Формирование базы данных для проектирования комплекса противоэрозионных мероприятий в адаптивно-ландшафтных системах земледелия

ФОРМИРОВАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСА ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ В АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНЫХ СИСТЕМАХ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

И.В. Подлесных, Т.Я. Зарудная, С.В. Надеин

Аннотация. Предложена структура базы данных для проектирования комплекса противоэрозионных мероприятий при формировании адаптивно- ландшафт -ных систем земледелия. Представлены многолетние мониторинговые данные, подтверждающие роль лесной полосы, как ведущего элемента в борьбе с эрозией почв, начиная с момента её создания.

Ключевые слова: база данных, водная эрозия, про-тивоэрозионные мероприятия, лесная полоса.

Основной проблемой, стоящей перед сельским хозяйством страны, является удовлетворение постоянно растущих потребностей населения в продуктах питания высокого качества, а промышленности - необходимыми видами сырья. Ее решение затрудняется рядом объективных и субъективных факторов, среди которых - падение плодородия почв на склонах, на которых расположены большие площади пахотных земель. В основных земледельческих районах значительно распространена водная и ветровая эрозия почв. Так, в ЦЧР более 60% пашни расположено на склонах разной крутизны и около 21% из них подвержено водной эрозии [1], а в Курской области их насчитывается, по данным последних почвенных исследований, 36% [2]. Во всем Поволжье эрозии подвержено 15 млн. га сельскохозяйственных угодий, в Ульяновской же области - более 63,7 % от площади пашни, причем половина подвержена водной, а вторая - ветровой эрозией [3] .

Для рационального использования склоновых земель в хозяйствах ЦЧР со сложным рельефом и наличием эродированных почв, повышения продуктивности пашни необходимо создание устойчивых агроландшаф-тов и проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ), важнейшим элементом которых является противоэрозионная организация территории. Организация экологически сбалансированного агро-ландшафта состоит из целого ряда звеньев, целостность которых обеспечивается взаимной обусловленностью составных его элементов. Основу такой целостности составляет внутрихозяйственная организация территории с комплексом почвозащитных, водоохранных и других природоохранных мероприятий [4]. В настоящее время требуется противоэрозионная организация территории, с созданием баз данных для автоматизированного проектирования экологически сбалансированного агроландшафта и информационно-технологическое обеспечение. Поэтому создание базы данных для проектирования комплекса противоэрозион-ных мероприятий является актуальной проблемой. Целью создания базы данных является систематизация данных, учитывающих факторы и приемы при проектировании противоэрозионной организации территории. Существенным положением ландшафтно-экологи-ческого подхода в земледелии является использование противоэрозионных линейных рубежей на контурно-мелиоративной организации территории. Реализации этого способствует разрабатываемая нами база данных противоэрозионных рубежей, учитывающая связь между разнообразными факторами, ведущим из которых является уклон территории. Эта система лучше других форм землеустройства и землепользования учитывает гидрологические, почвенные и рельефные особенности каждого земельного массива (контура). Снижая до допустимых пределов сток талых и ливневых вод и смыв почвы, она успешно защищает почву от эрозии, стабилизирует экологическую обстановку, создает условия

для получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.

Противоэрозионные мероприятия выбираются таким образом, чтобы потери почвы не превышали допустимых значений. Задача выбора этих мероприятий не имеет однозначного решения, поскольку можно выбрать различные комбинации мероприятий, снижающие потери почвы до допустимого уровня. При выборе противоэрозионных мероприятий необходимо руководствоваться следующими положениями [4]: 1. Агротехнические и луголесомелиоративные мероприятия (в сочетании с простейшими гидротехническими сооружениями) способны снизить потери почвы до допустимого уровня. 2. Стокорегулирующие линейные рубежи (лесные полосы, лесные полосы с валами-канавами, валы-террасы) требуют относительно больших капитальных вложений и рассчитаны на длительный срок эксплуатации. 3. На площади между линейными рубежами необходимо предусматривать возможность использования разных севооборотов. 4. Эрозионные модели и данные по эффективности мероприятий, которые используются при расчетах, не достаточно совершенны, чтобы в выборе противоэрозионных мероприятий полностью полагаться на результаты расчетов. Поэтому целесообразно привлечь и фактические данные о проявлении эрозии за исторический период использования территории под пашней.

Предлагаемая нами структура базы данных для проектирования комплекса противоэрозионных мероприятий при формировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия включает в себя три блока (рисунок 1).

Первый блок включает исходную информацию, которая отражает состояние агроландшафта и необходима для оптимального размещения противоэрозионных рубежей на конкретных полях, водосборах, участках. В него входят основные характеристики рабочего участка: во-первых, ландшафтные - длина склона, форма склона, крутизна склона; во-вторых, почвенные - тип почвы, эродированность, содержание гумуса, в третьих, агротехнические - основные сельскохозяйственные машины, имеющиеся в хозяйстве; в четвертых, агроклиматические параметры территории (среднегодовые температуры, количество годовых осадков, господствующие ветра, коэффициент увлажнения) с ведущей ролью увлажнения территории и объемом поступающей влаги; в пятых, агрономические показатели: состав культур севооборота и порядок их чередования, урожайность сельскохозяйственных культур, дозы и виды минеральных удобрений, применяемые противоэрози-онные мероприятия. Характеристику основных сельскохозяйственных машин, используемых сейчас и планируемых использовать в будущем на рабочем участке необходимо учитывать при расчете закладываемых рубежей. Для получения исходной информации потребуется план землепользования, почвенно-эрозионная карта с экспликацией типов почв, акт полевых обследований с рекомендацией трансформации пашни, картограмма фактического размещения севооборотов с указанием сельскохозяйственных культур за 2 - 3 года и сведения по их урожайности, сведения о применяемых противоэрозионных мероприятиях и получаемых прибавках урожая сельскохозяйственных культур

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 1. Ландшафтные характеристики. 2. Почвенные характеристики. 3. Агроклиматические характеристики.

4. Агрономические показатели.

5. Агротехнические показатели.

\7

2. НОРМАТИВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ВЫБОРА ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

1. Нормативы для выбора противоэро-зионных мероприятий.

2. Нормативы для оценки влияние различных агроприемов на сток, смыв почвы и урожайность сельскохозяйственных культур.

3 Коэффициенты уровня урожайности сельскохозяйственных культур на смытых почвах.

4. Допустимые расстояния между лесными полосами с учетом величины задерживаемого талого стока, крутизны и экспозиций склонов.

3. РАСЧЕТНЫЕ АЛГОРИТМЫ И СПРАВОЧНО-НОРМАТИВНЫЕ ДАННЫЕ

1. Расчет размещения лесных полос в зависимости от крутизны склона, экспозиции, типа почвы.

2.Расчет размещения земляных гидротехнических сооружений самостоятельного действия в зависимости от крутизны склона, экспозиции, типа почвы.

3. Расчет почвозащитной эффективности ссвоооопотов. агроприемов и поимснясмых спосооов устройства тсппитопии в зависимости от крутизны и экспозиции склона, типа почвы.

4. Оценка повсохностного стока и смыва почвы паи испол

поотивоэоозионны э. Расчет лопустм о. Справочно-ноин поовсдсния оасчст

зовании различных

эприятий. х потерь почвы, гивные данные для

Рисунок 1 - Структура базы данных для проектирования комплекса противоэрозионных мероприятий в адаптивно-ландшафтных системах земледелия

Второй блок включает нормативную информацию для выбора противоэрозионных мероприятий для адаптивно-ландшафтной системы земледелия, а именно: агротехнических (показатели влияния различных обработок почвы (отвальная, безотвальная, минимальная, щелевание и др.) на сток, смыв почвы, урожайность сельскохозяйственных культур), лугомелиоративных (показатели влияния трав, смесей и их норм высева на влагопоглощение), лесомелиоративных (показатели влияния различных видов лесных полос на сток и смыв почвы), земляных гидротехнических сооружений самостоятельного действия (валы-террасы) и севооборотов (коэффициенты уровня урожайности на смытых почвах и противоэрозионное влияние культур) для конкретного участка.

Третий блок включает расчетные алгоритмы для определения расстояния между линейными рубежами, представленными в виде лесных полос и гидротехнических сооружений (расчет размещения лесных полос и земляных гидротехнических сооружений самостоятельного действия в зависимости от крутизны склона, экспозиции, типа почвы), и справочно-нормативные данные (уклон территории, экспозиция склона, уровень допустимого стока, длина склона) для расчета стока и смыва, размещения противоэрозионных рубежей, учитывающие существенные закономерности между уклоном территории, экспозицией склона и почвой. Выходными показателями являются расстояния между линейными рубежами, в качестве которых выступают лесные полосы, гидротехнические сооружения самостоятельного действия и их сочетания, а также система севооборотов и агротехнических мероприятий, которые оказывают влияние на сток воды, смыв почвы и рост урожайности сельскохозяйственных культур.

Адаптивно-ландшафтные системы земледелия с контурно-мелиоративной организацией территории, проектируемые на основе предлагаемой базы данных, должны найти самое широкое применение на всей площади эродированных и потенциально эрозионно-опасных земель.

Перед началом проектирования противоэрозионных рубежей необходимо провести обследование конкретного участка, для которого и планируется организация комплекса. Вся получаемая информации служит для заполнения первого блока базы данных с исходной ин-

формацией о территории, для которой и формируется противоэрозионный комплекс мероприятий.

На втором этапе полученные исходные данные, сопоставляются путем перебора с заранее внесенными во второй блок нормативной информации имеющимися противоэрозионными мероприятиями и предлагается целый комплекс в различных комбинациях противоэро-зионных мер, которые сократят разрушительную деятельность поверхностных вод, увеличат внутрипочвен-ный сток, влажность почвы и повлияют на урожайность возделываемых культур. В качестве базовых противо-эрозионных мероприятий для адаптивно-ландшафтной системы сельского хозяйства предлагаются:

1. Агротехнические мероприятия.

2. Севообороты.

3. Лугомелиоративные мероприятия.

4. Лесомелиоративные мероприятия.

5. Земляные гидротехнические сооружения самостоятельного действия.

Ведущим противоэрозионным рубежом мы считаем узкую водорегулирующую лесную полосу. Лесные насаждения, оказывающие защитное пространственное влияние на окружающую территорию, - одно из наиболее эффективных средств регулирования поверхностного стока и предотвращения интенсивных эрозионных процессов на сельскохозяйственных землях [5]. Поэтому мы остановимся на этом вопросе подробнее.

В районах со значительным распространением процессов водной эрозии, как правило, применяются лесные полосы ажурно-продуваемой конструкции, обладающие высоким полезащитным эффектом. Узкие лесные полосы экономичнее и в наибольшей мере отвечают требованиями современного сельскохозяйственного производства. В условиях ландшафтного земледелия целесообразно применять систему узких 2-3-х рядных водорегулирующих лесных полос шириной междурядий 3 м и размещением деревьев в ряду через 1 метр, площадь которых в условиях Центральной лесостепи колеблется от 1,5 - 2,5% пашни в условиях сла-борасчлененного и до 3,5-4,5% - сильно расчлененного рельефа.

Лесные полосы обладают большой водопоглощаю-щей способностью. Средняя её величина в Центральной лесостепи - 314 мм на серых лесных почвах и 334 мм на типичных черноземах, а в многоводные годы соответственно 411 и 433 мм. Остаточный поверхностный сток 10% обеспеченности на зяби составляет 45 мм на типичных черноземах и 75 мм на серых лесных почвах, а на уплотненной пашне соответственно 105 и 115 мм, что представляет большую эрозионную опасность [6].

Для повышения водопоглотительной способности 2-3-х рядные полосы усиливаются гидротехническими сооружениями, в качестве которых можно использовать водозадерживающие валы-канавы, которые и получили наибольшее распространение, канава располагается в междурядье, а вал по нижней опушке. Усиление лесных полос гидротехническими сооружениями позволяет в 23 раза повысить их водопоглощение, снизить полевой сток 10%-ой обеспеченности с зяби на серых лесных почвах на 24,2-27,3% и типичных черноземах 45-51,8%, уменьшить остаточный сток до 30-60 мм.

В качестве примера апробации разрабатываемой нами базы данных для проектирования комплекса противоэрозионных мероприятий в севооборотах адаптивно-ландшафтных системах земледелия выступает опыт по контурно-мелиоративному земледелию.

Опыт был заложен на территории ОПХ «Панин-ское» ВНИИЗиЗПЭ на 5-ти ложбинно-балочных водосборах площадью от 45 до 88 га (общая площадь опытного участка 271 га), почвенный покров представлен черноземами с содержанием гумуса 4-6%, крутизной склонов на пашне 0,10 до 80 и фактическим смывом

почвы на зяби от талого стока от 5 до 20 т/га (по водо-роинам).

Таблица 1 - Влияние возраста лесных насаждений на общие запасы влаги и водопоглощение на опыте

На опыте в 1985 году были посажены 2-рядные стокорегулирующие лесные полосы (5,2 км), усиленные водоулавливающими канавами и валами, а на одном из вариантов добавлены напашные валы-террасы (высота 0,4-0,5 м, соотношение откосов 1:10-1:12), созданы 1,5 км залуженных водотоков, ландшафтно-экологические контурные полосы (ЛЭКП) и начато изучение влияния различных вариантов сочетания противоэрозионных приемов на эрозионно-гидрологические процессы, урожайность сельскохозяйственных культур и охрану земельных угодий [7].

Обобщив мониторинговые данные за длительный период (таблица 1), можно заметить, что уже на начальном этапе роста лесная полоса имела противоэро-зионное значение, и с каждым годом оно только воз-

растало. Как только противоэрозионный рубеж достиг среднего возраста, сток перестал проявляться и все запасы влаги зимне-весеннего периода стали поглощаться почвой.

И на сегодняшний день заложенные еще 30 лет назад противоэрозионные рубежи выполняют свою функцию в полном объеме, но следует отметить, что эта роль немного изменилась, и на первое место вышло полезащитное значение. В последние 20-25 лет в связи с небольшими запасами влаги в снеге возрастает роль лесных полос в качестве дефляционной защиты в поздний весенний и ранний летний периоды из-за участившихся суховеев в это время. Таким образом, выявляется универсальность лесной полосы в её комплексном полезащитном действии. А так как рост растений достаточно долгий и их воздействие будет прослеживаться не одно десятилетие, следовательно, данный вид про-тивоэрозионного рубежа заслуживает особого внимания. Но надо заметить, что в природе все циклично и как только опять наступят годы с большим выпадением снега, лесная полоса начнет выполнять свою противо-эрозионную защиту, сокращая сток воды.

Таким образом, сформирована структура базы данных для проектирования комплекса противоэрозион-ных мероприятий в адаптивно-ландшафтных системах земледелия. Апробация базы данных на реальной модели - опыте контурно-мелиоративного земледелия получила подтверждение ее эффективности.

Список используемых источников

1 Здоровцов И.П. Влияние почвоводоохранного земледелия на эрозионно-гидрологические процессы и продуктивность агроландшафтов в ЦЧО // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - №7. - С. 53-54.

2 Бахирев Г.И. Системный подход в решении проблемы борьбы с эрозией почв в ЦЧР // Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции ГНУ ВНИИЗ и ЗПЭ, 11-13 сентября 2013 года. - Курск, 2013. - С. 41- 44.

3 Немцев С.Н. Предотвращение эрозии и стока на склонах // Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции ГНУ ВНИИЗиЗПЭ, 11 -13 сентября 2013 года. - Курск, 2013. - С. 161- 165.

4 Методика проектирования базовых элементов адаптивно-ландшафтной системы земледелия / Г.Н.Черкасов, Н.П. Масютенко, А.С. Акименко и др. - М.: Россельхозакадемия, 2010. - 85 с.

5 Сурмач Г.П. Водорегулирующая и противоэрозион-ная роль насаждений. - М.: Лесная промышленность, 1971. -111 с.

6 Дьяков В.Н. Противоэрозионная эффективность лесных полос в условиях современного сельскохозяйственного производства //Доклады РАСХН. - 1993. - №4. - С. 33-37

7 Технологии почвозащитных систем земледелия с контурной организацией территории и метод их эколого-экономической оценки. - Курск, 1990. - 204 с.

Информация об авторах Подлесных Игорь Вячеславович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории контурно-мелиоративного земледелия ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ, тел. 8-906-577-70-50, е-mail: podlesnich_igor@rambler.ru

Зарудная Татьяна Яковлевна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории контурно-мелиоративного земледелия ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ, тел. 8-950872-30-47, е-mail: vnizem@kursknet.ru

Надеин Сергей Викторович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории контурно-мелиоративного земледелия ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ, тел. 8-908125-69-81, е-mail: nadein_s_v@mail.ru

контурно -мелиоративного земледелия

Год и номер водосбора Высота лесной полосы, м Общие запасы влаги на водосборах мм Водопо-глощение, мм Культура

1987

3 контроль - 121 89,0

5(лесная полоса ч/з 216 м) 2,14 145 125,0 кукуруза на

4 (лесная полоса ч/з 216 м+валы- 2,40 155 138,0 зеленый корм

терассы ч/з 54 м)

1992

3 контроль - 52,3 48,8

5(лесная полоса ч/з 216 м) 8,20 76,7 74,5

4 (лесная полоса ч/з 216 м+валы- 8,70 61,8 61,0 ячмень

терассы ч/з 54 м)

1994

3 контроль - 142,5 22,4

5(лесная полоса ч/з 216 м) 12,6 147,3 118,3 озимая

4 (лесная полоса ч/з 216 м+валы- 13,0 145,3 111,8 пшеница

терассы ч/з 54 м)

1997

3 контроль - 42,0 14,2 кукуруза на зеленый корм

5(лесная полоса ч/з 216 м) 14,7 62,0 62,0

4 (лесная полоса ч/з 216 м+валы- 15,3 66,0 66,0

терассы ч/з 54 м)

2002

3 контроль - 113,0 103,0

5(лесная полоса ч/з 216 м) 22,6 109,0 109,0 смесь одно-

4 (лесная полоса ч/з 216 м+валы- 23,3 112,0 112,0 летних трав

терассы ч/з 54 м)

2013

3 контроль - 72,0 72,0

5(лесная полоса ч/з 216 м) 28,5 115,0 115,0 гречиха

4 (лесная полоса ч/з 216 м+валы- 28,9 104,0 104,0

терассы ч/з 54 м)

CREATING A DATABASE FOR DESIGNING A COMPLEX OF ANTI-EROSION MEASURES IN ADAPTIVE-LANDSCAPE SYSTEMS OF AGRICULTURE I.V. Podlesnykh, T.Y. Zarudnaya, S.V. Nadein

Annotation. The structure of a database for designing a complex of anti-erosion measures in the formation of adaptive-landscape systems of agriculture is suggested. Long-term monitoring data to support the role of a forest shelterbelts, as a leading element in the soil erosion control from the moment of its creation are presented.

Keywords: database, water erosion, erosion control measures, shelterbelts.