Теоретические основы противоэрозионных инженерно-биологических систем

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29]

УДК 631.459

В. М. Ивонин

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ ИНЖЕНЕРНО-БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

На основании принципов общей теории систем развито учение о противоэрози-онных инженерно-биологических системах (ПИБС). Определены ведущие составляющие элементы ПИБС: защитные лесные насаждения, гидротехнические сооружения, многолетние травы. К ведомым составляющим элементам отнесены агротехнические противоэрозионные мероприятия и технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Структура ПИБС состоит из биотической и инженерной подсистем. Биотическая подсистема включает локальную естественную и организованную биоты. Инженерная подсистема состоит из агротехнической и гидротехнической составляющих (частей). Агротехническая часть объединяет приемы агротехники возделывания сельскохозяйственных культур. Гидротехническая часть включает склоновые и донные сооружения. Противоэрозионная система охватывает всю водосборную площадь или весь район пылесбора территории ландшафта. Организацию территории ПИБС проводят с помощью размещения составляющих элементов. При этом учитывают иерархию про-тивоэрозионной системы.

Ключевые слова: противоэрозионная система, ПИБС, лесная полоса, гидротехническое сооружение, многолетние травы, агротехнические противоэрозионные мероприятия и организация территории.

V. M. Ivonin

THEORETICAL BASES OF EROSION-PREVENTIVE ENGINEERING-BIOLOGICAL SYSTEMS

On the basis of the principles of general systems theory the doctrine of erosion-preventive engineering-biological systems (EPEBS) was developed. The leading constituent elements of EPEBS were identified: protective forest plantations, hydraulic facilities, and permanent grasses. The slave constituent elements include agronomic erosion-preventive measures and growing technologies of agricultural crops. EPEBS structure consists of biotic and engineering subsystems. Biotic subsystem includes the local natural and organized biota. Engineering subsystem consists of agro technical and hydraulic components (parts). Agro technical part combines techniques of farming cropping. Hydraulic engineering part includes slope and bottom structures. Erosion control system covers the entire watershed area or the entire erosion landscape area. Organization the territory of EPEBS is carried out by placing the constituent elements, while taking into account the hierarchy of erosion-preventive system.

Keywords: systems for erosion control, erosion-preventive engineering-biological systems, forest belt, hydraulic facilities, permanent grasses, agricultural erosion-preventive measures, territory organization.

Системные представления о методологических, методических и прикладных подходах к изучению эрозии почв и разработки противоэрозион-ных мероприятий представлены работами многих ученых [1-5]. С учетом

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] положений Общей теории систем [6] нами был разработан системный подход в противоэрозионной агролесомелиорации [7]. Этот подход в настоящее время развивается параллельно с представлениями о противоэрозион-ных комплексах и адаптивно-ландшафтных системах земледелия.

Теоретические основы противоэрозионного комплекса, заложенные в первой половине прошлого века, нуждаются в развитии с позиций современных представлений науки о системах. По В. Б. Сочава [8] ни на одном языке, оперирующем научными понятиями, комплекс не рассматривается как синоним системы и смысловой нюанс между этими терминами обычно не оспаривается.

Система характеризуется следующими характеристиками целостности [9]:

а) эмерджентности - наличия у целого таких характеристик, которые не присущи составляющим элементам;

б) компонентности - составляющие элементы по родственным признакам объединяются определенными множествами;

в) структурности - сочетания составляющих элементов и их связей;

г) иерархичности - каждая система выступает в качестве элемента или компонента системы более высокого порядка;

д) организованности - определенного порядка взаимоотношений между составляющими элементами;

е) пространственной увязанности элементов системы потоками вещества и энергии;

ж) кратчайшими путями движения потоков по «линиям наибольшего падения градиентов»;

з) инвариантности - способности структуры изменяться в определенных пределах при возмущениях окружающей среды;

и) гомеостазом - подвижной устойчивости системы, ее способности возвращаться в исходное состояние после нарушения структуры.

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29]

На основе развития адаптивно-ландшафтных систем земледелия в настоящее время формируются представления об устойчивых системах земледелия. Такие представления углубляют технологическую дифференциацию сельскохозяйственного производства, обеспечивают его будущее при развитии альтернативного земледелия, оставляя в стороне многие теоретические и практические вопросы эрозиоведения, связанные с мелиорацией.

Основной задачей современных мелиораций является обеспечение функционирования устойчивых биологизированных инженерных систем для регулирования агросреды с целью повышения продуктивности и устойчивости агроландшафтов при одновременном поддержании естественной биоты в масштабах, достаточных для сохранения ее способности к регуляции природной среды [10].

Основную теоретическую концепцию противоэрозионной инженерно-биологической системы представим в виде:

ПИБС = (а1,...,ап<= А; Ь1,...,Ьт&В; с1,...,с1. еС; с11,...,с11.еВ), где а1,...,ап - элементы подмножества древесных насаждений А (полезащитные, стокорегулирующие, прибалочные, приовражные и другие лесные полосы, колки, байрачные леса и т. п.);

Ь1,...,Ьт - элементы подмножества гидросооружений В (террасы, валы с широким основанием, распылители стока и пр.);

е1,...,с1 - элементы подмножества ценозов многолетних трав С (залуженные участки пашни и гидрографической сети, буферные полосы, естественные кормовые угодья и т. п.);

й1,...,й1 - элементы подмножества почвозащитных технологий и приемов агротехники В (плоскорезная обработка, контурная и гребнистая вспашка, мульчирование, искусственный нанорельеф пашни, технологии нулевой обработки и бесплужного земледелия, кулисы из высокостебельных растений, технологии органического земледелия и т. п.).

По этому уравнению общее множество противоэрозионной инже-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] нерно-биологической системы (ПИБС) составляют подмножества защитных лесных насаждений (А), противоэрозионных гидротехнических сооружений (В), форм травянистой растительности (С), а также приемов агротехники и технологии возделывания сельскохозяйственных культур, направленных на защиту почв от эрозии и повышение их плодородия (Б).

В районах преимущественного проявления ветровой эрозии на склонах крутизной менее 2° подмножество противоэрозионных гидротехнических сооружений обычно отсутствует.

Противоэрозионная система предназначена для обеспечения устойчивости и продуктивности агроландшафтов на ландшафтной территории. При этом ПИБС обладает упругой устойчивостью, а ландшафтная территория - резистентной. Их плановые конфигурации совпадают.

После создания ПИБС «притирается» к «своей ландшафтной территории» определенное время, продолжительность которого зависит от степени их соответствия. Неустойчивое совпадение двух типов стабильности вызывает ускоренную перестройку (при эрозионных процессах) эдафиче-ских и геоморфологических факторов среды. Но когда упругая и резистентная устойчивость ПИБС и ландшафтной территории (водосборной или пылесборной) соответствуют друг другу, рождается единая (упорядоченная) структура, когда ПИБС и территория уменьшают друг у друга индивидуальную энтропию (энергия, недоступная для использования ПИБС, реализуется территорией и наоборот). Так себя проявляет второй закон термодинамики.

При этом ландшафтная территория «привыкает» к ПИБС (изменяются эрозионно-аккумулятивные процессы), а структура ПИБС в процессе организации начинает соответствовать «своей территории» (усиливаются или ослабевают связи между элементами, адаптируются технологии возделывания сельскохозяйственных культур, изменяются состав и продуктивность травянистых ценозов, выпадают отдельные виды древесных расте-

При этом проявляется свойство регулярности и адаптационной динамики у элементов подмножества А, В, С и Б. Основываясь на регулярности, лесные насаждения (элементы подмножества А) относим к ведущим элементам ПИБС в районах проявления как водной, так и ветровой эрозии; гидротехнические сооружения в районах преимущественного проявления водной эрозии (элементы подмножества В) - к ведущим элементам; залуженные участки пашни и гидрографической сети, а также буферные полосы многолетних трав в районах преимущественного проявления ветровой эрозии (элементы подмножества С) - к ведущим элементам. Почвозащитные агротехнические приемы и технологии возделывания сельскохозяйственных культур не обладают регулярностью (элементы подмножества Б), поэтому относим их к ведомым элементам.

Адаптация элементов С и Б достигается путем совершенствования технологий возделывания сельскохозяйственных культур, определения мест постоянного залужения или выращивания многолетних трав, подбора сортов и гибридов культур, соответствующих условиям среды территории ПИБС.

Адаптивные реакции древесных растений в лесных насаждениях определяются вариабельностью условий внешней среды и частично могут управляться человеком.

Один из принципов функционирования ПИБС - незаменимость ее ведущих и ведомых элементов. Еще один принцип заключается в необходимом включении в состав элементов А и С естественной биоты (лесные колки, байрачные леса, ценозы естественной травянистой растительности), что обеспечивает гармонизацию ПИБС с глобальной системой жизни [9].

Структуру ПИБС (рисунок 1) образуют две подсистемы: биотическая и инженерная, что согласуется с современными представлениями о биоло-гизации технических мелиоративных систем. Биотическая подсистема со-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] стоит из локальной естественной (ЛЕБ) и мелиоративно-организованной биоты (МОБ). Эти биоты взаимосвязаны между собой. Локальная естественная биота (ценозы местной флоры в климаксовой стадии) гармонизирует ПИБС с глобальной системой жизни на Земле, которая участвует в управлении окружающей (природной) средой. Мелиоративноорганизованная биота представлена полезащитными и стокорегулирующими лесными полосами, другими лесными насаждениями, а также буферными полосами многолетних трав. Состав биотической подсистемы приведен на рисунке 2.

Рисунок 1 - Структура ПИБС

Лесные сообщества МОБ часто состоят из интродуцентов и постоянно нуждаются в агротехуходах и различных рубках, дополнениях и т. п. Такие сообщества не участвуют в биотической регуляции окружающей (природной) среды, но формируют среду для агроценозов (плодородие почв и защиту их от эрозии, биоклимат, ветровой режим и т. п.).

При этом сообщества МОБ взаимосвязаны с ЛЕБ. Если МОБ полностью характеризует такой динамический показатель, как защищенность лесными насаждениями ландшафтной территории, то ЛЕБ + МОБ характе-

Регуляция природной среды с помощью локальной естественной биоты

Рисунок 2 - Состав биотической подсистемы ПИБС

В составе ЛЕБ могут присутствовать не только фрагменты лесов и древесных насаждений, но и ценозы аборигенной травянистой растительности, находящиеся в климаксовых стадиях. Также в составе МОБ присутствуют культуры, обладающие высокой мелиорирующей способностью. Эти ценозы обеспечивают формирование агросреды, но не участвуют в регулировании окружающей (природной) среды.

Инженерная подсистема состоит из агротехнической и гидротехнической составляющих (частей). Агротехническая часть инженерной подсистемы ПИБС объединяет почвозащитные технологии и приемы агротех-

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] ники возделывания сельскохозяйственных культур в плодосмене. Целевое назначение агротехнической составляющей приведено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Целевое предназначение агротехнической составляющей

Некоторые технологии и приемы эффективны (нулевая технология, плоскорезная обработка, мульчирование поверхности почвы и др.) в районах как водной, так и ветровой эрозии.

Гидротехническая составляющая ПИБС обеспечивает устойчивость агроландшафтов, включая склоновые и донные противоэрозионные гидротехнические сооружения (рисунок 4).

Сооружения гидротехнической составляющей ПИБС предназначены для усиления стокорегулирующей роли лесных полос, распыления, задержания или отвода поверхностного стока, аккумуляции наносов по днищам оврагов и балок, террасирования склонов, безопасного отвода сточных вод и сброса водных потоков в гидрографическую сеть, закрепления оврагов и для других целей.

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29]

Гидротехническая

составляющая

Склоновые сооружения

Донные сооружения

Сооружения для усиления проти-воэро-зионной роли лесных полос

Террасы и валы с широким основанием, нагор-

канавы

Распылители стока, водозадерживающие и водонаправляющие сооруже-

Сопрягающие сооружения в вершинах оврагов

Запруды на днищах оврагов, а также сооружения на засыпанных оврагах

Дамбы -перемычки, пруды в оврагах и балках, подпорные стенки

Рисунок 4 - Состав гидротехнической составляющей ПИБС

Территориально противоэрозионная система должна соответствовать определенной площади ландшафта (пылесборной, водосборной) или тяготеть к объектам мелиорации - путям транспорта, берегам рек, территории животноводческих комплексов и пр. В зависимости от этого размещают ведущие элементов ПИБС по площади (рисунок 5).

Как следует из рисунка 5, размещение ведущих элементов ПИБС на территории агроландшафтов проводят с учетом факторов окружающей среды (климатических - преимущественное направление дефилирующих, суховейных, метелистых ветров или геоморфологических - форма продольного и поперечного профилей склонов), а также формы в плане и размера мелиорируемого объекта.

Лесные насаждения и гидротехнические сооружения на относительно небольших по площади объектах мелиорации (животноводческие фермы, питомники) размещают по их границам; при значительных площадях мелиорируемых объектов - внутри (сельскохозяйственные угодья); на протяженных объектах - по их длине (автомобильные и железные дороги, оросительные каналы).

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29]

Размещение основных элементов противоэрози-онной системы

Поперек

преимущественного

г ^   1

С учетом факторов Поперек общего

и гч р у та Ш,с: И (природной) среды падения склонов

1

Ориентируясь на горизонтали местности

По периметру мелиорируемого объекта

г ^ С учетом формы в плане и размера /

Внутри мелиори-

мелиорируемого объекта \ руемого объекта

Подлине мелиорируемого объекта

Рисунок 5 - Размещение ведущих элементов ПИБС на территории агроландшафтов

Организация территории предусматривает оптимальное использование всех земель ПИБС, целесообразное размещение на них севооборотных массивов, полей и их рабочих участков, лесных насаждений и различных гидротехнических сооружений. Целесообразное размещение в рельефе элементов ПИБС с учетом границ рабочих участков и полей севооборотов - основа организации территории. Выделены ведущие элементы ПИБС, которые определяют такую организацию территории (рисунок 6). Далее предложено выделять основные типы устройства территории ПИБС

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] по характеру размещения этих элементов (рисунок 7): поперек направлений линий поверхностного стока; поперек направлений суховейных и дефляционно-опасных ветров.

Элементы, определяющие организацию территории ПИБС

В районах преимущественного проявления водной эрозии

В районах преимущественного проявления ветровой эрозии

Лесные полосы, корректирующие клинья многолетних

Гидротехни-

ческие

сооружения

Лесные

полосы

Буферные

полосы

многолетних

Полосное размещение сельскохо-хозяйственных культур

Рисунок 6 - Ведущие элементы, определяющие организацию территории ПИБС

Рисунок 7 - Размещение ведущих элементов ПИБС на ее территории

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29]

При размещении ведущих элементов поперек направлений стока определены три подгруппы: прямолинейное размещение поперек общего падения склонов; прямолинейно-контурное (с учетом горизонталей местности); контурное (с введением, при необходимости, корректирующих клиньев многолетних трав).

При размещении ведущих элементов поперек направления дефляционно-опасных ветров выделены две подгруппы: прямолинейное размещение, не учитывающее рельеф местности, и прямолинейное с учетом рельефа.

Прямолинейное размещение поперек склонов основных полезащитных лесных полос применяют на приводораздельных склонах крутизной до 2°, несмотря на то, что вспомогательные лесные полосы при этом будут размещаться вдоль пологих склонов. На приводораздельных склонах такое размещение лесных полос не создает угрозы сосредоточения поверхностного стока вдоль опушек вспомогательных лесных полос, если последние не совмещены с полевыми дорогами.

Прямолинейно-контурное размещение элементов ПИБС применяют на присетевых склонах рассеивающего или собирающего поперечных профилей, крутизной до 3-5°. Такое размещение определяет разделение лесных полос (границ полей) на прямолинейные отрезки, повторяющие направления горизонталей.

Контурное размещение предполагает, что элементы ПИБС (в том числе и агротехнические приемы в пределах границ полей) будут соответствовать горизонталям местности присетевых склонов, что обеспечит наилучшие условия для регулирования поверхностного стока. Однако размещение лесных полос в рельефе предполагает параллельность их трасс. Соседние горизонтали местности редко направлены параллельно друг другу. Поэтому трассы лесных полос (границы полей) при необходимости корректируются остаточными клиньями многолетних трав.

Прямолинейное размещение лесных полос, не учитывающее рельеф

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] местности, поперек преимущественного направления суховейных или дефляционно-опасных ветров применяют на плакорных или приводораздельных территориях, а прямолинейное с учетом рельефа - на ветроударных склонах, в ветровых «коридорах» и на прямых пологих склонах в районах совместного проявления ветровой и водной эрозии.

Иерархию ПИБС лучше всего можно проиллюстрировать на примере иерархии водосборов бассейна малой реки (рисунок 8).

----- ПИБС бассейна малой реки -----

1'_____________________________________ ____________________________________________]'

Подсистемы сопряженных балочных водосборов и межложбинных участков склонов Балочные подсистемы Подсистемы речных долин

'

Подсистемы балочных водосборов Подсистемы межблочных участков склонов Подсистемы балочных склонов Подсистемы балочных дннщили псевдопойм Подсистемы долинных склокои и над пойменных террае Подсистемы речных пойм

1 ' • 1 ' •  . '

Составляющие элементы: различные виды лесных насаждений, гидротехнических сооружений, травянистых ценозов, технологий и приемов агротехЕшки

Рисунок 8 - Иерархия ПИБС бассейна малой реки

В степной зоне ПИБС должна характеризоваться следующими показателями биотической подсистемы: облесенность водосбора (бассейна) реки (ЛЕБ + МОБ) — не менее 15-20 % территории; залуженность (ЛЕБ + МОБ) - 20-30 %.

В иерархии ПИБС подсистема балочного водосборов (или межба-лочного участка склона) должна обладать защитной лесистостью, включая прибалочные лесные полосы, (преимущественно МОБ) - не менее 6-10 %; залуженностью (преимущественно МОБ) - 10-20 % площади. Для балочной подсистемы (исключая прибалочные лесные полосы) облесенность (ЛЕБ + МОБ) должна быть не менее 30-40 % площади балки, залуженность

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] (ЛЕБ + МОБ) — от 40 до 60 %, для подсистемы поймы малой реки (преимущественно ЛЕБ) - соответственно 5-30 и 40-60 % территории.

Список использованных источников

1 Мирцхулава, Ц. Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии: монография / Ц. Е. Мирцхулава. - М.: Колос, 1970. - 240 с.

2 Швебс, Г. И. Теоретические основы эрозиоведения: монография / Г. И. Швебс. - Киев-Одесса: Вища школа, 1981. - 223 с.

3 Ларионов, Г. А. Эрозия и дефляция почв: монография / Г. А. Ларионов. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 200 с.

4 Литвин, Л. Ф. Г еография эрозии почв сельскохозяйственных земель России: монография / Л. Ф. Литвин. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 255 с.

5 Ивонин, В. М. Эрозия почв, нарушенных при строительстве объектов Олимпиады-2014 / В. М. Ивонин, М. Д. Пиньковский, А. В. Егошин // Экология урбанизированных территорий. - 2011. - № 2. - С. 55-61.

6 Берталанфи, Л. История и статус общей теории систем / Л. Берта-ланфи // Системные исследования: ежегодник. - М.: Наука, 1973. -

С. 20-37.

7 Ивонин, В. М. Системный подход в противоэрозионной агролесомелиорации / В. М. Ивонин // Лесоведение. - 1985. - № 3. - С. 17-36.

8 Сочава, В. Б. Введение в учение о геосистемах: монография / В. Б. Сочава. - Новосибирск: Наука, 1978. - 319 с.

9 Ивонин, В. М. Противоэрозионные мелиорации водосборов в районах оврагообразования: монография / В. М. Ивонин. - М., 1992. - 378 с.

10 Ивонин, В. М. Биота и мелиорация / В. М. Ивонин // Мелиорация и водное хозяйство: Материалы НПК «Повышение эффективности использования орошаемых земель южного федерального округа» (Шумаковские чтения с заседан. секции РАСХН), 30 сент. 2005 г., г. Новочеркасск / РАСХН, Отдел мелиорации, водного и лесного хозяйства. ФГОУ ВПО

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4 (12) 2013 г., [15-29] «НГМА». - Вып. 1. - Новочеркасск: НПО «Темп», 2003. - С. 15-20.

Ивонин Владимир Михайлович - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), профессор кафедры лесоводства и лесных мелиораций.

Контактный телефон: 8-928-923-90-86 E-mail: Ivoninforest @yandex.ru

Ivonin Vladimir Mikhaylovich - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Honored Scientist of the Russian Federation, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Professor of the Chair of Forestry and Forest Melioration.

Contact telephone number: 8-928-923-90-86.

E-mail: Ivoninforest @yandex.ru