Теоретические основы разработки систем адаптивно-ландшафтного земледелия

Теоретические изыскания

УДК 634.0.6:634.0.266

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

А.Т. Барабанов, д.с.-х.н. - ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук» (ФНЦ агроэкологии РАН), г. Волгоград

Рассматриваются методология и методические для разработки систем адаптивно-ландшафтного

подходы к исследованиям в адаптивно-ландшафтном земледелии, даётся анализ статистических и генетических методов изучения эрозионно-гидро-логических процессов, которые служат основой

Для защиты почв от! эрозии и деградации применяется адаптивно-ландшафтный подход | в земледелии. Он предусматривает назначение каждому земельному выделу | свою программу функционирования в единой систе-1 ме агроландшафта. Целью I ландшафтного земледелия | является создание уело-I вий для такой деятельности, которая обеспечила бы достижение высокой продуктивности агроландшафтов без нарушения экологического баланса территории. Методологической основой исследований в ландшафтном земледелии является система методов, заимствованных из разных наук (агролесомелиорации, земледелия, почвоведения, гидрологии, физики, химии, математики, геологии, географии и др.), модифицированных и адаптированных в соответствии с поставленными целями и задачами.

Вопрос о методах эрозионно-гидрологических исследований в ландшафтном земледелии имеет большое значение. Сейчас широко распространены два главных направления: статистический и генетический. Статистические методы основываются на законе больших чисел и допущении случайности проявления процессов. Эти методы сыграли большую роль особенно при недостатке исходных материалов для теоретических исследований. Главным недостатком статистических методов является ограниченная возможность познания генезиса процесса, выявления причинно-следственных связей, а поэтому и невозможность управления процессами.

Генетические методы позволяют на основе учёта разностороннего влияния всех факторов выявлять закономерности явлений и процессов. Генетический подход нами использован при изучении закономерности формирования стока и эрозии. Дело в том, что характер формирования стока, процессов смыва и урожая сельскохозяйственных культур, главных показателей оценки антропогенного воздействия на них, обусловлен многими природными (снегозапасы, характер увлажнения и промерзания почвы, погодные условия и др.) и антропогенными факторами, действующими в совокупности. Антропогенное воздействие на эрозионно-гидрологиче-ские процессы и сельскохозяйственные культуры осуществляется через эти факторы. Важно знать не только силу того или иного воздействия, но и как, через какие факторы и показатели оно происходит. А это позволяет научиться управлять процессами, разрабатывать новые приемы борьбы с эрозией почв.

Оценку систем ландшафтного земледелия, вы-

земледелия.

Ключевые слова: адаптивно-ландшафтная система земледелия, эрозия почв, гидрология, деградация почв.

явление взаимосвязи его элементов проводят, используя принципы системного подхода, ставя многофакторные опыты и используя корреляционно-регрессионный анализ полученных в них материалов [1]. Осуществляют также многофакторный анализ связи поверхностного стока с природными факторами, что позволяет выявить важные зависимости.

Применение статистического, генетического методов и элементов системного подхода и проведение многофакторных исследований позволяют выявить не только влияние отдельных природных и антропогенных факторов на функционирование ландшафтов, но и их взаимодействия. Применительно к целям создания адаптивно-ландшафтной системы земледелия во ВНИАЛМИ накоплена многолетняя научная информация. Остановимся кратко на характеристике полученных решений.

Е. А. Гаршинёвым [3] разработана теория и созданы математические модели эрозионно-акку-мулятивного процесса (ЭАП). Модели доведены до инженерного расчета и реализованы пакетом прикладных программ для ЭВМ. Им установлено, что вся совокупность эрозионно-аккумулятивных склонов может быть описана универсальной функцией - логистической [3]:

Н = (Н - Н ) / (1 + exp (-a + bL)) + Н ,

max mm^ ' v. r v jj min

где Н, Н , Н - текущая отметка, максимальная

max min

и минимальная асимптоты поверхности склона; L -расстояние от водораздела; а и b - параметры.

Полученные результаты позволяют использовать логистическую функцию для решения многих задач прикладной геоморфологии, ландшаф-товедения, почвоводоохранного земледелия. Так, её применение позволяет получать на основе расчетов геологическое строение зоны аэрации и положение уровней грунтовых вод, выполнять комплексное ландшафтное районирование территории, прогнозировать естественную и антропогенную эволюцию ландшафтов и т. п.

По мнению Е. А. Гаршинева закон, описывающий форму склона и эрозионно-аккумулятивный процесс, едины. На этой основе им разработано уравнение для расчета смыва [2]: Wx = L[K] hs^P2) m Ln ,

L - коэффициент, учитывающий размерность, пропорциональность и противоэрозионную стойкость агрофона;

[K] - произведение коэффициентов, учитывающих почвенные условия и эффективность почвозащитных приёмов;

h - слой стока;

Ф1 = Ьсф / AH; c = exp(a); AH = Н - Н . ; ф = exp(-bL);

m, n. s - (m ~ 1...2; L ~ 0,5...1; s = 0,96).

Для целей ландшафтного земледелия важно добиться снижения эрозии до допустимого предела, когда интенсивность почвообразования превыша-

ет интенсивность эрозии. Используя это уравнение, рассчитывается положение точки на склоне, где величина смыва достигает допустимого предела. В этой точке предусматривается создание первой лесополосы или другого противоэрозионного рубежа. Затем выполняется расчет следующих рубежей.

Во ВНИАЛМИ (ФНЦ агроэкологии РАН) выполнены многолетние исследования эрозионно-ги-дрологических процессов. Выдающаяся роль в этом принадлежит Г.П. Сурмачу. Он в 1958 году организовал в лесостепной, степной и полупустынной зонах стационарные исследования в 4 пунктах опытной сети ВНИАЛМИ в Орловской, Самарской и Волгоградской областях, где исследования проводятся до настоящего времени. Особенно важны в этом отношении экспериментальные и теоретические исследования факторов просачивания и стока дождевых и талых вод в почву. Особую актуальность имеют результаты экспериментальных оценок с применением методов дождевания, воднобалан-совых площадок и использования метода напуска. Полученные в экспериментах материалы за период свыше 60 лет вошли в «золотой фонд науки». Они позволили, выдвинуть и обосновать новые теоретические положения, существенно уточняющие представления о физической природе гидрологических процессов, по-новому трактовать условия просачивания дождевых и талых вод в почву, что позволяет усовершенствовать существующие и разработать новые математические модели.

Автором [4], используя результаты собственных исследований, а также обобщения данных ВНИ-АЛМИ и литературных источников дана оценка поверхностного стока талых вод с сельскохозяйственных угодий (рыхлая и уплотненная пашня); разработаны теоретические кривые вероятности превышения стока по многолетним рядам наблюдений (за период свыше 60 лет); выявлена связь стока талых вод на зяби и уплотненной пашне с запасами воды в снеге и почве (в слое 0-50 см) перед снеготаянием, глубиной ее промерзания и продолжительностью снеготаяния на юге ЦРНЗ, в ЦЧО и Поволжье; сформулирован закон лимитирующих факторов поверхностного стока талых вод. Установлено, что существенно на сток талых вод влияют только снегозапасы, увлажнение и глубина промерзания почвы. Интенсивность и продолжительность снеготаяния на величину стока талых вод не влияют. Объясняется это тем, что верхний слой почвы (0-30 см) увлажняется до наименьшей (предельной полевой) и даже полной влагоемко-сти, т. е. почва поглощает максимально возможное количество воды, обусловленное ее дефицитом, а остальная стекает.

Суть закона лимитирующих факторов состоит в том, что при некотором (лимитирующем) значении одного из трех факторов (снегозапасы, увлажнение и глубина промерзания почвы) сток не формируется независимо от уровня двух других. Были определены максимальные значения факторов, при которых сток не формируется. Например, на юге Нечерноземной зоны, в ЦЧО и Поволжье, если почва талая или промёрзла до глубины не более 50 см, сток не формируется независимо от уровня её увлажнения и количества снегозапа-сов. Дальнейшее увеличение глубины промерзания почвы выше лимитирующего уровня практически не влияет на величину стока, т. е. при любой глу-

бине промерзания выше лимитирующей он формируется одинаковый. Решающее влияние на него в этом случае оказывают влагозапасы в почве и снеге. При увлажнении верхнего (0-50 см) слоя почвы до уровня менее 120-130 мм на юге ЦРНЗ и 70-95 мм в Нижнем Поволжье сток не формируется независимо от глубины промерзания почвы и сне-гозапасов, т. е. лимитирующим фактором является увлажнение почвы. При уровнях факторов выше лимитирующих сток формируется и величина его зависит от увлажнения почвы и снегозапасов.. С помощью множественного корреляционно-регрессионного анализа дана количественная оценка влияния на сток увлажнения почвы и снегозапасов при уровнях факторов свыше лимитирующих. Аналитически оно выражается уравнениями прямых:

Уа = а + Ь^па + Ь Шса ,

1 1 1 2 1

где Уа1 - слой стока с ьтого агрофона; Шпа1 - запасы воды в почве, мм; Шса1 - запасы воды в с неге, мм; а, Ь1, Ь2 - параметры ура1внения.

Установлено, что почва, как саморегулирующаяся система, способна поглотить и удержать определенное количество воды, равное дефициту влажности, максимальная величина которого в мерзлом состоянии может достигать полной влагоемкости верхнего слоя. Дефицит влаги (разница между полной влагоемкостью w и фактическими влаго-

пв т

запасами Wф) обусловливает величину водопогло-щения. Слой стока у зависит от дефицита влаги в почве Dw и снегозапасов перед снеготаянием wc. В общем виде уравнение можно записать так: у = лс -( л - ш,) = л - Dw.

пв ф с

Е.А. Гаршиневым [2] выдвинута и обоснована концепция «ледяного экрана», формирующегося на границе талого и мерзлого слоев почвы, который играет важнейшую роль в эрозионно-гидрологиче-ском процессе. Ее суть состоит в том, что при оттаивании верхнего слоя почвы по границе с мерзлым слоем происходит полное перекрытие всех пор почвы (за исключением макрокапиллярных) льдом и инфильтрация влаги в обычном ее понимании замещается процессом «термоинфильтрации» -протаиванием почвы в результате ее теплообмена за счет притока тепла извне. При этом талый слой почвы насыщается до полной влагоемкости, а мерзлый имеет естественный уровень увлажнения. Формирование ледяного экрана и обусловливает сток талых вод даже в условиях, когда верхние мерзлые слои почвы весьма далеки от насыщения. Им также обосновано, что в летний период аналогично ледяному экрану в почве формируется слой со сплошной менисковой пленкой, что и обусловливает формирование дождевого стока даже при весьма низкой исходной влажности почвы.

Эти и другие теоретические и эмпирические модели служат основой для разработки систем адаптивно-ландшафтного земледелия. Создание такой системы сводится к решению общей задачи оптимального управления ландшафтом и реализуется путем последовательного решения частных задач. Элементами адаптивно-ландшафтного земледелия являются: почвозащитная организация землепользования, структура посевных площадей и система севооборотов, система обработки почвы и почвозащитные технологии возделывания сельскохозяйственных культур, система лесомелиоративных мероприятий, система удобрений и защиты растений, лугомелиоративные и гидротехнические мероприятия.

Современные исследования

Узловым моментом почвозащитной организации землепользования является типизация земель (выделение контуров по однородным агроэкологическим условиям) и определение характера их использования, а также применения на них соответствующих технологий, приемов и мероприятий, обеспечивающих нормальное функционирование агроэкосистем. Критериями для выделения разных групп земель являются: характер гидрологических и эрозионных процессов, состояние почв, местонахождение в рельефе, доступность для механизации и др.

Литература:

1. Барабанов А. Т., Гаршинёв Е. А. Методика изучения способов сочетания лесомелиорации с другими элементами систем земледелия при контурной организации территории. - Волгоград, 1987. - 45 с.

2. Гаршинёв Е. А. Эрозионно-гидрологический про-

цесс. Теория и модели. - Волгоград: ВНИАЛМИ. - 1999. -196 с.

3. Гаршинёв Е. А. Противоэрозионная лесомелиорация и эволюция эрозионно-гидрологического процесса: автореф. дис.... доктора с.-х. наук. - Волгоград, 1995. - 48 с.

4. Барабанов А. Т. Агролесомелиорация в почвозащитном земледелии. - Волгоград, 1993. - 156 с.

THEORETICAL FOUNDATIONS OF DEVELOPING SYSTEMS OF LANDSCAPE-ADAPTIVE AGRICULTURE

Barabanov, A. T., D.S-Kh.N.- FSC of Agroecology RAS, Volgograd

The article reviews the methodology of and approaches to examining landscape-adaptive agriculture. It analyzes statistical and genetic methods of studying hydrological and erosion processes that serve as the basis for the development of landscape-adaptive systems of agriculture.

Keywords: landscape-adaptive systems of agriculture, soil erosion, hydrology, soil degradation.

УДК 631.872: 633.17

СОЛОМА КАК ОРГАНИЧЕСКОЕ УДОБРЕНИЕ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ СОРГО НА ЗЕРНО В НИЖНЕМ ПОВОЛЖЬЕ

А.В. Зеленев, д.с.-х.н., профессор - ФГБОУ ВО ВолГАУ volgau@volgau.com, Е.В. Семинченко, м.н.с., В.В. Тупицина, м.н.с. - Нижне-Волжский НИИСХ - филиал ФНЦ агроэкологии РАН, niiskh@yandex.ru

Приведенные исследования дают основание считать солому зерновых и зернобобовых культур в условиях светло-каштановых почв Нижнего Поволжья наиболее доступным и менее затратным органическим удобрением, которое положительно влияет на накопление влаги в почве, сохраняет по-

И

спользование соломы и пожнивных остатков сельскохозяйственных культур имеет важное значение для сохранения плодородия почв. Основные элементы питания, которые содержатся в растительных остатках зерновых и зернобобовых культур, вносят существенный вклад в общий баланс питательных веществ.

В состав органического вещества соломы входят необходимые растениям питательные вещества, которые минерализуются микроорганизмами почвы в легкодоступные формы. Из литературных источников [14] известно, что в 5 т соломы содержится 20-35 кг азота, 5-7 кг фосфора, 60-90 кг калия, 10-15 кг кальция, 4-6 кг магния, 5-8 кг серы и другие микроэлементы (медь, марганец, цинк, бор, молибден, кобальт).

Солома - органическое удобрение, которое при разложении выделяет тепло, улучшая тепловые свойства почвы, обогащает углекислым газом приземный слой воздуха, улучшает водно-воздушный режим и общую биологическую активность

чвенное плодородие, повышает урожайность зерна сорго.

Ключевые слова: солома, севооборот, запас продуктивной влаги, коэффициент водопотребления, засоренность посевов, органическое вещество, элементы питания, сорго зерновое, урожайность.

почвы. Внесение в почву соломы вызывает интенсивное разложение целлюлозы микроорганизмами, которые испытывают высокую потребность в азоте. А так как его в соломе небольшое количество, то микроорганизмы потребляют минеральный азот из почвы, т.е. идут потери этого элемента питания за счет процесса иммобилизации. Если азота в почве ограниченное количество, то тормозятся процессы разложения соломы. Поэтому применение соломы необходимо проводить только в сочетании с азотными удобрениями, что активизирует аммонифицирующую и снижает нитрофицирую-щую способность ризосферы, стимулирует развитие клубеньковых бактерий.

Одна тонна соломы зерновых культур по содержанию органического вещества, азота, фосфора и калия равноценна 2-3 т полуперепревшего навоза влажностью 75%. Это определяет довольно высокую ценность соломы как удобрения. Использование соломы в качестве удобрения обосновывается и рядом соображений организационно-экономического характера.

Солома при внесении в почву гумифицируется, что приводит к увеличению содержания гумуса в почве, а, следовательно, повышается ее поглотительная способность, влагоемкость, улучшается структура [8, 11, 12, 13].

Цель и задачи исследования. Целью исследований являлось изучение использования соломы зерновых и зернобобовых культур в качестве органического удобрения при возделывании зернового сорго в полевых биологизированных севооборотах Нижнего Поволжья.

В задачу исследований входило выявить для условий сухостепной зоны светло-каштановых почв Нижнего Поволжья эффективность применения нетоварной части полевых культур и влияние ее на