Влияние агроландшафтных условий на водный режим осушаемых земель Нечернозёмной зоны России

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10802 УДК 631.57+631.6

ВЛИЯНИЕ АГРОЛАНДШАФТНЫХ УСЛОВИЙ НА ВОДНЫЙ РЕЖИМ ОСУШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ НЕЧЕРНОЗЁМНОЙ ЗОНЫ

РОССИИ

М. В. РУБЛЮК, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

Д. А. ИВАНОВ, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАН, зав. отделом

О. В. КАРАСЕВА, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

Всероссийский научно-исследовательский институт мелиорированных земель, пос. Эммаусс, 27, Калининский р-н, Тверская обл., 170530, Российская Федерация

Резюме. Мониторинг элементов водного режима почв осушаемого агроландшафта проводили на опытном полигоне в Тверской области в 1998-2017 гг. На основе полученных данных исследовали динамику гидрологического состояния почв конечно-моренной гряды. В работе показаны изменения водного режима осушаемых почв в различных ландшафтных условиях. В ходе 20-летних наблюдений выявлено, что на распределение влаги в почве под покровным овсом оказывает основное влияние микроландшафтное устройство территории конечно-моренного холма. Наиболее увлажненной была почва в период с 2003 по 2007 гг. - её среднемноголетняя влажность составила 59,5 % предельной полевой влагоемкости (ППВ). Влажность почвы в процентах от ППВ возрастала от вершины вниз по северному склону и в транзите южного склона. Нижний ее предел отмечен в транзитно-аккумулятивном агромикроландшафте южного склона (снижение составило 6,7% ППВ). Влажность почвы зависела отпочвенно-метеорологических факторов. Коэффициент вариации составил 14,2 %. Статистическая обработка данных показала наличие достаточно тесной положительной связи осадков и гидротермических коэффициентов с влажностью почвы (r = 0,71 и 0,64 соответственно). Средние значения уровней почвенно-грунтовых вод в пределах агроландшафта варьировали от 113 до 159 см. Наиболее близкое залегание грунтовых вод (94 см) отмечено в транзитном варианте северного склона, что соответствует оптимальным значениям для зерновых культур, возделываемых на суглинистых почвах. В транзитном варианте склона южной экспозиции и на вершине наблюдали пониженный уровень почвенно-грунтовых вод, что объясняется характером подстилающей породы. Уровень почвенно-грунтовых вод зависит от метеорологических условий года, микроландшафтного устройства территории и экспозиции склона. Ключевые слова: агроландшафт, экспозиция склона, водный режим, влажность почвы, уровень почвенно-грунтовых вод. Для цитирования: Рублюк М.В., Иванов Д.А., Карасева О.В. Влияние агроландшафтныхусловий на водный режим осушаемых земель Нечернозёмной зоны России //Достижение науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 8. С. 8-10. DOI: 10.24411/02352451-2018-10802.

Одна из основных задач при производстве растениеводческой продукции - обеспечение оптимального водного режима почвы. Урожайность сельскохозяйственных культур на осушаемых землях существенно варьирует в зависимости от глубины залегания грунтовых вод даже при поддержании оптимальной влажности почвы с помощью дождевания. Понижение уровня грунтовых вод или повышение его, по сравнению с оптимальным значением, снижает урожай [1]. Изучение водного режима почвы подразумевает не только контроль влаги, поступающей в виде осадков, орошения и расхода на транспирацию, но и учет особенностей территории [2]. Дифференцированное использование осушаемых земель, осуществляемое с учетом их агроэкологического состояния и степени

дренируемости, - один из факторов повышения эффективности мелиоративного земледелия и необходимое условие снижения затрат на производство сельскохозяйственной продукции в гумидной зоне [3]. Критериями водного режима осушаемых почв служат влажность почвы, уровень почвенно-грунтовых вод (УПГВ) и осадки. Для получения высоких урожаев влажность почвы и УПГВ должны поддерживаться в оптимальных пределах. Оптимальная влажность корнеобитаемого слоя почвы, при которой достигается максимальная интенсивность роста растений, изменяется для различных видов культур в пределах 68...90 % наименьшей влагоемкости, в частности: 75.90 % для многолетних трав, 65.80 % для зерновых, 70.85 % для овощных культур [4].

Норма осушения обусловлена, прежде всего, экологическими особенностями возделываемой культуры. Она зависит от свойств почвы и должна обеспечивать формирование зоны, свободной от избыточного увлажнения, в которой порозность аэрации выше слоя капиллярно-замкнутой воды превышает 8.10 % [5]. Норма осушения по Черкасову [6] для зерновых культур на песчаных и супесчаных почвах составляет 55.65 см, на суглинистых - 60.75 см.

Цель нашей работы - исследование данных мониторинга динамики влажности почвы и уровня почвенно-грунтовых вод на различных экспозициях и элементах склона осушенной конечно-моренной гряды.

Условия, материалы и методы. Исследование проводили на опытном полигоне ФГБНУ ВНИИМЗ, заложенном в 1996 г. В его пределах развернут зер-нотравяной севооборот со следующим чередованием культур: 1) овес + травосмесь; 2-4) травосмеси 1-3 года пользования; 5) яровая пшеница; 6) рапс (на сидерат); 7) озимая рожь. Вариантами опыта служили агромикро-ландшафты (АМЛ), которые расположены на вершине холма, его склонах (южный и северный) и в межхолмной депрессии: 1) элювиально-аккумулятивный (Э-А) на вершине, где вместе с нисходящим током веществ и влаги наблюдается их аккумуляция в микропонижениях; 2) элювиально-транзитные (Э-Т) в пределах пологих верхних частей склонов, где происходит нисходящий ток веществ и влаги и их боковое перемещение; 3) транзитные (Т) на центральных частях склонов с преобладанием бокового перемещения веществ и влаги; 4) транзитно-аккумулятивные (Т-А) в наиболее пониженных частях полигона, где совместно с латеральным перемещением веществ наблюдается частичная их аккумуляция из грунтовых и намывных вод.

Почвообразующие породы в пределах полигона имеют двучленный характер. Глубина морены варьирует в пространстве - на южном склоне средняя глубина ее залегания превышает 1 м, в то время как на северном она лежит на глубине 0,5.0,6 м, а местами выходит на поверхность. В элювиально-аккумулятивных микроландшафтах преобладают дерново-подзолистые слабооглеенные почвы, в элювиально-транзитных наблюдается более сложный почвенный покров, состоящий из дерново-подзолистых глеевых и глееватых почв. Наиболее сложная структура почвенного покрова в

Таблица 1. Показатели плодородия почв агромикроландшафтов конечно моренной гряды

Показатель Агромикроландшафт

Т-Аю Тю 1 Э-Тю Э-А Э-Тс Тс Т-Ас

Плотность А , г/см3 1,22 1,23 1,19 1,24 1,29 1,24 1,18

Общая порозность, % 54 53 50 47 50 46 46

Порозность аэрации, % 44 37 34 34 35 26 27

Гумус, % 1,98 2,87 2,79 2,36 2,37 2,78 3,28

рН (KCl) 5,2 5,6 5,4 5,4 4,6 5,7 5,9

Hr мг-экв/100 г 1,96 1,86 2,09 1,98 2,74 1,71 1,68

Р2О5 мг/100 г 54,2 65,8 35,6 39,5 20,2 23,2 22,4

К2О мг/100 г 11,5 12,7 14,3 13,7 10,3 8,7 7,5

транзитных микроландшафтах, в которых она состоит из трех компонентов: глеевой, глееватой и слабооглеенной почвы. Ниже по склону почвенный покров приобретает двухкомпонентный характер.

Характер порозности почв во многом зависит от глубины залегания морены, их кислотные свойства во многом обусловлены рельефом, а на вариабельность содержания питательных веществ наложила отпечаток история полей (табл. 1).

Регион наших исследований характеризуется избыточным увлажнением и господством заболоченных почв. Годы проведения исследований существенно различались между собой по условиям тепло- и вла-гообеспеченности (табл. 2).

Таблица 2. Погодные условия вегетационного периода (апрель-август) в годы проведения исследований

Год ГТК по Селянинову Сумма осадков, мм Jt>10 оС

1998 1,34 212 1675

1999 0,54 55 1798

2000 1,60 151 1872

2001 1,38 143 1805

2002 0,76 69 1731

2003 2,59 204 1810

2004 2,02 149 1752

2005 2,00 179 1897

2006 1,02 165 1700

2007 1,26 71 1749

2008 2,39 186 2183

2009 2,98 257 1960

2010 1,40 137 1839

2011 2,38 184 2183

2012 1,39 132 2060

2013 1,07 115 2184

2014 0,79 109 2121

2015 1,70 146 1946

2016 1,07 106 2093

2017 3,44 200 1815

Среднее

многолетнее 1,66 149 1909

Период наблюдений характеризуется средне-многолетним ГТК значительно превышающим 1,0, что обусловлено невысокой суммой температур. После 2006-2007 гг. наблюдается некоторое повышение сумм активных температур, что отразилось на характере увлажнения почв и глубине залегания грунтовых вод.

Мониторинговые исследования включали в себя наблюдения за влажностью пахотного слоя и уровнем почвенно-грунтовых вод в различных ландшафтных услови-

ях. Влажность почвы определяли термостатно-весовым методом в образцах, отбирае-мыхв центральных частях АМЛ по фазам развития растений в течение 20 лет (1998-2017 гг.) под покровным овсом. Наблюдения за УПГВ проводили на выводных полях, занятых многолетними травами, в течение вегетационных периодов (апрель-август) на протяжении 10 лет (2008-2017 гг.) в стационарных скважинах глубиной 4 м, расположенных в междренных пространствах в центральных частях основных агромикроландшафтов с использованием общепринятой методики [8, 1]. Расстояние между скважинами - 200 м [7].

Результаты исследований. По результатам исследований за период с 1998 по 2002 гг. влажность пахотного слоя почвы под покровным овсом составила в среднем по опыту 50 % от ППВ (табл. 3).

Наиболее сухой была почва на склонах (в Тс и Т-Аю), где снижение влаги составило 5,6 и 4,5% соответственно. Наиболее увлажненной была почва транзитного варианта южного склона. Увеличение влаги здесь достигало 10 % ППВ. Элювиальные варианты занимали промежуточное положение - влажность почвы здесь находилась в пределах 47,8...50,9 % ППВ.

В период с 2003 по 2007 гг. произошло увеличение влажности почвы во всех вариантах опыта в среднем на 9,5 % от ППВ. Наибольшее ее повышение наблюдали в транзите южного склона (на 15 % ППВ). В транзитно-аккумулятивном АМЛ южного склона увеличение влажности почвы было минимальным в опыте (3,9 %). Вместе с тем в этот период отмечены достоверные различия по склонам. На южном склоне влажность почвы была выше на 3,2 %, чем на северном.

С 2008 по 2012 гг. влажности почвы под овсом в среднем по опыту уменьшилась на 7,3 % ППВ. Наибольшее снижение наблюдали в транзитном варианте северного склона (в Т-Ас), где потеря влаги составила 11 % ППВ. В нижней части южного склона (в Т-Аю) уменьшение влажности было самым незначительным (1,1 %). Влажность почвы в 2013-2017 гг. находилась в пределах 41,2.71,7 % ППВ. По сравнению с предыдущим периодом отмечено ее снижение в среднем на 2,7 %.

Таким образом, влажность пахотного слоя почвы под покровным овсом в среднем за 20 лет по вариантам АМЛ достоверно изменялась от 46,1 до 68,8 % ППВ при коэффициенте вариации 14,2 %.

Установлено, что наиболее увлажненной была почва транзитного АМЛ южного склона (среднее увеличение влажности составило 15%). Нижний предел величины

Таблица 3. Влажность пахотного слоя почвы под покровным овсом за 19982017 гг.

Структурный элемент ландшафта АМЛ Период Среднее

19982002 20032007 20082012 20132017

Склон южной Т-Аю 45,5 49,4 48,3 41,2 46,1

экспозиции Тю 60,0 75,0 68,5 71,7 68,8

Э-Тю 50,9 58,9 54,5 49,2 53,4

Вершина Э-А 48,3 59,0 49,1 46,0 50,6

Склон северной Э-Тс 47,8 54,5 45,2 43,7 47,8

экспозиции Тс 44,4 58,1 49,4 46,7 49,7

Т-Ас 53,2 61,3 50,3 47,5 53,1

Среднее 50,0 59,5 52,2 49,5 52,8

НСР05 6,3 10,6 11,6 9,3 7,8

Таблица 4. Уровень залегания почвенно-грунто-вых вод, см от поверхности почвы

Структурный элемент ландшафта АМЛ Период Среднее

20082012 20132017

Склон южной Т-Аю 114 122 118

экспозиции Тю 137 182 159

Э-Тю 118 151 134

Вершина Э-А 131 153 142

Склон север- Э-Тс 112 138 125

ной экспозиции Тс 94 132 113

Т-Ас 115 135 125

Среднее 117 145 131

НСР05 - 48 -

этого показателя отмечен в транзитно-аккумулятивном АМЛ южного склона (снижение 6,7 %). В пространственном аспекте отмечена тенденция повышения влажности почвы от вершины вниз по северному склону. Влажность почвы под покровным овсом достоверно различалась по экспозициям склонов и микроландшафтам. Статистическая обработка данных показала ее тесную положительную связь с осадками (г = 0,71) и ГТК (г = 0,64).

В среднем за вегетационный период (апрель-август) среднемноголетнее значение УПГВ за 2008-2012 гг. в целом по агроландшафту составило 117 см (табл. 4).

Наиболее близкое к поверхности залегание грунтовых вод (94 см) отмечено в транзитном варианте северного склона, что соответствует оптимальному уровню для зерновых культур, возделываемых на суглинистых почвах. На склоне южной экспозиции (в Тю) и на вершине (в Э-А) отмечен пониженный УПГВ, что объясняется характером подстилающей породы (на южном склоне она песчаная) и отсутствием притока воды на вершине

холма. По другим вариантам УПГВ различался незначительно и находился в пределах 112.118 см.

В 2013-2017 гг. отмечено понижение УПГВ на всех изучаемых микроландшафтах. Это объясняется уменьшением суммы выпавших осадков на 25 %, по сравнению с предыдущим периодом. Наиболее низкий УПГВ наблюдали на южном склоне (в Тю и Э-Тю) и на вершине - 182, 151 и 153 см соответственно. Во всех вариантах северного склона грунтовые воды находились на уровне 132. 138 см. В среднем за 10 лет УПГВ во время вегетационного периода был ниже 110 см, что свидетельствует о хорошей работе дренажной системы. Уровень почвенно-грунтовых вод находился ниже оптимальных значений на всех изучаемых микроландшафтах и грунтовые воды не принимали участия в формировании водного баланса корнеобитаемого слоя почвы. Колебание УПГВ в пределах агроландшафта имело сезонный характер: повышение - в весенние месяцы (апрель, май) и резкое снижение - в летний и раннеосенний период, и особенно сильно это было выражено на южном склоне [8].

Выводы. В пределах мелиорированного конечно-моренного холма водный режим почв под покровным овсом формируется, в основном, под влиянием агро-микроландшафтных и метеорологических факторов. В среднем за 20-летний период наблюдений наиболее увлажненной была почва центральной части южного склона (в среднем за вегетационный период 68,8 % от ППВ), наименее - нижней части южного склона (46,1 %). Выявлена тенденция увеличения влажности почвы от вершины вниз по северному склону.

Уровень почвенно-грунтовых вод в пределах агроландшафта зависит от метеорологических условий года, микроландшафтного устройства территории и экспозиции склона.

Литература.

1. Проведение научных исследований на мелиорированных землях избыточно увлажненной части СССР. Методические указания. Калинин: ВНИИМЗ. 1984. 161 с.

2. Герасимов В.О., Пчелкин В.В. Водный режим картофеля на дерново-подзолистых почвах водоразделов Московской области // Мелиорация и водное хозяйство. 2015. № 4. С. 31-34.

3. Петрова Л.И., Митрофанов Ю.И., Первушина Н.К. Эффективность размещения культур севооборотов на осушаемых землях в разных агроэкологических условиях// Мелиорация и водное хозяйство. 2015. № 2. С. 19-22.

4. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. М.: Колос, 1996. 367 с.

5. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. М.: Из-во МГУ, 1987. 304 с.

6. Черкасов А.А. Мелиорация и сельскохозяйственное водоснабжение. - 2-е, доп. изд. М.: Сельхозгиз., 1939. 420 с.

7. Иванов Д.А., Абрамов В.А. Динамика уровня почвенно-грунтовых вод в пределах агроландшафта //Мелиорация и водное хозяйство. 2014. № 4. С. 7-9.

8. Ананьев В.П., Передельский Л.В. Инженерная геология и гидрогеология: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1980. 271 с.

INFLUENCE OF CONDITIONS OF AGRICULTURAL LANDSCAPES ON WATER REGIME OF DRAINED LANDS IN THE NON-CHERNOZEM ZONE OF RUSSIA

M.V. Rublyuk, D.A. Ivanov, O.V. Karaseva

All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands, pos. Emmauss, 27, Kalininskii r-n, Tverskaya obl., 170530, Russian Federation Abstract. In 1998-2017 on an experimental field of the All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands the monitoring of the elements of the soil water regime of the drained agricultural landscape was carried out. On the basis of the obtained data, the dynamics of the hydrological status of soils of a dead-ice ridge was studied. The paper shows the changes in the water regime of drained soils under different landscape conditions. In the course of 20-year observations, it was revealed that the distribution of moisture in the soil under cover oat is mainly influenced by the micro-landscape structure of the territory of the dead-ice hill. The soil was the most humid during the period from 2003 to 2007; its average annual moisture was 59.5% of the maximum field moisture capacity (MFMC). Soil moisture, expressed in terms of percentage of MFMC, increased from the top to the down of the northern slope and in the transit of the southern slope. The lower limit of soil moisture was observed in the transit-accumulative agricultural micro-landscape of the southern slope (the decline was 6.7% of MFMC). Soil moisture depended on soil and meteorological factors. The coefficient of variation was 14.2%. Statistical data processing revealed a close positive correlation between precipitation and hydrothermal coefficients with soil moisture (r was 0.71 and 0.64, respectively). The average values of the levels of groundwater within the agricultural landscape varied from 113 to 159 cm. The closest occurrence of groundwater (94 cm) was noted in the transit variant of the northern slope, which corresponds to the optimal values for cereals cultivated on loamy soils. In the transit variant of the slope of the southern exposition and at the top, a lowered level of soil-groundwater was noted, which was explained by the nature of the underlying rock. The level of soil-groundwater depends on meteorological conditions of a year, micro-landscape organization of the territory and the slope exposure. Keywords: agricultural landscape; slope exposure; water regime; soil moisture; level of groundwater.

Author Details: M.V. RUBLYUK, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow (e-mail: 2016vniimz-noo@list.ru); D.A. IVANOV, D. Sc. (Agr.), corresponding member of the RAS, head division; O.V. KARASEVA, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow.

For citation: Rublyuk M.V., Ivanov D.A., Karaseva O.V. Influence of Conditions of Agricultural Landscapes on Water Regime of Drained Lands in the Non-Chernozem Zone of Russia. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. № 8. Pp. 8-10. (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10802.