WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

КОВАЛЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

МЕЛИОРАЦИЯ ЭРОДИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ

В СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТАХ ПРИВОЛЖСКОЙ

ВОЗВЫШЕННОСТИ

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация

и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Научный

руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Проездов Петр Николаевич

Официальные оппоненты:

член–корреспондент Россельхозакадемии, доктор технических наук,  профессор кафедры «Мелиорация земель» ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»,

Заслуженный деятель науки РФ

Ольгаренко Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Комплексное использование водных ресурсов и экология» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»,

Заслуженный эколог РФ 

Лобойко Владимир Филиппович

Ведущая

организация

ФГБНУ «Волжский НИИ гидротехники

и мелиорации»

Защита состоится  3 декабря  2012 года в 10 ч 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 2 ноября 2012 г. и размещен на официальном сайте ВАК РФ.

Ученый секретарь

диссертационного совета, профессор

А.И. Ряднов

               ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема защиты почв от эрозии является важнейшей в аграрном секторе экономики РФ. По данным ВНИИ агролесомелиорации (ВНИАЛМИ, 2008), 65 % пашни, 28 % сенокосов и 50 % пастбищ в России подвержены эрозии. Только в Саратовской области протяженность оврагов около 40 тыс. км с ежегодным приростом 2 %. Проблема усугубилась в связи с резким сокращением в нашей стране противоэрозионных работ. В целях борьбы с эрозией и заилением Волгоградского водохранилища в 50–80–е гг. XX в. созданы сотни километров земляных валов и лесных полос, которые требуют ремонта и восстановления.

Комплекс противоэрозионных мелиораций включает в себя организацию территорий на контурной основе, агро–, лесо– и гидромелиоративные мероприятия; строительство водозадерживающих валы с лесными полосами – противоэрозионных рубежей, создаваемых дифференцированно от водораздела до гидрографической сети включительно.

Цель работы восстановление и мелиорация земель, разрушенных линейной и поверхностной эрозией, в степных агроландшафтах Приволжской возвышенности.

Задачи исследований:

  • установление  регрессионно–корреляционных зависимостей эрозии от параметров рельефа с обоснованием регрессионных уравнений расстояний между водозадерживающими валами с лесными полосами и щелями;
  • прогноз повторных размывов почвогрунтов засыпанных оврагов,  совершенствование технологических приемов по засыпке и выявление воздействия щелевания и лесных полос на эрозию;
  • совершенствование технологических приемов по  устранению разрушений валов с изучением водозадерживающей способности валов;
  • изучение водопотребления трав пастбищных угодий под влиянием гидротехнических и лесных мелиораций;
  • экономическая оценка мелиорации эродированных пастбищных угодий.

Научная новизна исследований:

  • уточнены геоморфологические факторы роста оврагов с установлением регрессионно–корреляционных связей между длиной пояса отсутствия линейной эрозии (неразмываемых участков) и уклонами. Зависимости использовались при обосновании расстояний между противоэрозионными рубежами (валами, лесополосами). В межрубежных пространствах обосновано межщелевое расстояние с заполнением щелей сечкой соломы с целью борьбы с эрозией, заилением и льдистостью;
  • обоснована протяженность неразмываемых участков при повторных размывах почвогрунта засыпанных оврагов с применением в регрессионных зависимостях экспериментальных данных интенсивности снеготаяния и инфильтрации мерзлой почвы;
  • обосновано ограничение строительства водозадерживающих валов по рабочей высоте, при превышении которой более 2 м предусмотрено создание сдвоенных валов;
  • водопотребление трав пастбищ вблизи валов и лесополос учитывало динамику формирования снежных шлейфов и наполнения водой прудов валов.

Основные положения, выносимые на защиту:

  • зависимости эрозии от параметров рельефа с обоснованием регрессионных уравнений расстояний между валами с лесополосами и щелями;
  • совершенствование технологических приемов восстановления эродированных пастбищ: засыпка оврагов и результаты прогноза повторных размывов почвогрунтов засыпанных оврагов;
  • совершенствование технологических приемов по устранению разрушений водозадерживающих валов;
  • зависимость водопотребления трав пастбищ от гидротехнических и лесных мелиораций.

Научная и практическая значимость. Теоретические разработки позволяют решить ряд научно–прикладных задач, связанных с повышением эффективности комплекса противоэрозионных мелиораций, оценить современное состояние эродированных земель, определить основные направления решения проблем их восстановления.

На основании проведенных исследований производству предложены технологические приемы по вовлечению эродированных земель в сельскохозяйственный оборот. Акт внедренных мероприятий согласно Госконтракту № 0360100011811000027–0165859–01 от 06.07.2011 г. приведен в диссертации.

Материалы диссертации представлены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» тремя методическими указаниями и руководствами объемом 9,38 печ. л., из которых авторских – 4,16 печ. л.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом экспериментального материала, обобщением исследований ученых–предшественников, математической обработкой данных  с использованием компьютерных программ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно–практических конференциях различных уровней: ППС и аспирантов Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (2011, 2012); «Вавиловские чтения–2010» (Саратов, 2010); «Молодые ученые – АПК России» (Саратов, 2009); «Инновации – молодой взгляд в будущее» (Саратов, 2011)» «Научные исследования – основа модернизации сельскохозяйственного производства» (Тюмень, 2011); «Актуальные проблемы развития АПК в научных исследованиях молодых ученых» (М., 2011); «Инновационные процессы в АПК» (М., 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ объемом 5,3 печ. л. (2,2 печ. л. лично автора), в том числе  4 научные работы объемом 3,2 печ. л. (0,9 печ. л. лично автора) в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений производству, изложена на  132 страницах компьютерного текста, содержит  11 таблиц, 20 рисунков, список литературы из 241 наименования, в том числе 28  иностранных. Приложения представлены на 9 страницах с 7 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, а также основные положения, выносимые на защиту; обоснованы научная новизна, научная и практическая значимость; доказана достоверность полученных результатов и выводов, рекомендаций производству.

  1. Аналитический обзор (состояние вопроса)

Проблема эрозии почв и противоэрозионных мелиораций (ПЭМ) остается одной из актуальнейших в России, главнейшими вехами попыток разрешения которой являются работы Докучаевской экспедиции Лесного департамента 1892–1899 гг. и песчано–овражных партий 1908–1916 гг., реализация планов преобразования природы, принятых в 1921, 1948, 1966, 1967 гг.

В разделе изложены история и современное состояние проблемы с анализом отечественного и зарубежного опыта восстановления эродированных земель: В.В. Докучаев (1878, 1953), Г.Н. Высоцкий (1938, 1952), В.М. Борткевич (1915), А.С. Козменко (1937, 1954), А.Н. Костяков (1960), И.А. Кузник (1938, 1962), С.С. Соболев (1948, 1960), Н.И. Сус (1949),  Г.П. Сурмач (1976, 1992), А.Г. Рожков (1981), М.Н. Багров (1981), М.С. Григоров, Н.Н. Дубенок (1993), В.И. Ольгаренко (1980, 2006), Б.Ф. Косов и др. (1970, 1978, 1984), Ц.Е. Мирцхулава (1970), Г.И. Швебс (1974), Е.В. Полуэктов (1984,1989), Ю.П. Поляков (1977, 1999), В.Ф. Лобойко (2010), В.М. Ивонин (1983, 1992), М.Д. Волощук (1993),  И.Г. Зыков (1985, 2008), А.И. Шабаев (1981, 2011), П.Н. Проездов (1983, 1999, 2008, 2011), Х.Х. Беннетт (1958), Р.Е. Хортон (1948), Д. Китридж (1951), G.P. Grahau (1984), L. Parent (1982), H.I. Eiedler (1973), W.H. Wishmeier, P.P. Smith (1958) и др.

В степной зоне Приволжской возвышенности объекты ПЭМ создали: Н.И. Сус (1925, 1949); И.А. Кузник, А.В. Лысов, В.А. Калужский, П.Н. Проездов (1968, 1970, 1976, 1978); Э.П. Дик (1973); Т.М. Трифонова (1968, 1978); А.И. Шабаев (1974); П.Н. Проездов (1977, 1983, 1999, 2008, 2012).

Анализ накопленного с начала 1960–х гг. опыта по защите эродированных угодий показывает, что эффективность восстановления нарушенных земель сдерживается недостаточным научно–техническим обоснованием и практическим применением.

2. Объекты, условия и методика исследований

Объектами наблюдений и исследований являются овражно–балочные сети (ОБС) (рис. 1) и системы противоэрозионных мелиораций (ПЭМ) (рис. 2, 3), расположенных на территории ОПХ Саратовского агроуниверситета им. Н.И. Вавилова и СПК «Вязовский» Татищевского района Саратовской области.

Система ПЭМ, созданная под руководством И.А. Кузника в 1964 г., включает следующие элементы (см. рис. 2, 3):

– организацию территории на контурной ландшафтной основе;

– засыпку оврагов глубиной до 5 м, шириной по верху до 10 м и объемом грунта до 25 м3/м;

– планировку мелиоративных участков после засыпки оврагов с сохранением плодородного слоя почвы;

– внесение навоза до 50 т/га + N90P60;

– посадку двух лесных полос (1965) плотной конструкции, каждая по 1 га (длиной 508 м и шириной 19,5 м, 13–рядные с междурядьем 1,5 м и главной породой – лиственницей с сопутствующими ей ясенем ланцетным и кустарниками по опушкам). Выше по рельефу контурная стокорегулирующая ЛП совмещена в верхней опушке с валами высотой 1,2–1,4 м. В вершине засыпанного донного оврага – вал высотой 1,6 м. Под валами – 1,3 га, ЛП – 2 га, между ЛП – 16,7 га;

– фитомелиорацию первые 9 лет с последующим введением полевых севооборотов; удобрения и мелиоративные приемы: навоз 7 т/га + N90P60К30; щелевание посевов культур и пастбищ с заделкой щелей растительными остатками; мульчирование соломой.

Климат степной зоны Приволжской возвышенности – засушливо–континентальный. Норма температуры – 4,2 °С, осадков – 424 мм. За вегетационный период осадки составляют  около 70 %.

Рельеф степи Приволжской возвышенности всхолмленный, с расчлененностью 0,9–2,4 км/км2.

Зона аэрации включает почвы с А + В < 0,5 м с содержанием опоки до 20–30 %, глубже располагается трещиноватая опока 0,6–1,7 м, далее следуют суглинки мощностью 2,3–3,9 м, затем над водоупором грунтовых вод – супеси и пески.

Грунтовые воды расположены: в оврагах на глубине 1,3–2,0 м, присетевом фонде 5–10 м, приводораздельном – 10–15 м. Грунты не засолены, плотный осадок < 0,1 %, минерализация ГВ – до 1,4 г/л.

Рисунок 1 – Овражно–балочные сети в степной зоне Приволжской

возвышенности (СПК «Вязовский»)

Рисунок 2 – Схема опытов в ОПХ СГАУ, СПК «Вязовский»

1 – водозадерживающие валы (ВВ); 2 – лесные полосы (ЛП); щелевание (Щ) пастбищ; мульча вертикально (МЧВ 5 т/га); 3 – засыпка склоновых  оврагов;  4 – засыпка донных  оврагов; 5 –повторный размыв после засыпки оврага

Рисунок  3 – Опытный водосбор 

Почвообразующие породы – опоки (реже – суглинки) определяют неполный профиль. Почва – чернозем южный неполноразвитый  щебенчатый среднесуглинистый на опоке от слабо– до сильносмытых и размытых. Содержание гумуса 2,5–6 %. Плотность сложения почв и грунтов 0,95–1,5 г/см3, пористость – 56–62 %, наименьшая влагоемкость пахотного слоя – 24–25 %, водопроницаемость – от 0,86 на пастбищах до 1,46 мм/мин в лесных полосах.

Степная зона Приволжской возвышенности характеризуется ливнево–снежным типом влияния климата на гидрологические и эрозионные процессы с незначительным преобладнием снеготаяния при заметной роли ливней (Арманд Д.Л., 1958; Кузник И.А., 1962; Львович М.И., 1963, 1974; Сурмач Г.П., 1976, 1992; Keller R., 1971).

Основой исследований послужила совокупность методов, применяемых в мелиорации, геодезии, почвоведении, земледелии, гидрологии, агролесомелиорации и др. Опыты выполнены по общепринятым методикам ведущих НИИ и вузов России (МГУ, 1976, 1981), МГУП (1983, 2001), ВНИАЛМИ (1973, 1985, 1987), ВНИИЗиЗПЭ (1985, 1991), ВНИОЗ (1983), НИИСХ Юго–Востока (1973).

Динамику роста оврагов, протяженности зон отсутствия линейной эрозии, отметок водосбросов и др. осуществляли с помощью геодезических инструментов (УОМЗ 2Та5; УОМЗ ЗН5Л) и реперов.

Эффективность эксплуатации валов устанавливалась наблюдениями за наполнением, инфильтрацией, сбросом стока воды с выявлением причин разрушения.

Параметры при засыпке оврагов определяли согласно ГОСТ 17.5.3.05–84 и 17.5.3.05–85 «Охрана природы. Рекультивация земель. Земли», Указаниям по разработке техно–рабочих проектов и производству работ по выполаживанию и засыпке оврагов (М., 1979) и др. Планировку участка после засыпки оврагов осуществляли по методике М.Н. Багрова и др. (1981). Прогноз повторных размывов мест засыпанных оврагов проводили согласно методу Ц.Е. Мирцхулавы (1970), а разработку технологических приемов эксплуатации валов – по В.И. Ольгаренко (1980) и М.С. Григорову, Н.Н. Дубенок (1993).

Элементы водного баланса и эрозия исследовались нами согласно Методическим рекомендациям по учету поверхностного стока и смыва почв при изучении водной эрозии (Л., 1975).

Варианты влияния лесных полос, щелевания с мульчей щелей на элементы водного баланса, эрозию почв и варианты воздействия гидротехнических и лесных мелиораций на водопотребление и продуктивность трав пастбищ приведены на рис. 3. Размеры стоковых площадок 50 12 м. Щели глубиной 0,3 м нарезались ЩН–2–140 через 1,4 м, заполнялись сечкой соломы 0,15–0,20 м на глубину 0,10–0,15 м в дозе 5 т/га вручную с целью защиты от заиления и  льдистости.

Водно–физические свойства почв определяли по методу Н.А. Качинского (1965, 1976), А.А. Роде (1965, 1969), водопотребление трав пастбищ по А.Н. Костякову (1960), а продуктивность естественного травостоя – на площадках 0,5 м 0,5 (0,25 м2) в пятикратной повторности (НИИСХ Юго–Востока, 1973; Доспехов Б.А., 1987).

Для математической обработки опытных данных применяли дисперсионный, регрессионный и корреляционный анализы с использованием методики Б.А. Доспехова (1987) и типовых компьютерных программ Statistica 7,0, Microsoft Excel и Origin 6,0.

3. Теоретическое обоснование противоэрозионных мелиораций

Теория предусматривала установление на основе эмпирического и аналитического методов регрессионных зависимостей: между ростом оврагов и изымаемых ими угодий, факторами, их обусловливающими; между длиной пояса отсутствия линейной эрозии и уклонами склонов; межрубежных (между валами) и межщелевых расстояний с целью прекращения линейной и уменьшения поверхностной эрозии до допустимой величины.

В результате  топографической съемки ОБС были установлены расстояния от водоразделов до вершин оврагов, где отсутствовала линейная эрозия до уклона 0,025 (1,5°). Это расстояние И.А. Кузник (1970) обозначил поясом отсутствия линейной эрозии, зависящим от почвенно–климатических условий, экспозиций и, главное, крутизны склонов. Нами установлены регрессионные зависимости между длиной пояса отсутствия линейной эрозии (L, м) и уклоном (J) (рис. 4):

  L = 1535 – 43758J + 4,7E5J2 – 1,72E6J3. (3.1)

Коэффициент детерминации составил R2 = 0,76 (Проездов П.Н., Маштаков Д.А., Ковалев А.Н., 2011).

Рост и развитие оврагов зависит от многих факторов, из которых  выделены следующие: уклон, площадь водосбора, длина и вершинный перепад оврага. Определены соответствующие регрессионные уравнения с построением поверхностей откликов – зависимости скорости роста оврагов V, м/год, – 1) от водосборной площади F, га, и величины вершинного перепада h, м: V =  –1,0 + 1,3F + 0,1h (R2 = 0,87); 2) водосборный площади и длины отвершков оврагов L, м: V = 10,8 – 0,2F –

– 0,12L + 0,001F2 + 0,004FL –  0,002L2 (R2 = 0,75); 3) уклона склона J и времени продвижения оврага к водоразделу Т, лет: V = 22,8 – 0,3Т +

+ 0,0008Т2 + 2,0JT +  478J2 (R2 = 0,92).

Средняя величина прироста склоновых оврагов – 3,5 м/год, заовраженных земель – 0,15 га/год на 100 га водосбора.

К 2100 г. прогнозируется появление не менее четырех оврагов, которые будут изымать угодья из сельскохозяйственного пользования (см. рис. 1). Прогнозируемая продолжительность продвижения склоновых оврагов к водоразделу зависит от скорости роста оврагов, уклона склона и водосборной площади: зависимость – обратно пропорциональная с коэффициентами детерминации  R2 = 0,92–0,98. Время продвижения оврагов до нижней границы пояса отсутствия линейной эрозии от 30 до 200 лет (некоторых оврагов – до 400 лет).

Рисунок  4 – Зависимость длины пояса отсутствия  линейной эрозии

от уклона (крутизны) склона

Эффективность системы ПЭМ определяется оптимальным размещением ее элементов в агроландшафтах, надежностью гидрологического обоснования, доступностью выполнения соответствующих мелиоративных приемов.

Мощность водного потока, формирующегося на склоне в поясе отсутствия линейной эрозии:

N0 = F0V0 = m0a0V0,

где N0 , F0, V0, a0 – соответственно мощность, сила, скорость, ускорение,  масса водного потока в зоне отсутствия линейной эрозии АВ (рис. 5).

На нижерасположенном участке склона (ВС) мощность потока воды: N1 = m1a1V1. Чтобы не образовывались овраги на участке склона ВС, должно быть выполнено условие: N0 = N1, или m0a0V0 = m1a1V1. Далее  m0 = d0l0L0h0; m1 = d1l1L1h1, где d0, d1 – плотность почвогрунта;  l0, l1 – ширина склона; L0, L1 – длина склона; h0, h1 – слой поверхностного стока, который до уклона 0,14 (8°) (Львович М.И., 1963, 1975; Кузник И.А., 1963, 1970; Проездов П.Н., 1983, 1999),  не зависит от длины и крутизны склона – h0 h1, а для динамики линейной эрозии можно принять – d0 d1, a0 = V0/t0, t0 t1.

Рисунок 5 –  Динамика развития склонового оврага

(к теории эрозии почв и противоэрозионных мелиораций)

Согласно формуле А. Шези   и , где  c0, c1 – коэффициенты А. Шези ; R0, R1 – гидравлические радиусы, равные слою поверхностного стока h0, h1;  J0, J1 – уклоны участков; (J  0,14). Для линейной эрозии  – c0 c1.

Мощность водного потока на 1 м ширины склона или длины вала–канавы  l0 = l1 = 1 м:

N0 = L0J0  и N1 = L1J1. Но N0 = N1 , тогда  L0J0 = L1 J1; L1 = L0J0 / J1. 

По И.А. Кузнику (1970)  (3.2)

Отметив ранее, что длина пояса отсутствия линейной эрозии до крутизны склона в 1,5° (0,025) не зависит от протяженности склона, примем L0 = LПЗЛП, а J0 = 0,025.

  LCЛП–В = LПЗЛП(0,025/ J),                        (3.3)

где LCЛП–В, LПЗЛП – соответственно расстояния между валами или стокорегулирующими ЛП с валами–канавами, полезащитными ЛП (LПЗЛП = 250–600 м); LПЗЛП = 400 м; J – уклон склона в межполосном пространстве (J = 0,025–0,14); J = 0,07 (4,5°).

Итак, придерживаясь расстояний между противоэрозионными рубежами (лесными полосами, валами–канавами и др.), указанными на рис. 4, рассчитанными по формуле (3.3), решаем проблему линейной эрозии в целом и частично – поверхностного смыва, для уменьшения которого в рубежных пространствах предусматривается комплекс агро–, фито–, хемомелиоративных мероприятий. Эффективным методом защиты почв от смыва оказалось щелевание с вертикальным мульчированием щелей сечкой соломы на глубину 0,10 м в целях борьбы с заилением и льдистостью (см. раздел 4).

Расстояние между щелями при щелевании культур, пастбищ Lщ, м, определяется по следующей зависимости (Проездов П.Н., Маштаков Д.А., Ковалев А.Н., 2011):

  Lщ = КгА60р/АIe0,5i,                      (3.4)

где Кг – коэффициент, учитывающий гранулометрический состав почв; 2,5 Кг 3,5; Кг  = 3,5 – среднесуглинистые; А60р  – коэффициент, учитывающий влияние растительности (р 60 %, А60р  = 0,7; р > 60 % А60р  = 1,0); АI  – коэффициент, учитывающий влияние уклона: I = 0,07 АI = 1,7; e0,5i – коэффициент, учитывающий ударное воздействие капель; i – интенсивность осадков, мм/мин; e – основание натурального логарифма.

Доза вертикального мульчирования (сечка соломы длиной 15–20 см на глубину щелей 10 см) (Проездов П.Н., Маштаков Д.А., Ковалев А.Н., 2011):

  ДМЧВ = 10000сdщhМЧВ/Lщ,             (3.5)

где ДМЧВ – доза вертикального мульчирования, т/га; 10000 – переводной коэффициент на 1 га; с – плотность сложения соломы, т/м3; dщ  – толщина щели, м; Lщ  – глубина вертикального мульчирования, м.

Проблема защиты земель от эрозии решается применением комплексной мелиорации организационно–хозяйственных, агро–, лесо– и гидромелиоративных мероприятий дифференцированно от водораздела до гидрографической сети включительно.

4. Совершенствование технологических приемов

восстановления эродированных земель

На опытном и др. водосборах (см. рис. 2, 3) осуществляли засыпку оврагов с последующим исследованием повторного размыва засыпанных оврагов; планировку участка с определенным объемом почвы; наблюдения за балансом воды в прудах валов и эрозией в системе лесных полос со щелеванием; устанавливали причины разрушения валов и разрабатывали приемы их восстановления. Определение необходимых параметров по технологии засыпки склоновых оврагов (см. рис. 3) предусматривало расчеты объемов земляных работ, а также таких показателей, как ширина полосы среза, максимальная глубина срезаемого слоя, длина выположенного откоса, которые не рассчитываются, что приводит к завышению объемов земляных работ более чем на 15 %.

В расчетах из всех параметров, влияющих на объем земляных работ при засыпке оврагов, наиболее регулируемым является крутизна выполаживания откосов. Чем больше угол выполаживания, тем меньше объем земляных работ, ширина полосы среза, максимальная глубина срезаемого слоя почвогрунта и длина выположенных откосов: при глубине оврага 4 м, ширине 10 м, крутизне откосов 40° ширина полосы среза составляет 5,5 м, объем – 7 м3/м.

Нами на опытных участках применялась технология работ по выполаживанию оврагов с сохранением плодородного слоя почвы:

– срезание и складирование гумусового слоя в кавальеры;

– срезание и перемещение грунта (опоки) на дно оврага, уплотнение – до горизонтальной поверхности; при значительной ширине оврага по верху > 8 м оставляли ложбины с поперечной крутизной до 1,5–2° (впоследствии засеваемые);

– возвращение гумусового слоя из кавальеров на полосы среза и поверхность засыпанного оврага;

– планировка участка с объемом почвы до 400 м3/га (срезка почвы до 4 см) при мощности почвы А + В < 0,5 м.

Прогноз повторного размыва почвогрунтов засыпанных оврагов проводили, исходя из сравнения донной допускаемой неразмывающей (4.1) и фактической скоростей потока воды (4.2) (Мирцхулава Ц.Е., 1970) с применением в формулах полученных нами данных  интенсивности снеготаяния и инфильтрации воды в мерзлый грунт (Проездов П.Н., Маштаков Д.А., Ковалев А.Н., 2008, 2011).

,  (4.1)

где g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; γw – удельный вес воды, (9810 Н/м3); γ – удельный вес частиц грунта: для песков и супесей γ = 26500 Н/м3, для суглинков и глин γ = 27000 Н/м3; d – средний диаметр отрывающихся агрегатов грунта: для песков, супесей, суглинков и глин и d = 0,001; 0,0031; 0,004 и 0,0043 м соответственно; п – коэффициент перегрузки, учитывающий влияние пульсации скоростей потока на его размывающую способность; Сш – сцепление грунта; для супесей, суглинков и глин Сш составляет соответственно 20 103,  30 103 и 40 103 Н/м2; Кнар –– коэффициент, учитывающий уменьшение сил сцепления в грунте и восстановление их со временем:

,

где Кр – коэффициент разупрочнения; для песка, супеси и суглинка Кр = 3,2; 4,4 и 5,7 соответственно; пиc – коэффициент интенсивности самоупрочнения, для песка и суглинка пиc = 0,08, для супеси – 0,15; t –  время, прошедшее с момента нарушения структуры грунта; Код – коэффициент однородности грунта, при отсутствии экспериментальных данных Код принимается равным 0,5. Для грунтов естественного сложения Кнар = 1.

VΔH = 22,2(i – io)0,3⋅x0,3⋅J0,35⋅no0,30⋅mi0,7, (4.2)

где i – интенсивность осадков, м/с, i = 0,3–2,0 мм/мин = 0,000005–0,00003 м/с; интенсивность снеготаяния, м/с; i = 0,08–0,12 мм/мин = = 0,0000013–0,000002 м/с; io – интенсивность впитывания влаги в грунт, м/с : для талых грунтов, io = 0,2–1,2 мм/мин; для мерзлых грунтов – 0,05–0,1 мм/мин = 0,0000008–0,0000017 м/с; X – расстояние от водораздела, м; J – уклон склона; n0 – коэффициент шероховатости русла потока, для грунта засыпки без растительности n0 = 0,025, при наличии однолетнего травяного покрова – 0,04; mi – коэффициент, учитывающий отклонение характера движения склонового стока от движения ровного слоя воды, для склона, изрезанного промоинами, mi = 1,5, для выровненного склона – 1.

При VΔн < VΔд повторного размыва не происходит. Если VΔн>VΔд, то рассчитывают длину участка, не подверженного эрозии по нашей формуле  (Проездов П.Н., Ковалев А.Н., 2012) (см. рис. 6):

/

Результаты расчетов показали, что на половине участков оврагов могут произойти повторные размывы, для предотвращения которых созданы водозадерживающие валы и лесные полосы, применены агромелиоративные приемы.

Эксплуатация нескольких сотен километров валов, построенных в 1950–1960–х гг. в целях борьбы с эрозией и заилением Волгоградского водохранилища, позволила нам установить причины разрушения валов: отсутствие водообходов (водосбросов); неравенство отметок дна водообходов и зеркала воды пруда вала (рис. 7); заиление пруда вала; ледяная корка в пруду вала от зимних оттепелей; рабочая высота вала > 2 м.

Рисунок 6 – Расчетная схема повторного размыва склонового оврага с постоянным уклоном

Последние две причины устраняются строительством сдвоенных валов с рабочей высотой каждого < 2 м (см. рис. 3,8). Сдвоенные (сосредоточенные) валы имеют преимущество перед одиночными: в пруду нижерасположенного вала не образуется ледяная корка от зимних оттепелей, и талая вода весной инфильтрует в почвогрунт.

При рабочей высоте вала > 2 м (3–4 м и более) депрессионная кривая выходит на сухой откос и вместе с водой фильтруется грунт вала, что влечет создание дренажной призмы с удорожанием строительства, не нужного для валов (см. рис. 8).

В 2009–2011 гг. водозадерживающими валами аккумулировано 10,9 тыс. м3 талой воды, сброса с валов не наблюдалось (табл. 1).

В межрубежных пространствах после засыпки оврагов испытывались варианты щелевания и лесных полос, указанные на рис. 3 и в табл. 2.

Необходимо отметить, что по значениям снегозапасов накануне снеготаяния зимы 2008–2009 гг. и 2009–2010 гг. являются средними с вероятностью превышения 50 % (25–75 %), а зима 2010–2011 гг. – малоснежной с объемом запасов воды в снеге 76–98 мм.

Щели с мульчей и лесные полосы увеличивают снегозапасы на 14 и 40 % соответственно.Весенний сток с открытых пастбищ наблюдался в 2010 и 2011 гг. величиной около 10 мм с коэффициентом стока 0,10–0,13 и смывом почвы 0,12–0,31 т/га.

Щелевание пастбищ уменьшило эрозию почвы до 0,03–0,09 т/га, что значительно ниже допустимых величин: 0,2 т/га – для щебенчатых неполнопрофильных южных черноземов на опоке (Проездов П.Н., 1999, 2008).

Hвод = Нзер = hp + Нос

Hвод – отметка дна водообхода; hp – рабочая высота вала, м;
hвод – глубина воды на водообходе (hвод= 0,1 м); в1 – ширина порога водообхода, м;

Нось – отметка оси вала, м; Нзер – отметка зеркала воды пруда вала, м.

Рисунок 7 –  Схема сброса объема воды более расчетного
через водообходы вала

Рисунок  8 – Условия, ограничивающие создание водозадерживающих валов по рабочей высоте (hр): hр 2 м  →  h’р  > 2 м →

при h’р  > 2 м → h’р = h1р<2м+ h2р<2м

Таблица 1 – Баланс талой воды в прудах водозадерживающих валов в СПК «Вязовский» за 2009–2011 гг.

Наименование валов

Приход

Расход

тыс. м3

мм

фильтрация

сброс

тыс. м3

мм

тыс. м3

мм

Вал № 1,

F = 39,8 га

6,5

16,3

6,5

16,3

0

0

Вал № 2,

F = 13,8 га

2,6

18,8

2,6

18,8

0

0

Валы № 3 и 4, F = 9.9 га (сдвоенные)

1,8

18,1

1,8

18,1

0

0

Всего за 3 года (2009–2011 гг.)

F = 63,5 га

10,9

17,2

10,9

17,2

0

0

F – водосборная площадь вала, га.

Таблица 2 – Влияние агротехнических и лесных мелиораций на элементы водного баланса и эрозию неполнопрофильных черноземов

пастбищ в среднем за 2009–2011 гг.

Варианты опыта (крутизна склона 4,5°)

Запасы воды в снеге, мм

Весенний сток, мм

Коэффициент стока

Ливневый сток, мм

Коэффициент стока

Эрозия почв

весенняя, т/га

мутность, г/л

ливневая, т/га

мутность, г/л

всего, т/га

Контроль (К)

88

6,4/0,08

5,2/0,15

0,14/1,5

0,50/6,9

0,64

Щели с мульчей,
5 т/га

(ЩМЧВ–5)

100

3,1/0,03

1,5/0,03

0,04/0,80

0,13/5,0

0,17

Лесные полосы (ЛП)

124

0

0

0

0

0

ЛП+ЩМЧВ–5

125

0

0

0

0

0

Ливневый сток и эрозия наблюдались 25 мая 2009 г. (за 2 ч 37 мин выпало 44 мм дождя с максимальной интенсивностью 1,2 мм/мин) и 22 июня 2011 г. (за 1 ч 20 мин выпало 20 мм с интенсивностью дождя до 1 мм/мин). На контроле ливневый сток составил 3,6–12,0 мм с коэффициентом 0,18–0,27, а смыв почвы – 0,41–1,10 т/га с мутностью потоков воды 9–11 г/л, что значительно выше допустимых значений (см. табл. 2).

Щелевание с мульчированием щелей снизило эрозию почв в 3–14 раз, но в 2009 г. не обеспечило надежной защиты. В годы с незначительным стоком вероятностью превышения 80 %  лесные полосы с валами и щелеванием межполосных пастбищ полностью поглощают поверхностный сток.

5. Водопотребление трав пастбищных угодий под воздействием гидротехнических и лесных мелиораций

Результаты исследований влияния гидротехнических и лесных мелиораций на водопотребление и продуктивность, прилегающего к лесным полосам и валам естественного травостоя пастбищ, приведены в табл. 3.

Таблица 3 – Водопотребление и продуктивность естественных трав

пастбищ 1–го укоса под влиянием гидротехнических и лесных мелиораций в среднем за 2009–2011 гг.

Варианты

опыта

Запасы воды 

в снеге, мм

Осадки

эффективные, мм

Запасы влаги в почве, мм

Суммарное

водопотребление, мм

Урожайность, т/га

Коэффициент водопотребления, м3/т

в слое 0,8 м

подтягиваемая влага из слоя > 0,8 м

всего

Контроль (К)

88

88

100

8

108

196

1,54

1272

Лесные полосы (ЛП)

122

88

124

19

144

232

2,44

951

Валы (ВВ)

115

88

118

8

127

216

2,04

1059

ЛП+ВВ

130

88

131

20

155

242

2,67

906

Примечание. Продуктивные влагозапасы в слое почвы:  0,5 м – 80 мм; 0,7 м – 100 мм; 0,8 – 125 мм; НСР05 = 0,14 т/га.

Скважины на влажность бурили через каждые 5–10 дней с последующим установлением величины поступающей влаги из нижних пластов в корнеобитаемый активный слой почвы. Влага в зоне аэрации накоплена в контроле за счет снега, а в лесных полосах и прудах валов – снега и талой воды поверхностного стока. Урожайность трав пастбищных угодий под влиянием лесных полос после средних зим превышала контроль  на 43–53 %, малоснежных – 98 %: с уменьшением запасов воды в снеге наблюдается закономерное увеличение в удельном весе продуктивности трав по сравнению с открытой местностью.

Влияние лесных полос и валов на водопотребление велико: с уменьшением снежности зим разница в суммарном водопотреблении по сравнению с контролем увеличивалась до 50 мм (табл. 3).

Коэффициент водопотребления естественных трав пастбищ на 77 % обусловлен влиянием урожайности травостоя и лесных полос, усиленных валами (рис. 9).

Гидротехнические и лесные мелиорации оказывают влияние не только на продуктивность пастбищ, но и видовой состав трав, который вблизи лесных полос и валов меняется от степного к лесостепному типу.

Рисунок 9 – Зависимость  коэффициента водопотребления трав
пастбищ от стока и запасов воды в снеге

6. Экономическая оценка мелиорации эродированных

пастбищных угодий

Окупаемость капитальных затрат, вложенных в мелиорацию земель, зависит от степени насыщенности водосборов в результате противоэрозионных мероприятий, определяемой, в основном, прибылью от сельскохозяйственного производства.

Капитальные затраты на мелиорацию земель составили 0,44 тыс. руб./га в год (табл. 4) (в ценах 2–го квартала 2012 г. на один мелиоративно устроенный гектар): стоимость натурного обследования и составление проекта – 461 руб./га (10,6 %); засыпка оврагов и планировка склона с удобрениями – 768 руб./га (17,6 %); водозадерживающие валы – 2612 руб./га (60,0 %); лесные полосы – 513 руб./га (11,8 %).

В 2009–2011 гг. межполосный участок использовался под пастбище. В определении эффективности вместе с прибылью, получаемой от продукции естественного травостоя, учитывался доход с площади угодий, защищенных от эрозии. Площадь отчуждения от роста оврагов составила 0,2 га в год (рис. 1, раздел 3). В затратах на продукцию учтена уборка трав с оценкой, исходя из переводного коэффициента 0,23 по отношению к овсу, и цены овса – 3,5 тыс.руб./т (табл. 4).

Возможная площадь отчуждения в результате линейной эрозии приносит 14 % дохода. Окупаемость инвестиций на восстановление земель при использовании их под пастбища наступит через 8 лет.

Таблица 4 – Экономическая оценка затрат и рентабельности восстановления земель (числитель – от продукции; знаменатель – от продукции с учетом защищенных от эрозии угодий)

Затраты,

тыс. руб./га в год

Продуктивность пастбищ (зеленая масса), т/га

Оценка продукции, тыс. руб./га

Прибыль,
тыс. руб./га

Рентабельность, %

капитальные

на продукцию

всего

от продукции

с учетом капитальных затрат

от продукции

с учетом капитальных затрат

В среднем за 2009–2011 гг.

0,44

0,44

0,61

0,70

1,05

1,14

2,17

2,60

1,75

2,10

1,14

1,40

0,70

0,92

187

200

66,7

80,7

ВЫВОДЫ

  1. Скорость роста оврагов описывается регрессионными уравнениями зависимостей параметров рельефа от уклона, длины и др. параметров рельефа с коэффициентами детерминации связей R2 =0,75–0,98.
  2. Линейная эрозия предотвращается водозадерживающими валами с лесными  полосами и межрубежным расстоянием LCЛП–В =  LПЗЛП (0,025/ J). LПЗЛП = 400 м. Поверхностная эрозия в межрубежных пространствах уменьшается до допустимой величины 0,2 т/га щелеванием пастбищ с заполнением щелей сечкой соломы от заиления и льдистости: весны со стоком <20мм и ливни 20–44 мм за 2 ч.
  3. При засыпке оврагов, учтенные в расчетах ширина среза, глубина срезаемого слоя и др. параметры уменьшили объем земляных работ более чем на 15 %. Высота срезки при планировке неполноразвитых почв на опоке с А + В < 0,5 м менее 4 см с объемом до 400 м3/га. До половины засыпанных оврагов могут подвергаться повторным размывам согласно прогнозным расчетам.
  4. Причины разрушения валов: отсутствие водообходов; неравенство отметок дна водообходов и зеркала воды пруда; заиление дна водообходов; ледяная корка от зимних оттепелей; рабочая высота валов > 2 м. Последние три причины устраняются строительством сдвоенных валов высотой каждого < 2 м.
  5. Снежные шлейфы и талые воды в прудах создают более продуктивные пастбища до 5 га и свыше на 1 км длины валов и лесных полос со средней существенной прибавкой по отношению к открытой местности до 73,4 % .
  6. Рентабельность восстановленных пастбищ  с учетом капитальных затрат на создание валов, лесных полос, засыпку оврагов составила 66,7 %, защищенные пастбищные угодья от роста оврагов повышают рентабельность на 14 % со сроком окупаемости инвестиций 8 лет.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

  1. Засыпать склоновые овраги шириной по верху до 10 м и глубиной до 5 м и строить валы с сохранением плодородного слоя почвы.
  2. Создавать водозадерживающие валы, совмещенные с лесными полосами, с межрубежным расстоянием 300 м на склонах 4,5°.
  3. Устранять причины разрушения валов: заиление прудов и водообходов на шпорах; строить сдвоенные валы при рабочей высоте > 2 м и водообходы; осуществлять контроль равенства отметок дна водообходов и зеркала воды в прудах валов.
  4. Щелевать пастбища на глубину 0,3 м с межщелевым расстоянием 1,4 м и заполнением щелей сечкой соломы длиной 0,15–0,20 м на глубину щели 0,10–0,15 м в дозе 5 т/га с целью защиты от эрозии, заиления и льдистости.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,

рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

  1. Проездов, П. Н. Теория и закономерности эрозионных процессов в степных ландшафтах Приволжской возвышенности / П. Н. Проездов, Д. А. Маштаков, А. Н. Ковалев, А. В. Карпушкин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – 2011. – № 9 – С. 15–21.
  2. Проездов, П. Н. Закономерности формирования водного баланса зоны аэрации в степных ландшафтах Приволжской возвышенности / П. Н. Проездов, Д. А. Маштаков, А. Н. Ковалев // Нива Поволжья. – 2011. – № 2 (19). – С. 45–52.
  3. Проездов, П. Н. Закономерности  водопотребления  естественного травостоя пастбищ  под влиянием гидротехнических и лесных мелиораций в степных ландшафтах Приволжской возвышенности / П. Н. Проездов, Д. А. Маштаков, А. Н. Ковалев, Е. Г. Давыдова, В. Г. Попов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Ва­вилова. – 2012. – № 2. – С. 44–48.
  4. Шабаев, А. И. Концептуальные основы адаптивно–ландшафтного агролесомелиоративного обустройства земель в Поволжье / А. И. Шабаев, П. Н. Проездов, Д. А. Маштаков, Т. Н. Ковалева, А. Н. Ковалев // Нива Поволжья. – 2011. – № 3 (20). – С. 49–56.

В сборниках научнопрактических конференций

  1. Ковалев, А. Н. Противоэрозионная организация территории на линейной части промысловых трубопроводов // Молодые ученые – АПК России: материалы конф. молодых ученых ПФО / А. Н. Ковалев; под ред. И. Л. Воротникова. – Саратов : Наука, 2009. – С. 68–73.
  2. Ковалев, А. Н. Развитие эрозионных процессов  в степных  ландшафтах  Приволжской возвышенности // Инновационная наука – молодой взгляд в будущее : материалы конкурса науч. работ молодых ученых / А. Н. Ковалев; СГАУ. – Саратов, 2011 – С. 67–72.
  3. Маштаков, Д. А. Теоретическое и экспериментальное обоснование комплексной мелиорации эродированных земель в степных ландшафтах Приволжской возвышенности // Актуальные проблемы развития АПК в научных исследованиях молодых ученых / Д. А. Маштаков, А. Н. Ковалев. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2011. – С. 178–184.
  4. Проездов, П. Н. Водопотребление трав пастбищ в зависимости от снежности зим и водности весен в степи Приволжской возвышенности / П. Н. Проездов, Д. А. Маштаков, А. Н. Ковалев // Научные исследования – основа модернизации сельскохозяйственного производства. – Тюмень, ТГСХА, 2011. – С. 174–177.
  5. Проездов, П. Н.  Агроэкологическое состояние почв в степных агролесоландшафтах Приволжской возвышенности / П. Н. Проездов, Д. А. Маштаков, А. Н. Ковалев // Инновационные процессы в АПК :  50–летие аграрного факультета РУДН. – М., 2011. – С. 197–198.
  6. Проездов, П.Н. Рекультивация эродированных земель: засыпка оврагов, создание и эксплуатация водозадерживающих валов и лесных полос в степи Приволжской возвышенности / П.Н. Проездов, А.Н. Ковалев // Научная жизнь. – 2012. – № 2. – С. 27 – 36.

Подписано в печать

Заказ….. Тираж 100 экземпляров. Объем 1 печ. л.

Адрес типографии

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.