WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

 

На правах рукописи

белолюбцев АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

Регулирование режимов защиты почв от эрозии

в адаптивно-ландшафтном земледелии

Нечерноземной зоны

 

  06.01.01. – Общее земледелие

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Москва -2007 г.

Работа выполнена на кафедре земледелия и методики опытного дела Российского государственного аграрного университета - МСХА имени  К.А. Тимирязева

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Гогмачадзе Г. Д.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Державин Л. М.

доктор сельскохозяйственных наук, вед. научный сотрудник  Ступаков А. Г.

Ведущее предприятие - Почвенный институт имени В.В. Докучаева

Защита состоится _______________ 2007 г.  в ______ часов на заседании диссертационного совета Д-220.043.05 при Российском государственном  аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева

Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, д. 49, тел/факс 976-24-92 Ученый совет РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ РГАУ МСХА имени

К.А. Тимирязева

  Автореферат разослан __________________2007 г.

Размещен на сайте ВАК http://www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета  Р.Р. Усманов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рациональное землепользование, сохранение почвенного плодородия, повышение  продуктивности земель в современных условиях невозможно без комплексного эколого-ландшафтного подхода к разработке и освоению систем земледелия нового поколения (Каштанов, 1999; Кирюшин, 2003).

Основная причина обострения экологических проблем землепользования в целом и ускоренной деградации почв на эрозионных агроландшафтах особенно связа­на с неправильным размещением и технологией обработки пашни без учета местных условий, в частности, ее способности противостоять негативным антропогенным и природным воздействиям. В последние годы эти вопросы получили новое развитие вследствие колебаний и глобальных изменений климата в сторону потепления, что влечет за собой экологические изменения важнейших свойств и режимов ландшафтных комплексов, приводящих к серьезным последствиям для сельского хозяйства, напрямую отражающихся на состоянии почв освоенных склоновых земель и протекающих в ней процессов.

Особую значимость этим вопросам придают утвержденные Президентом России в марте 2002 г. «Основы политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 года и на дальнейшую перспективу», где «Природоохранные технологии производства и переработки сельскохозяйственного сырья» включены в перечень критических, а вопросы «Экологии и рационального природопользования» объявлены в числе основных приоритетов развития науки, тех­нологий и техники РФ.

Цель и задачи исследований. Цель исследований разработка теоретических положений и практических рекомендаций по созданию и совершенствованию элементов адаптивно-ландшафтных систем земледелия, обеспечивающих в современных условиях землепользования экологическую защиту и производительную устойчивость функционирования эрозионноопасных агроландшафтов.

При выполнении поставленной цели решались следующие задачи:

  - оценить последствия колебаний и изменений климата центра Нечерноземной зоны на характер и динамику развития процессов эрозии почв в результате снеготаяния;

  - определить влияние ресурсосберегающих почвозащитных приемов  обработки и сельскохозяйственных культур на поверхностный и внутрипочвенный сток талых вод в разных условиях их формирования;

  - выявить изменения свойств и режимов плодородия эродированной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы под действием почвозащитного зернотравяного севооборота, приемов и систем обработки почвы, средств химизации и комплекса природных факторов;

  - изучить масштабы миграции и экологические последствия применения на склоновых землях удобрений и пестицидов;

  - установить изменения почвенно-гидрологического режима агроландшафта под действием разноглубинных систем обработки и современных  гидротермических условий;

  - изучить экологическую эффективность и экономическую целесообразность применения агротехнических и мелиоративных мероприятий по  адаптации к неблагоприятным природно-антропогенным воздействиям;

  - оценить  продукционный потенциал склоновых  земель  южных  экспозиций при применении средств механизации, мелиорации, химизации и интенсивных технологий в современных условиях ведения сельского хозяйства.

Научная новизна. В результате длительных 25-летних исследований в стационарном полевом опыте процессов эрозии почв при снеготаянии на склоновых землях южных экспозиций и 125-летнего мониторинга климата Центральных областей Нечерноземной зоны России впервые:

  - проведен анализ интенсивности и направленности эрозионно-гидроло- гических процессов в условиях многолетнего устойчивого потепления холодных периодов года и зимних температурных аномалий;

- определены миграционные свойства подвижных форм основных биофильных элементов питания растений в новых условиях развития эрозии почв;

  - рассмотрена экологическая роль зернотравяного севооборота, противоэрозионных приемов и систем обработки, а также удобрений в регулировании и оптимизации режимов (водного, пищевого и др.) защиты почв склоновых земель от эрозии при резком усилении воздействия гидротермических факторов на их функционирование;

- дана комплексная оценка влияния современных колебаний и изменений климата на основные свойства и показатели плодородия дерново-подзолистых среднесуглинистых почв эрозионноопасных агроландшафтов и их экологическую уязвимость;

  - установлено влияние потепления на агроклиматические ресурсы и продуктивность сельскохозяйственных культур, возделываемых на склоновых  землях южных экспозиций;

  - разработан и апробирован ряд адаптационных агротехнических и мелиоративных мероприятий по смягчению влияния отрицательных последствий климатических изменений и неблагоприятных погодных условий на агроландшафтные комплексы.

Полученные результаты исследований позволили вынести на защиту:

- новые положения о природно-ресурсном потенциале районов Центрального Нечерноземья, которые отражают возможные последствия  текущих и ожидаемых изменений климата для аграрного сектора;

- новый подход к оценке экологической устойчивости и продукционного потенциала агроландшафтов на склоновых землях в современных условиях землепользования;

- закономерности и динамику изменений основных свойств и показателей плодородия эродированных дерново-подзолистых среднесуглинистых почв при смене экологической обстановки в результате глобального потепления;

- ландшафтный подход к разработке и применению на склоновых землях элементов почвозащитной системы земледелия, основанный на принципах  оптимизации режимов плодородия почв и эффективности защиты ее от эрозии;

- климатически обусловленные требования к размещению и технологии возделывания сельскохозяйственных культур на склоновых землях южных  экспозиций;

- методы оценки почвенно-деградационных процессов, основанные на последовательном сопоставлении дифференцированных во времени показателей эрозии, почвенного плодородия и погодных условий.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Установленные положения и основные закономерности развития эрозионных процессов в новых экологических условиях, сформированных в результате глобальных изменений климата, позволят на научной основе совершенствовать системы обработки почв южных склонов. Предложенные приемы и адаптационные механизмы способствуют предупреждению, предотвращению или снижению эрозионных процессов до допустимых пределов. Это обеспечит сохранение и  повышение плодородия эроди­рованных почв, создание условий для оптимальной долговременной биопродуктивности агроэкосистем, оздоровление экологической обстановки на склоновых землях и окружающей среды в целом.

Материалы диссертации вошли в рекомендации по применению противоэрозионных обработок в Центральном районе Нечерноземной зоны РФ: «Водная эрозия почв и меры борьбы с ней в условиях Московской области» (Смоленск, 1989). Почвозащитные приемы и системы обработки почвы, разработанные при непосредственном участии автора, внедрены в Центральных  областях Нечерноземья (Московская, Смоленская и др.), где обеспечивают высокий экологический и хозяйственный эффект.

В 2003, 2004 и 2006 (до 2009) гг. заключены государственные контракты с Министерством сельского хозяйства, где в условиях Центрального Нечерноземья России широко применяются научные разработки по теме диссертации.

Результаты исследований используются в учебном процессе РГАУ-МСХА, а также в научно-исследовательской работе аспирантов и студентов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы доложены и одобрены в период с 1986 по 2006 гг. на  ежегодных научных конференциях Российского государственного аграрного университета - МСХА им К.А. Тимирязева; Всероссийской научно-производст- венной конференции «Актуальные проблемы почвозащитного земледелия и  пути их решения» (Курск, 1988); Международном Экологическом Форуме  «Modern ecological problems of the suburbs» (Курск, 1995); Международных  научных и научно-практических конференциях, в том числе «Земледелие на рубеже XXI века» (Москва, 2003); «Севооборот в современном земледелии» (Москва, 2004); «Агрометеорологическое обеспечение устойчивого развития сельского хозяйства в условиях глобального изменения климата» (Обнинск, 2006) и др.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 32 научных работах.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 384 страницах  машинописного текста, содержит 112 таблиц, 44 рисунка, библиографический список 433-х источников, приложений. Состоит из введения, трех частей, включающих 8 глав, выводов и рекомендаций производству.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2. Условия и методика проведения. Основные исследования выполнены в 1986-2005 гг. в стационарном полевом опыте М-01-18-ОП, который был заложен осенью 1980 г. проф. И.С. Кочетовым на экспериментальной базе учебно-опытного хозяйства «Михайловское» Московской области.

История ведения опыта включает два периода. В первый период (1980-1989гг.) на склоновом участке южной экспозиции развернут трехфакторный опыт.


Схема трехфакторного опыта 3х2х2

А.  Обработка почвы

В. Удобрения

С. Склон

1. Вспашка

  1. Рекомендуемые нормы

(N60P60K60)

1. 80

2. 40

2. Вспашка + щелевание

  1. Изучаемые

(N90P90K90)

3. Поверхностная


Во второй период (с 1990 г. и до настоящего времени) с учетом дальнейшего совершенствования систем земледелия, комплексного изучения принципов разноглубинности, минимализации, почвозащитной целесообразности и экологической адаптивности приёмов обработки почвы, построения на этой основе принципиально новых ландшафтных систем земледелия для эрозионноопасных территорий полевой опыт был модернизирован:

Схема двухфакторного опыта 6х2.

А. Обработка почвы

В. Склон

1. Вспашка  на глубину 20…22 см

2. Вспашка + щелевание на 40…50 см и нарезанием щелей через 7…8 м

3. Плоскорезная на 18…20 см + щелевание через 1,4 м

4. Плоскорезная + чизелевание на 38…40 см

5. Поверхностная на 6…8 см + щелевание через 3…4 м

6. Поверхностная

1.  80

2.  40

На опытном участке развёрнут пятипольный почвозащитный зернотравяной севооборот во времени: 1 - овёс;  2 - ячмень с подсевом многолетних трав; 3 - многолетние травы 1-го года пользования; 4 - многолетние травы 2-го года пользования; 5 – озимая пшеница.

Предпосевная обработка почвы под возделываемые культуры, за исключением многолетних трав, включает дискование (БДТ-3) и обработку РВК-3,6 на глубину заделки семян. Основные обработки применяли дифференцированно. Нарезание щелей (ЩН-2-140) по вспашке и поверхностной обработке (зябь) проводили в позднеосенний период при устойчивом промерзании почвы на глубину 3…5 см, при возделывании многолетних трав - в осенний период до промерзания почвы. На вариантах, включающих плоскорезную обработку в сочетании со щелеванием и чизелеванием, основная обработка проводилась в обычные сроки комбинированным агрегатом ПЩН-2,5. Для усиления почвозащитной эффективности поверхностной обработки после первого укоса многолетних трав 2-го года пользования применяли чизелевание на глубину 38…40 см плугом ПЧ-4,5М. Все обработки и посев осуществляли поперёк склона.

С целью повышения почвозащитной эффективности изучаемых приемов и систем обработки почвы, ее плодородия, влагосбережения и более рационального использования пожнивных остатков во время уборки урожая озимой пшеницы и овса, начиная с 1990 года, дополнительно применяли мульчирование поверхности почвы измельченной соломой и половой.

Размещение вариантов в первый период проведения исследований рендомизированное, во второй - методом организованных повторений. Повторность 3-х кратная, число вариантов - 6, делянок – 36 (рис. 1).

III

II

I


А6В1

А5В1

А4В1

А3В1

А2В1

А1В1

А1В1

А2В1

А3В1

А4В1

А5В1

А6В1

А6В1

А5В1

А4В1

А3В1

А2В1

А1В1

В о д о о т в о д я щ а я б о р о з д а




А6В2

А5В2

А4В2

А3В2

А2В2

А1В2

А1В2

А2В2

А3В2

А4В2

А5В2

А6В2

А6В2

А5В2

А4В2

А3В2

А2В2

А1В2

Примечание: А1…А6 - варианты обработки почвы; В1, В2 - склон крутизной 8 и 40; I …III - повторения.

Рис.1. Схема размещения вариантов опыта

Общая площадь делянок I порядка 11,5х240 (2760 м2), учетная – 4,2х240 (1008 м2); II порядка – общая 11,5х120 (1380 м2), учётная – 4,2х120 (504 м2). Учетная площадь стоковых площадок 10х120 (1200 м2). Для изучения внутрипочвенного горизонтального стока заложены стационарные водно-балансовые площадки 10х20 м. Общая площадь опыта 6 га.

Система удобрений рассчитана с учетом агрохимической характеристики пахотного слоя на положительный баланс питательных элементов. Исходная агрохимическая характеристика пахотного слоя: С-1,15%; N-0,1 %; рН-5,6; гидролитическая кислотность 1,7 мг-экв.; сумма поглощенных оснований 26,4 мг-экв/100 г почвы; Р2О5 – 16,0; К2О – 19,0 мг/100 г почвы.

Почвенный покров участка представлен сочетанием дерново-слабо- и среднеподзолистых почв с преобладанием первых. Гранулометрический состав – от легко – до тяжелосуглинистого, с преобладанием легко- и среднесуглинистого. По степени смытости – от намытых до сильносмытых, однако преобладают в основном слабо- и среднесмытые. Почвообразующая порода - покровный суглинок (рис. 2).

Условные обозначения:

  1  -  дерново-подзолистая, средне- подзолистая, глубокоподзолис­тая, среднесуглинистая, среднесмытая почва на покровном суглинке;

2  -  дерново-подзолистая, сильно­подзолистая, глубокоподзолис­тая, легкосуглинистая почва на покровном суглинке;

3  -  дерново-подзолистая, средне-подзолистая, глубокоподзолис­тая, среднесуглинистая, слабо-средне-смытая почва на покровном суглинке;

4 - дерново-подзолистая, средне-подзолистая, глубокоподзолис­тая, легкосуглинистая, намытая почва на покровном суглинке.

 

Рис. 2.  Почвенная карта-схема опытного участка.

М 1: 5 000

Дополнительные исследования проводились с использованием длительного водно-балансового опыта, вегетационно-полевых, вегетационных и лабораторных методов, с применением традиционных (классических) методик анализа почвы, воды, растений, методов отбора проб и учета показателей плодородия эродированной почвы. Совместно с автором в период 20-летних исследований в разное время принимали участие научные сотрудники и аспиранты: В.Н. Осипов, В.А. Мамонов, Л.Д. Воропаева, О.А. Савоськина, В.Н. Власкин, Е.В. Мацыганова, С.Г. Манишкин и др. под общим руководством профессора И.С. Кочетова  и  профессора Г.И. Баздырева. Автор выражает всем искреннюю благодарность и признательность за участие, помощь и поддержку, особенно первому научному руководителю, член-корреспонденту РАСХН, профессору Ивану Степановичу Кочетову, сыгравшему неоценимую роль в формировании научного мировоззрения автора.

3.1. Колебания и изменения климата Центрального Нечерноземья и его

региональные особенности

Проявление эрозии на пахотных землях в результате процессов весеннего снеготаяния во многом определяется многолетним внутригодовым распределением основных факторов внешней среды и соответствия текущих показателей климатической норме (Швебс, 1974; Ахтырцев, 2000; Кузнецов, Глазунов, 2004). Поэтому получить объективную оценку условий формирования поверхностного стока талых вод и развития современных процессов эрозии почв в целом невозможно без глубокого и всестороннего анализа климатических факторов, их различных сочетаний в пространстве и  времени.

В табл. 1 представлены месячные и годовые нормы температуры воз­духа по 125-летним данным метеорологической обсерватории им. В.А. Михель­сона РГАУ-МСХА. Отмечается общая тенденция к возрастанию температуры воздуха по мере увеличения ряда наблюде­ний. Это относится к средним ме­сячным значениям в холодный и теплый периоды года, средней го­довой температуре. Учи­тывая, что каждый период осред­нения включал все  предшествующие го­ды, этот рост можно счи­тать достоверным.

1. Месячные и годовые нормы температуры воздуха, оС

(обсерватория им. В.А. Михельсона РГАУМСХА)

Период, гг.

Кол-во лет

Январь

Февра ль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Годовая

норма

1879-2003

125

-9,5

-8,6

-3,8

4,9

12,2

16,2

18,3

16,4

10,7

4,6

-1,9

-7,0

4,4

1881-1980

100

-10,2

-9,2

-4,3

4,4

11,9

16,0

18,1

16,3

10,7

4,3

-1,9

-7,3

4,1

1881-1960

80

-10,2

-9,6

-4,7

4,0

11,6

15,8

18,1

16,2

10,6

4,2

-2,2

-7,6

3,8

1881-1953

73

-10,4

-9,6

-4,7

4,0

11,6

15,7

18,0

16,2

10,6

4,1

-2,1

-7,7

3,8

1881-1915

35

-10,8

-9,1

-4,8

3,4

11,8

15,6

18,0

15,8

10,1

3,7

-2,8

-8,0

3,6

Особенно заметное увеличение средней годовой температуры произошло за пос­ледние 25 лет. Этот временной ряд охватывает период проведения наших исследований, где средняя годовая температура возду­ха была, как правило, выше нормы (4,4°С), дос­тигнув рекордной отметки в 1989 г. (7,3°С). Анализ показывает, что основной вклад в увеличение средней годовой температуры возду­ха вносят теплые зимы. Сравнивая климатические нормы 100-летнего и 125-летнего ряда необходимо выделить значительное ее воз­растание в январе (на 0,7°С) и феврале (на 0,6°С).

Рис.3. Тренд годовых температур воздуха по скользящим десятилетиям

Результаты трендового анализа 125-летнего ряда наблюдений за температурой воздуха, представ­ленного по скользящим 10-летиям (рис. 3),  убедительно подтверждают тенденцию к устойчивому потеплению климата (R2 = 0,91). От 3,5°С в конце XIX в. средняя годо­вая температура выросла до 6,0°С к началу XXI в. Выде­ляется относительно холодный пери­од в начале XX в., всплеск тепла в 30-е годы и бурный подъем в пос­ледние десятилетия.

Показательны в этом плане измене­ния и в тепловом режиме при рас­смотрении динамики сумм активных температур выше 10°С. За весь период наблюдений наименьшая сумма от­мечена в 1904 г. (1276°С), наиболь­шая - в 1981 г. (2686°С). В геогра­фическом аспекте это соответству­ет перемещению от широты Петро­заводска до Саратова. В этих колебаниях также можно вы­делить закономерности. Так, если норма сумм температур за 1881-1980 гг. соста­вила 2072°С, то за последние 25 лет (1981-2005гг.) она возросла до 2360°С.

Анализ данных средней годовой температуры воздуха последнего 25-летнего периода Михайловского агрометпоста «Голохвастово»,  расположенного в районе проведения опытов, показывает ту же устойчивую тенденцию к потеплению климата, что и по аналогичному временному ряду наблюдений обсерватории. Отмечается повышение среднегодовой температуры по отношению к климатической норме для этой территории на 1,5оС.

Гораздо более существенные изменения в динамике природно-климатических показателей по данным агрометпоста отмечены в рамках изучаемого периода и внутригодовом их распределении. С учетом специфики производства растениеводческой продукции и процессов развития эрозии почв, нами были выделены и взяты за основу для анализа метеорологические условия наиболее важных  периодов в пределах сельскохозяйственного года. К таким временным  интервалам отнесен холодный сезон (ноябрь-март) и основной вегетационный цикл (май-август). Кроме того, с учетом быстрого потепления климата  25-летний ряд наблюдений был поделен на два подпериода - 10 и 15 лет соответственно, отражающих разный характер и динамику изменений внешних  условий, а также объединенных во времени 5-летними ротациями севооборота.

За 25-летний период температура в холодный сезон возросла до -5,4оС (при норме -7,7),  или на 2,3оС (табл. 2).  Однако устойчивость однонаправленной длительной тенденции ее повышения была невысокой, тренд статистически не значим (R2 = 0,12), что говорит о значительных колебаниях и изменениях изучаемого элемента. Процесс  потепления зимних периодов, т.е. устойчивого преобладания повторяемости теплых зимних сезонов над повторяемостью холодных, усилился  в конце  1980-х и особенно с начала 1990-х гг. Наибольшие изменения  температуры произошли по отдельным месяцам. В январе ее значения были выше среднемноголетних на 4,6оС, в феврале на 3,0 и в марте на 3,1оС. Общий рост составил 2,6оС, что на 0,7оС теплее, чем за первый десятилетний период наблюдений.

2. Средние температуры воздуха холодного периода, оС

Период, гг.

Месяц

Средние за период

Ноябрь

Декабрь

Январь

Февраль

Март

Средняя многолетняя

-2,8

-8,4

-11

-10,3

-5,8

-7,7

1980-2005

-2,6

-6,6

-7,1

-7,8

-2,7

-5,4

1980-1990

-2,8

-6,4

-8,2

-8,7

-2,7

-5,8

1990-2005

-2,5

-6,7

-6,4

-7,3

-2,7

-5,1

Факт присутствия длительно-однонап­равленных изменений количества дней с температурой выше 0оС (включающих оттепели) за последние 25 лет не подлежит сомнению (R2 = 0,44). При этом сохраняется и общая закономерность их распределения в пределах изучаемого периода. Если в первое десятилетие число таких дней соответствовало климатической норме (34), то в 1990-2005 гг. их рост составил 76%. Количество интенсивных оттепелей в зимний период с температурой выше 2,5оС, т.е. наиболее опасных для формирования негативных свойств почв, снижающих ее стокорегулирующие и почвозащитные показатели, выросло более чем в 2 раза.

Среднее количество осадков за последний 25-летний период в летние месяцы превышает их зимние суммы в 1,5 раза. Тогда как наблюдаемый с начала 1990-х гг. рост осадков в холодный сезон приводит  к их сокращению на 31 мм в теплый и снижению указанной пропорции до 1,3. Резкое уменьшение обеспеченности полевых культур влагой главным образом произошло в июле и августе, что является для многих из них критическим периодом в водопотреблении.

Проведенная оценка увлажнения основного вегетационного цикла сельскохозяйственных культур по ГТК Селянинова показывает нарастающую тенденцию роста засушливости с начала 1990-х гг. в целом, и второй половины периода вегетации особенно. Если в 1980-е гг. общие условия за период превышали климатическую норму и были влажными (1,52), а число засушливых месяцев (ГТК< 1) июля-августа составило всего три, то в 1990-е гг. их количество достигло восьми, а с начала 2000-х гг. уже семь, из них четыре - как очень засушливые (ГТК< 0,7). За последние пятнадцать лет снижение ГТК за эти месяцы по отношению к норме (1,46) достигло уровня 1,21, а в целом за вегетацию 1,30 (1,44), что в итоге характеризует недостаточное увлажнение территории.

Обобщая результаты 125-летних непрерывных наблюдений метеорологической обсерватории РГАУМСХА и 25-летних наблюдений Михайловского  агрометпоста «Голохвастово», можно с уверенностью констатировать, что к  концу XX и началу XXI в. произошли заметные изменения кли­мата Центральных  областей Нечерноземной зоны в сторону потепления, осо­бенно существенно в зимний период последних пятнадцати лет. Изменения в температур­ном режиме и режиме осадков привели к важным для сельского хозяйства по­следствиям:

  -увеличилась продолжитель­ность вегетационного периода;

  -значительно выросли суммы активных температур;

  -существенно повысилась экстремальность климата;

  -наблюдается тенденция роста засушливости периодов вегетации

  сельскохозяйственных культур и его подпериодов;

-стали мягкими  зимы с большим числом интенсивных оттепелей, что является важным фактором, определяющим условия пе­резимовки растений и опасность развития почвенно-деградационных процессов на склоновых землях.

3.2. Влияние потепления зимних периодов на условия проявления

эрозии почв

Проведенными исследованиями установлено, что современные изменения в процессах атмосферной циркуляции, выраженные через усиление циклоничности и общего повышения температуры воздуха зимних сезонов, в сочетании с местными факторами, вносят существенные коррективы в количество и распределение зимних осадков во времени, величину снегозапасов, характер их  накопления и распределения по различным элементам ландшафта.

Отмечены значительные колебания и изменения по годам этих показателей и общий рост количества атмосферных осадков с начала 1990-х гг. Выделяется существенное снижение максимальных запасов воды в снеге в начале этого периода, при отсутствии устойчивой тенденции влагонакопления в целом. При этом следует отметить достаточно хорошую корреляционную связь (r = 0,69) между количеством зимних осадков и запасами воды в снежном покрове при потеплении (1991-2005 гг.) и отсутствие такой зависимости (r = 0,12) в относительно устойчивые зимние периоды 1980-х гг.

Влияние рельефа и противоэрозионных обработок в последние годы слабо сказываются на общих запасах воды в снеге. Присутствие многочисленных  оттепелей зимой приводят к более равномерному закреплению снега по  склонам, а также формированию на почве ледяной корки разной толщины, влагозапасы которой, главным образом, и нивелируют эти различия (табл. 3).

3. Запасы воды в снеге перед стоком, мм

Вариант

обработки

Ротация севооборота, гг.

Период, гг.

1981-1985

1986-1990

1991-1995

1996-2000

2001-2005

1981-1990

1991-2005

Склон крутизной 80

Вспашка  (контроль)

94,0

78,0

46,2

71,4

92,4

86,0

70,0

Вспашка + щелевание

91,6

79,2

46,0

72,6

83,8

85,4

67,5

Поверхностная

98,3

76,8

46,2

72,6

85,4

87,5

68,1

Склон крутизной 40

Вспашка (контроль)

101,9

84,4

49,6

73,0

86,7

93,2

69,8

Вспашка + щелевание

100,2

83,8

49,8

72,6

85,7

92,0

69,4

Поверхностная

104,3

83,4

50,6

74,0

88,0

93,8

70,9

  НСР05  фактор

А

В






2,8

3,4

1,2

2,0

Особенностью климата почвы зимой является ее сезонное промерзание - фактора, оказывающего важнейшее влияние на формирования стока талых вод и его характеристики. При потеплении холодных периодов отмечается общее снижение глубины промерзания по всем элементам агроландшафта с неустойчивой динамикой развития этого процесса по годам. Как результат, по итогам последнего пятилетия на склоне крутизной 40 глубина промерзания почвы  сократилась по отношению к первому на 20,4 см, или в 2 раза, а на склоне  крутизной 80 - на 23,5 см, или в 2,2 раза (табл. 4).

4. Влияние почвозащитных обработок и рельефа на глубину

промерзания почвы, см

Вариант

обработки

Ротация севооборота, гг.

Период, гг.

1981-1985

1986-1990

1991-1995

1996-2000

2001-2005

1981-1990

1991-2005

Склон крутизной 80

Вспашка  (контроль)

41,6

38,0

38,0

29,8

20,4

39,8

29,4

Вспашка + щелевание

37,4

35,6

38,8

29,6

17,2

36,5

28,5

Поверхностная

49,8

38,9

33,4

25,8

16,8

44,4

25,3

Склон крутизной 40

Вспашка (контроль)

37,6

33,4

34,1

25,0

20,8

35,5

26,6

Вспашка + щелевание

38,8

31,4

34,6

27,6

19,0

35,1

27,1

Поверхностная

42,8

35,4

28,6

23,4

19,0

39,1

23,7

  НСР05  фактор

А

В





2,5

3,1

1,2

2,0

Данные наблюдений указывают и на слабую взаимосвязь выхолаживания почвы в зависимости от высоты снежного покрова. Если в устойчивые зимние периоды коэффициент корреляции (r) составил -0,50, то с конца 1980-х гг., в условиях потепления, эта связь была незначительной (r = -0,17). Кроме того, промерзание почвы на изучаемых склонах было почти всегда ниже, чем на равнинном участке. Эти результаты не соответствуют общеустановленным закономерностям развития данных процессов для южных склонов. Коэффициенты глубины промерзания почвы на склонах крутизной 4 и 80 по отношению к  равнинным участкам в период относительно устойчивых зим составили соответственно 0,55 и 0,60, а в период неустойчивых теплых зим - 0,43 и 0,47. Выявленные нарушения в закономерностях глубины проникновения температур  ниже 0оС зависят от особенностей свойств эродированных дерново-подзолистых среднесуглинистых почв и режима их увлажнения. Их изменения в аномально теплые зимние периоды оказывают значительное влияние на  почвенный климат в целом и ход промерзания пахотного горизонта особенно.

3.3. Климатическая и метеорологическая оценка развития процессов эрозии почв при снеготаянии

Процессы весеннего снеготаяния в Центральном Нечерноземье, как правило, начинаются в конце марта - начале апреля. До 1989 г. они существенно не отличались от среднемноголетних показателей и соответствовали обычному режиму схода снежного покрова для данной зоны. В дальнейшем процессы таяния аккумулированных в снеге зимних осадков имели разнообразный и крайне неустойчивый характер (рис. 4).

 

  20.02  01.03 10.03  20.03  01.04  10.04

Рис. 4. Начало и продолжительность стока талых вод. 1981-2005 гг.

Зимние периоды последних лет сопровождаются резким усилением адвективного режима таяния снежных запасов в пространстве и времени. Наиболее активно эти процессы происходили в центральные зимние месяцы с дополнительным формированием промежуточных стоков и притертой ледяной корки на почве. В отдельные периоды (1990-1991, 1992-1993, 1994-1995 гг.) многочисленные и интенсивные оттепели способствовали стаиванию до 70 % общих запасов снега к этому времени, а иногда и полному его сходу.

Самое раннее разрушение снежного покрова на склонах в основном пришлось на 1990-е гг. Так, в 1990 г. процессы активного снеготаяния отмечены 23 февраля, 1991 г. - 26 февраля, 1995 г. -27 февраля, 1998 г. - 28 февраля, что раньше обычных сроков более чем на месяц. При этом за последние 17 лет существенно возросла нестабильность процессов весеннего снеготаяния в результате  размытости переходных периодов между холодным и теплым сезонами.

Поступление воды на водосбор, количественные и качественные характеристики стока определяются интенсивностью таяния и запасами воды в снеге,  обусловленные как температурой воздуха в весенний период, так и термическим режимом холодного времени года в целом. Просматривается достаточно  устойчивая обратная связь (r = -0,61) между средними значениями температуры приземного слоя воздуха и количественной характеристикой процесса эрозии (слой стока) в первые десять лет и заметная их разбалансированность (r = -0,33) в последние десять.

Таким образом, результаты длительных исследований убедительно свидетельствуют, что в развитии современных процессов эрозии почв ведущая роль принадлежит климатическим условиям. Резкое усиление роли неуправляемых экологических факторов, в частности, через устойчивое повышение  температуры приземного слоя воздуха холодного периода года определяет накопление и распределение зимних осадков, запасы воды в снеге, интенсивность, сроки и особенности снеготаяния, состояние почвы и физические процессы, протекающие как на ее поверхности, так и в глубине почвенного профиля. Вследствие изменений климата динамика и характер развития процессов эрозии почв при снеготаянии чрезвычайно усложнились и возможны с любым результатом,  что требует особо внимательного подхода к их анализу и оценке.

4.1. Севооборот – важный агротехнический и биологический фактор

защиты почв от эрозии

Подбор культур в рам­ках научно-обоснованной и хорошо адаптированной системы сево­оборотов является важным агротехни­ческим и биологическим средством защиты почв от эрозии и восстановления их плодородия (Воробьев, 1979; Лошаков, 2003).

В условиях смены полевых культур в севообороте, наличие периода полного или частичного отсутствия раститель­ных остатков на почве, в частности, в  наиболее эрозионноопасный весенний сезон создает фон для активного отчуждения мелкозема с поверхностным стоком талых вод. В результате потери почвы при возделывании яровых зерновых культур были наибольшими и колебались от 0,12 т/га на склоне крутизной 40 до 0,75 т/га на склоне крутизной 80.

Применение в севообороте смеси бобово-злаковых трав (клевер -14, тимофеевка и овсяница луговая - по 8 кг/га) заметно усиливают его почвозащитную и экологическую роль. Высокое проективное покрытие, мощная дернина  эффективно предохраняют почву от смыва и размыва талыми водами. Это снижает интенсивность эрозионных процессов по сравнению с не защищенным фоном в среднем более чем в 5 раз на склоне крутизной 40 и более чем в 3 раза - при его удвоении (табл. 5). Вместе с тем, необходимо отметить, что стокорегулирующие свойства почвы при возделывании многолетних трав заметно ухудшаются, причем независимо от рельефа местности. Без регулярного рыхления возможности дерново-подзолистой почвы эффективно перераспределять влагу ограничены. Особенно наглядно это проявляется при возделывании многолетних трав 2-го года пользования, где средний слой стока по склонам составил 22 мм, что в 1,5…3 раза больше, чем под другими культурами севооборота.

5. Почвозащитная (т/га) и стокорегулирующая (мм) способность полевых  культур на склонах разной крутизны под действием противоэрозионных приемов

обработки. 1981-2005 гг.

Вариант

обработки

Яровые зерновые

(10 лет)

Многолетние  травы

(9 лет)

Озимая пшеница

(6 лет)

Склон крутизной 80

Вспашка 

(контроль)

20,4

0,63

21,9

0,16

22,6

0,17

Вспашка +

щелевание

14,4

0,57

17,6

0,10

19,3

0,11

Поверхностная

24,8

0,75

26,5

0,23

21,3

0,16

Склон крутизной 40

Вспашка

(контроль)

5,3

0,21

12,0

0,05

10,9

0,02

Вспашка +

щелевание

3,5

0,12

9,8

0,03

9,3

0,01

Поверхностная

6,1

0,20

13,9

0,05

11,0

0,01

Примечание: в числителе – сток талых вод, мм, в знаменателе – смыв почвы, т/га.

На основании 25-летних наблюдений, проведенных методом стационарных водно-балансовых площадок, установлено, что наиболее активно процессы перераспределения снеговой воды в пахотном слое проходят при возделывании яровых зерновых, где внутрипочвенный горизонтальный сток был в 1,2…1,5 раза больше, чем под другими культурами. Тогда как объем стока под многолетними травами составляет от суммарной  его величины менее 6 %.

Самый высокий уровень экологической защиты при интенсивном использовании пашни склоновых земель в условиях наиболее активного развития эрозионных процессов (склон 80) обеспечивает возделывание бобово-злаковой  смеси 1-го года пользования. В осенние периоды последних трех ротаций, после уборки основной культуры, нередко складывались благоприятные агрометеорологические условия для роста и развития растений, заметно продлевая период их вегетации. Температура воздуха в сентябре и октябре превышала среднемноголетние  значения соответственно на 0,4 и 0,8оС при количестве атмосферных осадков 85 и 133 % от нормы. Хорошо раскустившиеся с осени, с высоким проективным покрытием и закреплением почвы корневой системой, на фоне относительно благоприятных инфильтрационных свойств почвы многолетние травы обеспечивают минимальные потери мелкозема (0,12 т/га). С возрастом же их почвозащитная (0,22 т/га) и стокорегулирующая (22 мм) роль снижаются.

Результаты исследований и анализ общей динамики развития почвенно-деградационных процессов указывают на большую экологическую и средостабилизирующую значимость зернотравяного севооборота на склоновых землях, в том числе в современных неблагоприятных почвенно-климатических и  погодных условиях землепользования. Более того, роль и место его здесь резко возрастают. Именно севооборот является основой для поддержания экологического равновесия в этой непростой обстановке. В сочетании с другими  звеньями системы земледелия он сохраняет верхний горизонт от разрушительного воздействия стока в ранневесенний период и способствует сдерживанию эрозионных потерь почвы в пределах их допустимых колебаний.

4.2. Почвозащитная система обработки почвы как фактор регулирования

эрозионных процессов

Различные приемы по глубине и способам обработки формируют неодинаковое строение почвенного профиля, оказывающего существенное и разностороннее влияние на характер и интенсивность проявления процессов эрозии.

Рыхление и оборот верхнего пласта при вспашке, прорезание стойками почвенных горизонтов и разуплотнение лапами щелевателя подпахотного слоя способствуют переводу значительной части талых вод весной в зону с пониженной влажностью и слабым промерзанием почвы. При этом возрастает площадь  контакта влаги с почвой, что в совокупности усиливает впитывание и перераспределение воды в глубоких слоях почвенного профиля. Наиболее заметной  стокорегулирующая эффективность  этого варианта была за первые две ротации зернотравяного севооборота, где поверхностный сток сократился на  40…50 %.

Нарушения устойчивости холодных периодов года оказывают существенное  отрицательное влияние на противоэрозионную эффективность щелевания и других приемов, способствуя частичной или полной нейтрализации инфильтрационных возможностей нарезанных щелей и всего пахотного горизонта. В этих условиях, особенно на ранних этапах таяния снега, процесс поглощения воды был слабым, а зачастую просто нулевым. По мере оттаивания и освобождения почвы и щелей ото льда возрастает и их водопроницаемость.

Слабыми водорегулирующими свойствами обладает почва при поверхностной обработке. Минимализация не обеспечивает необходимого разуплотнения пахотного слоя даже с учетом дополнительного применения один раз в  ротацию чизелевания на глубину 38…40 см. Позитивные изменения в процессах инфильтрации на этом варианте отмечены лишь в последние годы, обусловленные улучшением показателей плодородия почвы. Дополнительным потерям талой воды на сток способствуют гетерогенное строение и низкая аккумулирующая емкость пахотного слоя. В сочетании со слабой противоэрозионной устойчивостью это приводит к усилению процессов разрушения и смыва почвы.

Наиболее значительными эти различия отмечены за первые десять лет,  особенно на склоне крутизной 80, где потери почвы при поверхностной обработке по отношению к обычной вспашке были выше на 0,2 т/га, или 57 %, а по отношению к щелеванию - на 0,4 т/га, или 74 %. Однако за последние три ротации противоэрозионная устойчивость почв с применением дискования возросла и уже не уступала заметно другим обработкам. Главным образом это связано с  использованием с начала 1990-х гг. мульчи в виде измельченной соломы, усилившей почвозащитные свойства верхнего слоя почвы.

В табл. 6 представлены 25-летние результаты исследований эрозии почв, включающие в себя оценку основных факторов, определяющих этот процесс.

6. Влияние почвозащитных обработок и рельефа местности на условия

формирования и характеристики процессов эрозии.  1981-2005 гг.

(И.С. Кочетов, В.Н. Осипов, А.И. Белолюбцев, О.А. Савоськина)

Вариант

обработки

Глубина промер­зания почвы перед стоком, см

Запасы воды в снеге перед стоком +

осадки во время стока, мм

Продол­житель-ность

стока,

дней

Сток,

мм

Коэффи­циент

стока

Смыв

почвы,

т/га

Склон  крутизной 80

Вспашка  (контроль)

34

76,4

7,3

21,5

0,30

0,378

Вспашка + щелевание

32

74,6

6,7

16,6

0,24

0,233

Поверхностная

33

75,8

7,2

25,0

0,33

0,456

Склон  крутизной 40

Вспашка (контроль)

30

79,1

3,8

8,8

0,12

0,116

Вспашка + щелевание

30

78,4

3,5

6,7

0,10

0,072

Поверхностная

30

80,1

3,9

9,9

0,14

0,116

НСР05 фактор

А

В

2,8

3,4

0,061

0,075

Экспериментальные данные свидетельствуют, что наиболее эффективным почвозащитным приемом является щелевание. На склоне крутизной 80 при запасах воды в снеге около 75 мм  непродуктивные потери  влаги по сравнению с контрольным вариантом и поверхностной обработкой сократились соответственно на 23 и 34 %, коэффициент стока уменьшился на 0,06 и 0,09, а смыв почвы снизился на 39 и 49 %. Подобные результаты получены и на склоне крутизной 40, что в очередной раз подтверждает высокую экологическую значимость этого приема даже с учетом снижения его эффективности в последние годы. Вместе с тем это не исключает, а напротив, предполагает дифференцированное применение щелевания в зависимости от конкретных условий ландшафта.

Согласно шкале интенсивности, объем сформированного поверхностного стока за период исследований находился в диапазоне от «очень слабого»  (до 7 мм) до «сильного» (41…75 мм). Максимальные его значения зафиксированы в 1986 году - 59,8 мм, с коэффициентом стока 0,42. Однако в большинстве случаев смоделированные и освоенные нами технологические схемы защиты почв от эрозии на склонах с «большой» (склон 40) и «очень большой» (склон 80) степенью потенциальной эрозионной опасности сдерживали интенсивность поверхностного стока в пределах от «слабого» до «умеренного».

Вместе с тем любой из рассматриваемых приемов и способов обработки, направленных на предупреждение или минимизацию почвенно-деградационных процессов в целом и особенно на регулирование и оптимизацию экологических режимов защиты почв от эрозии, имеет как свои преимущества, так и недостатки. Поэтому, рассуждая о почвозащитной эффективности систем обработки, необходимо принимать во внимание и оценивать их роль в каж­дом конкретном случае.

4.3. Зависимость стокорегулирующей и почвозащитной эффективности агротехнических приемов от метеорологических условий

холодного периода года

Сокращение величины стока талых вод в период 1991-2005 гг. по отношению к 1980-м гг. составило 24 %, что обусловлено, прежде всего, нарастающей контрастностью и изменчивостью термического режима приземного слоя воздуха весной. Размытость переходных сезонов и увеличение амплитуды колебаний температуры в суточном ходе во время стока на 2,1оС обеспечивают низкую интенсивность таяния снега и плавное его разрушение на склонах. С учетом же их южной ориентации эти процессы имеют еще более выраженную форму.  Влияние на объем стекающей воды снижения глубины промерзания почвы и других факторов, по нашему мнению, было хотя и важным, но не решающим, так как при этом заметно возрастает степень промерзания пахотного горизонта.

Дополнительное увлажнение почвы зимой во время интенсивных оттепелей приводит к нейтрализации почвенных пор льдом и образованию ледяной корки. Не приносит ожидаемого результата и крупнопористое строение почвенного профиля. В таких условиях оно не всегда желательно, а в отдельных случаях даже вредно. Вода, заполнив щели и другие крупные межагрегатные полости, определяет дальнейшую направленность мерзлотного процесса почвы, при этом существенно повышается степень ее промерзания и формируется практически водонепроницаемый слой. Следовательно, с учетом указанных выше обстоятельств непродуктивные потери весенней влаги могли только усилиться, о чем и свидетельствует снижение стокорегулирующей эффективности вспашки со щелеванием, особенно на склоне 40 (табл. 7).

7. Влияние метеорологических условий холодных периодов на объем

поверхностного стока талых вод, мм

Вариант

обработки

Зимний период

Отклонения

1991-2005 к 1981-1990 гг., %

устойчивый

(1981-1990 гг.)

неустойчивый

(1991-2005 гг.)

Склон  крутизной 80

Вспашка  (контроль)

27,9

17,3

62

Вспашка + щелевание

16,7

16,5

99

Поверхностная

34,2

18,8

55

Склон  крутизной 40

Вспашка  (контроль)

11,8

6,7

57

Вспашка + щелевание

6,0

7,2

120

Поверхностная

12,5

8,1

65

Полученные экспериментальные данные указывают и на общее ухудшение экологической обстановки. Склоны южной экспозиции, особенно малой крутизны, оказались наиболее уязвимыми к глобальным и региональным изменениям факторов внешней среды. Несмотря на сокращение стока, его эродирующие свойства усилились. В результате потери почвы при вспашке и поверхностной обработке на склоне крутизной 40 выросли по отношению к первому  десятилетию более чем в 2 раза, а при щелевании –  почти в 4 раза (табл. 8). Это вызывает особую тревогу, т.к. в активный почвенно-деградационный процесс вовлекаются новые территории, считавшиеся ранее относительно благополучными в эрозионном отношении. Поэтому, отмечая очевидную положительную динамику уменьшения стока талых вод, пока нет достаточных оснований для выводов о стабилизации и тем более снижении в последние годы эрозионных процессов.

8. Влияние метеорологических условий холодных периодов на смыв почвы, т/га

Вариант

обработки

Зимний период

Отклонения

1991-2005 к 1981-1990 гг. %

устойчивый

(1981-1990 гг.)

неустойчивый

(1991-2005 гг.)

Склон  крутизной 80

Вспашка  (контроль)

0,342

0,403

118

Вспашка + щелевание

0,140

0,295

211

Поверхностная

0,538

0,401

75

Склон  крутизной 40

Вспашка  (контроль)

0,068

0,149

219

Вспашка + щелевание

0,026

0,102

392

Поверхностная

0,069

0,147

213

В годы с неустойчивыми зимними периодами процессы эрозии проходили с разной интенсивностью и со своими особенностями. В годы с промороженной и сильно увлажненной (0,9…1,2 НВ) в осенне-зимний сезон поверхностью почвы, покрытой ледяной коркой, активность смыва была низкой и редко превышала 100 кг с 1га. Сток проходил равномерно, и большая его часть (80…95%) стекала по склону с не оттаявшей почвой, не вызывая серьезных повреждений, даже при высокой интенсивности снеготаяния. Кроме того, лед сполаживал небольшие микронеровности на поле, поток талой воды растекался по поверхности, концентрация и скорость его снижались, что также имело положительное значение для общей физической устойчивости почв склонов.

Многократное чередование интенсивных оттепелей и отрицательных температур зимой, неравномерное таяние снега весной активно разрушают структуру верхнего слоя, резко снижая сопротивляемость заплывшей почвы к смыву и размыву талыми водами. Повышенная гребнистость и комковатость поверхности почвы усиливают смыв. Эти элементы гораздо быстрее оттаивают, освобождаясь от снега и ледяной корки. Контактирующий с ними склоновый поток легко смывает не только разрушенную структуру, но и крупные агрегаты диаметром 6…8 мм, перемещая их в водном потоке по склону на значительное расстояние. Этому способствует высокая кинетическая энергия поверхностного стока, имеющего ледяное основание и повышенную концентрацию потока. Именно такой тип смыва представляет наибольшую опасность для плодородия почв склоновых территорий в последние годы. Поэтому данные процессы должны стать предметом самого пристального внимания ученых и специалистов этого направления.

Разумеется, здесь изложены лишь общие представления о влиянии наблюдаемых колебаний и глобальных изменений климата на противоэрозионную устойчивость почв склонов и происходящие в ней процессы. Проблема качественного изменения состояния эродированных почв, связанная с масштабной трансформацией гидротермического режима холодного периода года, является гораздо более сложной и требует отдельного обсуждения. Тем не менее, без общего понимания механизма современных почвообразовательных процессов на склоновых землях невозможны обоснованный прогноз поведения эродированной почвы и эффективное управление происходящими в ней вещественно-энергетическими потоками.

5.1. Изменения агрофизических показателей плодородия смытой дерново-подзолистой почвы под влиянием разноглубинных систем обработки и

погодных условий

Основой земледелия было и остается формирование свойств и режимов почв путем различных ее обработок (Костычев, 1949; Кочетов, 1999).

Величина средней плотности эродированной почвы в период исследований не соответствовала оптимальным параметрам роста возделываемых культур. Заметное повышение плотности сложения отмечается с начала устойчивого потепления холодных периодов и особенно за четвертую ротацию севооборота, где ее величина в зависимости от применяемых обработок  и  слоя  почвы находилась в пределах 1,36…1,63 г/см3 и выше.

В условиях теплых зим из-за переувлажнения и высокой степени цементации льдом не происходит активного пучения почвы. В результате нарушения процессов зимнего разуплотнения она не достигает равновесного состояния. Подобная обстановка, причем наиболее выражено, складывается в годы при  отсутствии или неглубоком (до 15 см) промерзании пахотного профиля (в 1989, 1990, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2004 гг.). Следствием этого эффекта была значительная усадка грунта после оттаивания весной и общее повышение плотности эродированной почвы. Отрицательное влияние на ее агрофизическое состояние оказывает и нарастание засушливости периода вегетации. Иссушение смытой почвы резко повышает плотность ее сложения.

В сложившихся почвенно-климатических и погодных условиях противоэрозионные обработки слабо воздействуют на снижение величины средней плотности в почвенном профиле. На этом фоне выделяется лишь поверхностная обработка, где эти показатели были несколько ниже (на 3…6%), чем на контрольном и других изучаемых вариантах. Наиболее заметно эти различия проявляются в верхнем 0-10 см слое почвы, что обусловлено главным образом повышенным уровнем его гумусированности. Однако уже последующий слой (10-20 см) не имеет таких преимуществ по плодородию и он более деформирован, чем другие. Подобные изменения плотности почвы не могут не сказаться на общих экологических и экономических показателях функционирования эрозионноопасных агроландшафтов. Это ставит перед современным земледелием весьма серьезную проблему, которая, как показывают наши исследования, с каждым годом стано­вится все острее.

Современные природные условия оказывают негативное воздействие на  физико-механические свойства почвы и ее структурное состояние. Слабое или полное отсутствие промораживания в условиях теплых зим не способствует эффективному образованию структуры. Напротив, происходит ее активное физико-химическое разрушение, особенно почвы верхнего слоя. Коэффициент структурности эродированных почв за 25 лет исследований снизился в среднем на 0,84, или на 30% при наиболее существенном изменении на склоне крутизной 80 - на 0,93, или на 36%. Уменьшение ценных агрегатов почвы происходит в основном за счет их укрупнения до глыбистых размеров при одновременном сокращении 1,5…3 раза содержания пылеватых фракций.

Среди изучаемых приемов и систем противоэрозионной обработки почвы положительный оструктуривающий эффект имеет минимализация, роль которой в сохранении и улучшении структуры почвенных горизонтов, согласно  полученным результатам, была достаточно очевидна. Ограничение механического воздействия на почву тяжелых почвообрабатывающих машин и орудий способствует повышению коэффициента структурности по отношению к вспашке (контроль) и другим изучаемым вариантам обработки на 15…20 % (табл. 9). 

9. Изменения агрофизических свойств почвы под действием противоэрозионных

приемов обработки и рельефа, слой 0…40 см. 1981-2005 гг.

(И.С. Кочетов, В.Н. Осипов, А.И. Белолюбцев, О.А. Савоськина)

Вариант обработки

Плотность,

г/см3

Общая пористость,

%

Твердость*, кг/см2

Коэфф. структурности

Водопрочность

агрегатов, %

Склон  крутизной 80

Вспашка (контроль)

1,48

48,0

42,1

1,98

39,3

Вспашка + щелевание

1,47

47,3

39,2

2,01

40,2

Поверхностная

1,46

46,8

44,2

2,39

40,2

Склон  крутизной 40

Вспашка (контроль)

1,46

47,1

38,1

2,38

40,7

Вспашка + щелевание

1,45

48,1

36,1

2,35

41,0

Поверхностная

1,44

46,2

41,7

2,75

43,5

НСР05 фактор

А

В

0,012

0,015

0,08

0,10

1,06

1,29

  Примечание: твердость почвы указана за период с 1981 по 1993 гг.

Оценивая за 25 лет непрерывных исследований комплексное влияние антропогенных и природных факторов на основные показатели плодородия эродированной дерново-подзолистой почвы, следует констатировать общее ухудшение агрофизического ее состояния. Вместе с тем нельзя не отметить и позитивную  динамику изменений основных агрофизических показателей плодородия (плотности сложения, водопрочности макроструктуры) смытых почв за последние пять лет, что является обнадеживающим свидетельством определенной стабилизации и оздоровления экологической обстановки на склоновых землях.

Возможным решением этой проблемы могут стать экологические ограничения антропогенной нагрузки. Сокращение числа технологических операций  способствует активизации процессов саморегуляции эродированных почв,  восстановлению природных их свойств и режимов, что в конечном итоге повышает экологическую устойчивость эрозионных агроландшафтов к неблагоприятным воздействиям. Дискование на глубину 6…8 см с чизелеванием один раз в ротацию севооборота на глубину 38…40 см  во многом отвечает этим требованиям и может быть рекомендован в сочетании с другими мерами адаптивного характера для более широкого применения в сложившихся условиях.

5.2. Регулирование агрохимических свойств эродированных почв с помощью почвозащитного севооборота, удобрений и технологий обработки

Эффективное использование средств химизации на склоновых землях,  подверженных процессам эрозии при снеготаянии, должно быть сопряжено с оптимизацией технологий и регламентов их применения, нормами и принципами экологического риска для окружающей среды и безопасного природопользования.

Внутрипочвенным стоком и с просачивающимися водами вымывается  основная часть растворимых химических элементов: от  253,7 кг/га - при поверхностной обработке на склоне крутизной 40  до  810,6 кг/га - при вспашке со щелеванием на склоне 80, или в среднем около 65% от общих их потерь. Однако они не могут оказать заметного отрицательного влияния на окружающую среду, т.к. значительная их часть поглощается почвенным профилем и при определенных условиях вновь вступает в биологический круговорот (табл. 10).

10. Суммарные потери химических элементов (кг/га) в зависимости от приемов  обработки почвы и элементов ландшафта, фон N90P90K90. 1981-1989 гг.

(И.С. Кочетов, В.Н. Осипов, Л.Д. Воропаева, А.И. Белолюбцев)

Вариант обработки

Вымывается со стоком

Всего

твердым

поверхност-

ным

внутрипоч-

венным

просачив.

водами

Склон  крутизной 80

Вспашка (контроль)

5,9

325,4

321,6

246,9

899,8

Вспашка + щелевание

2,3

245,6

539,3

271,3

1058,5

Поверхностная

27,0

584,2

305,2

284,0

1200,4

Склон  крутизной 4

Вспашка (контроль)

0,4

134,0

85,2

226,8

446,4

Вспашка + щелевание

0,4

111,7

112,0

196,5

420,6

Поверхностная

1,0

154,5

42,3

211,4

409,2

Гораздо опаснее в природоохранном отношении потери химических элементов за пределы корнеобитаемого слоя с поверхностным стоком. На его долю приходится в среднем по изучаемым вариантам на склоне крутизной 40 - 133 кг/га, на склоне 80 - 385 кг/га, или около 34%, с  максимальным смывом при поверхностной обработке 584,2 кг/га (481,4 кг/га N60P60K60). Большие потери питательных веществ на этом варианте обусловлены повышенным объемом поверхностного стока, а локализация агрохимикатов в верхнем 0…10 см слое почвы обеспечивает легкую их доступность для выщелачивания и смыва талыми водами.

Миграция элементов питания в результате эрозии ухудшает агрохимические свойства почв и снижает производительную устойчивость агроландшафтов. Проведенные нами химические анализы стекаемой со склона талой воды показывают, что наибольший смыв питательных веществ с поверхностным стоком приходится на легко подвижные их формы, в частности, на азот и кальций, где в среднем он составил от 10 до 23%. Повышенное содержание катионов кальция в поверхностном стоке и его вымывание (до 36,3 кг/га) приводит к подкислению почвы. При этом изменяются и другие не менее важные физико-химические ее свойства, что дополнительно ухудшает плодородие эродированных почв.

На потери кальция и других питательных веществ существенное влияние оказывают условия формирования стока. Отсутствие или неглубокое промерзание почвы и активный промывной режим в холодный период вносят заметные коррективы в миграционные процессы агрохимикатов как по ее профилю, так и по склону. Смыв основных форм биофильных элементов питания с начала 1990-х гг. по сравнению с прошлым периодом снизился в 5,4 раза, а потери нитратного и аммиачного азота сократились в десятки раз. На этом фоне щелевание, проведенное по вспашке и поверхностной обработке, позволяет дополнительно уменьшить вынос химических элементов с поверхностным стоком в 1,5…3,0 раза. Однако экологическая и хозяйственная роль щелевания при таких условиях формирования стока представляется достаточно сомнительной, поскольку оно способствует усилению вымывания элементов пищи растений за пределы корнеобитаемого слоя.

Потери наиболее легкодоступной части питательных веществ с продуктами эрозии в сочетании с интенсивным использованием склоновых земель наносят серьезный ущерб плодородию почв. Балансовые исследования, проведенные в 1980-1988 гг., указывают на общую негативную направленность процессов массообмена в эрозионных агроландшафтах и свидетельствуют о заметном дефиците содержания органического вещества, азота и калия в почве.

Установлено, что потери гумуса зависят от соотношения темпов минерализации и его воспроизводства, почвозащитной эффективности изучае­мых приемов обработки и биологических особенностей культур зернотравяного севооборота, а также общей интенсивности и направленности потоков вещества и энергии склоновых экосистем. Применение только одних минеральных удобрений, в т.ч.  повышенных норм, не обеспечивает бездефи­цитный баланс органического вещества активно используемых почв склонов. Он колебался в среднем по вариантам от -54,0 кг/га (N60 P60 K60) при вспашке со щелеванием на склоне крутизной 40 до  -163,4 кг/га (N90 P90 K90)  при поверхностной обработке на склоне крутизной 80. В результате, к концу второй ротации севооборота снижение содержания гумуса в слое 0…20 см  на склоне крутизной 80 в среднем составило 22%, а в слое 0…40 см - 18%. Аналогичные результаты получены и на склоне крутизной 40.

Ограниченное применение органических удобрений в виде запашки растительных остатков пшеницы и овса позволило не только стабилизировать экологическую обстановку, но и получить видимый положительный результат.  Дополнительное внесение в почву измельченной соломы из расчета в среднем 5…6 т/га начиная с 1990 г. способствовало улучшению условий почвообразования и повышению содержания гумуса в 2005 г. по отношению к 1987 г. на 12%. Отмечена устойчивая динамика его накопления почти по всем изучаемым вариантам, особенно в последние десять лет.

Среди агротехнических приемов наиболее эффективным было применение минимальной обработки. Особенно заметной роль дискования отмечена на склоне крутизной 80, где содержание гумуса в почве возросло на 27%, что  только на 4% ниже его исходных значений. Интенсивные обработки с рыхлением и оборачиванием пахотного слоя, напротив, осложняют продукционные процессы, ускоряют минерализацию гумуса, напрямую отражаясь на уровне гумусированности смытых почв и показателях качественного его состояния.

Сравнительный анализ экспериментальных данных подтверждает выявленную нами общую положительную динамику запасов гумуса в почве с начала 1990-х гг. Наиболее существенное его накопление, как уже указывалось, отмечено на поверхностных обработках обоих склонов, где запасы органического вещества в слое 0…40 см возросли за десять лет в среднем на 13,7 т/га, при максимальных значениях на склоне крутизной 80 - 22,0 т/га, превысив исходные его значения (1980 г) на 2,1 т/га. Тогда как в целом ускоренное проявление водной эрозии на этом склоне способствует снижению запасов гумуса в среднем почти на 7 т/га. Следовательно, перевод смытых почв по запасам органического вещества в накопительный режим можно обеспечить заменой ежегодной интенсивной ее обработки дискованием с периодическим глубоким рыхлением.

Таким образом, установленные в последние годы положительные изменения в процессах воспроизводства и оптимизации плодородия склоновых земель указывают на достаточно высокую средостабилизирующую значимость смоделированных нами экологических режимов защиты почв от эрозии. Этот вывод подкрепляют и показатели гумусированности подпахотного слоя, имеющие явно позитивную направленность, особенно на склоне крутизной 40, где содержание гумуса в почве возросло к исходным его значениям на 13%.

5.3. Изменения водного режима почвы под действием природных и

антропогенных факторов

Мощность снежного покрова, запасы воды в нем, глубина и степень промерзания почвенного профиля, состояние и влажность верхнего слоя, а также характер погоды и продолжительность снеготаяния определяют условия и размеры весеннего поступления влаги в почву. Используя данные, полученные на спе­циально оборудованных водно-балансовых пло­щадках за период 1981-1990 гг., можно утверждать, что средние многолетние потери, оцениваемые величиной суммарного (поверхност­ного и внутрипочвенного) стока талых вод на склоне крутизной 80, составляют около 34% от запаса воды в снеге пе­ред  весенним таянием. Это в 2,8 раза больше, чем на склоне крутизной 40 (табл. 11).

11. Влияние погодных условий и рельефа на элементы водного баланса

эродированных дерново-подзолистых почв. 1981-2005 гг.

Элемент ландшафта

Поступление воды (запасы в снеге + осадки во время стока)

Расход воды за счет стока

Расход воды на инфильтрацию и физическое испарение

Поверх-

ностного

Внутри-

почвенного

Всего

мм

%

мм

мм

мм

%

мм

%

Склон

крутизной  80

86,3

69,1

100

100

26,3

18,3

2,9

1,8

29,2

20,1

34

29

57,1

49.0

66

71

Склон

крутизной 40

93,0

70,4

100

100

10,1

7,4

0,8

0,4

10,9

7,8

12

11

82,1

62,6

88

89

Примечание: над чертой - 1981-1990 гг; под чертой - 1991-2005 гг.

Колебания метеорологических условий холодных периодов 1991-2005 гг. и общее значительное их потепление нарушили эти пропорции. Величина  инфильтрации талых вод в почву и ее расход на физическое испарение на склоне крутизной 80  в условиях неустойчивых зим увеличилась на  5% от поступления влаги в виде запасов в снеге.  Но если оценивать в абсолютных значениях, то количество воды, расходуемой на инфильтрацию весной в эти годы, напротив, снизилось на 8,1 мм, а на склоне крутизной 40 эта разница составила еще большую величину - 19,5 мм. Поэтому, несмотря на сокращение поверхностного и внутрипочвенного стока талых вод, водный режим эродированных почв ухудшился.

Существенное изменение агрофизических свойств верхнего слоя почвы в результате теплых зим, плохое крошение заплывшей почвы при подготовке к посеву весной способствуют увеличению межагрегатных пустот. Большое их количество и аккумулирующий объем для впитывания стали основной причиной резкого увеличения водопроницаемости почвы установленной с начала 1990-х гг. Оказало заметное стимулирующее влияние на эти процессы и нарастание засушливости погодных условий в период вегетации культур.

Установлено, что высокий эффект по увеличению водопроницаемости почв достигается с помощью глубокого рыхления щелеванием и чизелеванием. Использование этих приемов в сочетании с плоскорезной и поверхностной обработками способствует усилению процессов фильтрации влаги в среднем на 17%. Выгодно сочетание поверхностной обработки и щелевания, особенно на склоне крутизной 80, где интенсивность водопоглощения была на 27% больше, чем по обычной вспашке. Высокие показатели водопроницаемости за последние три ротации отмечены и на поверхностной обработке, превышая аналогичные показатели контроля на 22% как на склоне крутизной 80, так и на склоне крутизной 40. Это еще раз свидетельствует о положительных изменениях в показателях плодородия почв на этом варианте в последние годы.

Активное рыхление пахотного слоя при вспашке и вспашке со щелеванием способствует лучшей аккумуляции атмосферных осадков в осенний период и особенно талой воды во время зимних оттепелей, сохраняя их в почвенном профиле на уровне, часто близким к ПВ. При этом весьма важную роль для накопления влаги в этот период сыграло мульчирование измельченной соломой. В результате рост влагозапасов в метровом слое почвы в этот период составил 18% против 7% за 1983-1988 гг., достигнув своих максимальных значений к началу стока. Однако после его прохождения не обеспеченный водоудерживающей способностью почвы избыток влаги фильтруется в глубокие горизонты. Ее запасы на этих вариантах сократились на 19,7…27,8 мм, или в среднем на  6,5%, но по-прежнему сохраняясь на уровне, превышающем показатели влагообеспеченности почвы предыдущего периода  (табл. 12).

12. Влияние противоэрозионных обработок на запасы влаги

в метровом слое почвы, мм

Вариант

обработки

При

щелевании

Перед

стоком

После

стока

Вегетация культур

начало

конец

Склон  крутизной 80

Вспашка

(контроль)

322,1

325,7

353,3

390,9

354,3

367,2

314,0

319,7

287,4

280,4

Вспашка +

щелевание

330,1

322,0

355,2

387,1

352,7

360,8

323,3

328,0

295,3

277,9

Поверхностная

315,6

318,2

349,9

377,5

350,1

359,6

313,2

324,7

286,6

276,2

Склон  крутизной 40

Вспашка

(контроль)

320,0

321,5

340,3

372,0

348,6

352,3

306,1

314,1

279,4

273,6

Вспашка +

щелевание

327,6

320,3

344,3

379,8

347,9

352,0

329,2

327,8

281,0

273,0

Поверхностная

321,5

317,3

342,2

364,7

351,5

356,1

310,3

320,5

282,2

274,4

Примечание: над чертой - 1983-1988 гг., под чертой - 1990-1995 гг.

Запасы влаги в почве на склоне крутизной 80 были почти всегда выше, чем на склоне крутизной 40. Это обусловлено тем, что длительное время после снего­таяния над иллювиальным горизонтом, который при характерной для него низкой водо­проницаемости (около 1 мм/сутки) служит водоупором, формировался перенасыщенный водой слой почвы, т.е. создавалась благоприятная обстановка для образования верхо­водки. В дальнейшем в период вегетации эти и другие условия оказали заметное влияние на режим увлажнения почв южных склонов и соответственно на уровень продуктивности культур зернотравяного севооборота.

6.1. Роль мульчирования в стабилизации экологической

обстановки на склоновых землях

Учитывая отрицательное воздействие антропогенных и особенно резкое усиление влияния природных факторов на экологическое состояние эрозионноопасных агроландшафтов и их функционирование, нами был разработан и освоен ряд адаптивных мероприятий, позволяющих снизить эту нагрузку. В частности, при создании эффективной защиты на полях с проявлением эрозии можно пойти по пути, указанному самой природой (Докучаев,1954; Ломакин, 1988).

Важным этапом в истории проведения нашего опыта по стабилизации экологической обстановки стало применение мульчирования почвы измельченной соломой и другими растительными остатками во время уборки зерновых культур. Почвозащитная эффективность мульчирования, как и его влияние на внутрипочвенные процессы, во многом зависит от способов размещения соломы в пахотном слое. При горизонтальном и не глубоком вертикальном размещении (в слое 0-10 см) они способствуют дополнительному накоплению снежной массы, запасов воды в снеге, изменению его свойств и снижению глубины промерзания почвы, а также повышению противоэрозионной устойчивости. Вместе с тем избыточное увлажнение почвы при мульчировании может заметно снизить стокорегулирующую эффективность противоэрозионных приемов обработки.

13. Влияние почвозащитных обработок на развитие процессов эрозии в годы применения мульчирования.

Вариант

обработки

Глубина промер­зания почвы перед стоком, см

Запасы воды в снеге перед

стоком +

осадки во время стока, мм

Сток

мм

Смыв почвы,

т/га

при мульчировании

в среднем за период

(1991-2005 гг.)

Склон  крутизной 80

Вспашка  (контроль)

27

75,8

9,3

0,24

0,40

Вспашка + щелевание

24

71,2

9,7

0,17

0,29

Плоскорезная + щелевание

23

76,4

10,9

0,15

0,34

Плоскорезная + чизелевание

22

72,9

12,3

0,18

0,35

Поверхностная + щелевание

23

73,7

11,6

0,15

0,33

Поверхностная

21

72,6

13,4

0,26

0,40

Склон  крутизной 40

Вспашка (контроль)

22

73,2

1,3

0,01

0,15

Вспашка + щелевание

22

71,7

1,2

0,01

0,10

Плоскорезная + щелевание

20

76,4

1,6

0,01

0,15

Плоскорезная + чизелевание

18

75,1

1,6

0,01

0,14

Поверхностная + щелевание

19

71,2

1,5

0,01

0,11

Поверхностная

18

74,4

1,7

0,01

0,15

Согласно результатам, слабой противоэрозионной устойчивостью обладает почва при размещении соломы в слое 0-10 см на варианте с минимальной обработкой. Абсолютные потери почвы на склоне 80 составили 0,26 т/га при величине стока 13,4 мм, существенно уступая аналогичным показателям вспашки и другим изучаемым противоэрозионным приемам. Тем не менее, физическое сопротивление верхнего слоя пашни эродирующему воздействию талой воды при дисковании, оцениваемой по мутности стока на единицу его объема, было на 25% выше, чем при вспашке. Усиление поверхностной обработки щелеванием на глубину 40…50 см способствует видимому улучшению экологической обстановки на склонах, где мутность стока сократилась на 50%, а реальные потери смытого мелкозема на 38%. В целом мульчирование почвы заметно снижает опасность проявления эрозии по всем вариантам (табл. 13).

Дополнительное поступление растительных и пожнивных остатков зерновых культур реально содействует не только оздоровлению экологической  ситуации на склонах, но и, как уже отмечалось, улучшению питательного режима эродированных почв. Анализ содержания гумуса при мульчировании позволяет оценить произошедшие по отдельным периодам наблюдений разнонаправленные, но в целом позитивные изменения (рост на 12%) в динамике воспроизводства и восстановления утраченного почвенного плодородия.

14. Влияние почвозащитных приемов обработки на засоренность посевов ячменя с подсевом многолетних трав, шт/м2

Вариант

обработки

Годы

Средняя

1982

1992

1997

Склон  крутизной 80

Вспашка

(контроль)

164

10

76

6

64

12

101

9

Вспашка +

щелевание

168

10

86

6

80

17

111

11

Поверхностная

101

9

93

20

87

15

94

15

  Склон  крутизной 40

Вспашка

(контроль)

270

5

121

4

95

3

162

4

Вспашка +

щелевание

287

8

130

6

108

5

175

6

Поверхностная

215

18

147

2

90

2

151

7

Примечание: над чертой общее количество сорняков; под чертой многолетние.

Длительные исследования показывают, что применение измельченной соломы в качестве мульчи не приводит к существенному увеличению и засоренности почв (табл. 14). Напротив, мульчирование позволяет затормозить рост и развитие большинства представителей сорной растительности. Отмечено общее улучшение фитосанитарного состояния по всем вариантам включая поверхностную обработку. Лишь на склоне крутизной 80 зарегистрировано некоторое увеличение засоренности многолетними сорняками.

6.2. Агроэкологическая оценка эффективности орошения в условиях

нарастающей засушливости климата территории Центрального

Нечерноземья

Предупреждению или заметному снижению современных отрицательных природных воздействий на экологическую и производительную устойчивость агроландшафтных комплексов, расположенных на склоновых землях, способствуют оросительные мелиорации (Дубенок, 2003).

Исследованиями по смягчению последствий роста засушливости климата и улучшению водного режима почв за счет орошения дождеванием установлено, что на фоне вспашки со щелеванием наиболее неблагоприятные условия в развитии процессов ирригационной эрозии создаются на обоих склоновых участках при распределении больших поливных норм (30 и 40 мм). Особенно  сложная обстановка складывается при поливе вегетирующих растений овса, а также на участках без растительности (пашне), где величина поверхностного стока была приблизительно одинаковой и достигала на склоне крутизной 8 и 40 соответственно 18 и 13 мм.

Самый низкий (6 и 4 мм) слой стока, в том числе при однократном использовании максимальной из изучаемых вариантов поливной нормы (40 мм), зарегистрирован при дождевании многолетних трав 1-го года пользования на  склоне крутизной 80 с глубиной промачивания почвы, достигавшей 15 см. На склоне крутизной 40 сток при распределении этой же нормы отсутствовал  полностью, промочив почвенный профиль на 13 см.  В результате объём стока на площадках, за­нятых многолетними травами, был на 34…67% меньше, чем при возделывании других культур севооборота и на пашне. Следовательно, формирование поверхностного стока, кроме выше указанных факторов,  зависит от площа­ди проективного покрытия почвы растениями и их способности задерживать и перераспределять дождевую воду во время орошения.

Хорошие результаты дал полив дробной нормой 20+20 мм. Такой полив можно отнести к перспективным способам увлажнительной мелиорации склоновых земель. Прерывистое дождевание способствует заметному снижению  вероятности поверхностного стока и ирригационной эрозии. О высокой эффективности такого способа орошения свидетельствует глубина промачивания поч­вы, где она была максимальной и находилась в пределах 17…18 см, но в большей степени минимальная величина поверхностного стока 4…6 мм. При дождевании растений овса он практически соответствует слою воды при  распределении поливной нормы 20 мм.

Потери питательных веществ с поверхностным стоком при орошении склоновых земель являются наиболее экологически опасной и экономически значимой статьей их расхода. В результате процессов ирригационной эрозии наибольшие суммарные потери основных химических элементов с по­верхностным стоком при орошении (m = 30 мм) отмечены при вспашке (217,9 кг/га) и поверхностной  обработке поч­вы (286,4 кг/га) на склоне крутизной 8°, что в среднем почти в 2,5 раза больше, чем на вариантах при щелевании. Полученные нами экспериментальные данные в стационарном полевом опыте имеют важное практическое значение в экологизации приемов увлажнительной мелиорации на эрозионноопасных территориях.

В этих условиях максимальная урожайность зерна ячменя на склонах крутизной 8 и 40 при орошении дождеванием получена на варианте вспашки со щелеванием. Ее величина составила 3,45 и 3,16 т/га соответственно, что на 0,28 и 0,10 т/га больше, чем на контрольном варианте. Дополнительное использование  приемов оросительной мелиорации по фону щелевания в зависимости от крутизны склона позволило увеличить продуктивность ячменя на 63 и 30%.

Для условий опыта, проводимого в 2002 г., была получена следующая зависимость урожайности ячменя от изучаемых факторов:

У = 27,90 - 0,05х1 + 5,15х2, R2 = 0,96 (1)

где У урожайность зерна ячменя (т/га); х1 крутизна склона; х2 оросительная норма (м3/га).

Этот метод позволяет найти зону оптимального сочетания исследуе­мых факторов. Расчеты показывают, что максимальный урожай зерна (3,48 т/га) может быть получен при оросительной норме 2500 м3/га. Влияние же крутизны склона в данном случае не существенно.

Анализ вещественно-энергетических потоков и продукционных процессов изучаемой агроэкосистемы показывает, что ее устойчивость определяется  комплексом факторов, среди которых климатическим условиям принадлежит особая роль. На территориях с хорошей теплообеспеченностью и низкой естественной увлажненностью целесообразность орошения не вызывает сомнений. Однако необходимо учитывать, что наибольшая угроза функционированию склоновых агроэкосистем исходит от эрозионных процессов. Поэтому сегодня при применении мелиоративных мероприятий по ландшафтно-экологической адаптации современных систем земледелия необходимо руководствоваться уже не столько экономическими результатами, сколько нормами экологического риска для окружающей среды и принципами безопасного природопользования.

6.3. Влияние сроков применения и параметров технологий обработки почвы на экологическую и производительную  устойчивость агроландшафтов

В рамках изучения вопросов технологической адаптации почвозащитных систем земледелия к новым природным условиям интерес для анализа представляют результаты влияния сроков и параметров щелевания на состояние эродированной почвы и посевов сельскохозяйственных культур на примере возделывания многолетних трав. Необходимость рассмотрения этих вопросов была обусловлена часто возникающими объективными трудностями при организации и проведении этого агроприема, а также неоднозначными, нередко противоречивыми в рекомендациях специалистов, текущими и ожидаемыми последствиями щелевания для эродированных почв и сельскохозяйственных растений. Особенно актуальными эти вопросы стали в условиях теплых зим последних лет, когда почвозащитная эффективность щелевания резко снизилась.

Исследования показали, что проведение щелевания посевов многолетних трав до промерзания почвы по сравнению со щелеванием по промерзшей почве не приводит к заметному ее уплотнению. Вместе с тем щели, нарезанные до промерзания, физически менее устойчивы, сильнее подвергаются неблагоприятному воздействию выпадающих осенних осадков, которые частично или полностью разрушают их в верхнем слое почвы и могут привести к полному заилению. Это снижает водопоглотительную способность щелей в период весеннего снеготаяния. Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы благодаря лучшей сохранности щелей при поздней их нарезке были на 1,2…12,1% выше, чем нарезанные до промерзания почвы. Однако к началу периода активной  вегетации растений эти различия сглаживаются. Кроме того, установлена четкая закономерность: чем больше ширина долота, а следовательно, и щели, тем хуже режим увлажнения почв в период активной вегетации культур.

Не оказали заметного влияния сроки щелевания и на другие водно-физические и агрохимические показатели дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, а также на урожайность сена многолетних трав (FФ<FТ).  Следовательно, отсутствие существенных различий показателей плодородия почв и урожайности позволяет значительно расширить интервалы по срокам щелевания, проводить его раньше, при этом, не опасаясь переуплотнения и повреждения растений.

Еще одним весомым аргументом в пользу ранних сроков может служить сильная размытость переходных сезонов последних лет, нередко длительное, а то и полное отсутствие достаточного выхолаживания и необходимой для нарезания щелей глубины промерзания почвы (3…5 см) не только в позднеосенний, но и в зимний период. Проведение щелевания в таких условиях представляется крайне затруднительным как по требуемым срокам, так и по технологии выполнения. Почва, как правило, находится в избыточно увлажненном состоянии, особенно верхний слой, и применение тяжелой техники (Т-150К,  с массой 8 т) может  нанести значительный вред посевам многолетних трав и почве. Но даже оптимальные сроки и хорошее качество щелевания не гарантируют положительный результат в снижении эрозионных процессов. Стокорегулирующая эффективность щелей часто была очень низкой из-за многочисленных оттепелей и переувлажнения пахотного горизонта. 

Безусловно, такие процессы не носят устойчивого характера, и можно было наблюдать противоположный результат, когда именно открытые щели с большим полезным объемом препятствовали полной их закупорке. Очевидно одно, что сложившиеся в последние годы почвенно-климатические и погодные условия холодного периода будут существенно ограни­чивать возможности щелевания эффективно бороться с эрозией почв, причем независимо от сроков и способов его применения. Это еще раз подчеркивает, что «работа щелей» в современных природных условиях землепользования требует к себе повышенного внимания.

7.1. Продуктивность культур при комплексном применении элементов системы земледелия на ландшафтной основе

Установлено, что приемы обработки почвы оказывают неоднозначное и разностороннее влияние на общую продуктивность почвозащитного зернотравяного севооборота. Применение вспашки со щелеванием способствует созданию наиболее благоприятных условий для роста и развития полевых культур. Результативное снижение эрозионных потерь, разуплотнение почвы, оптимизация пищевого, водного и воздушного режимов положительно отражаются на продуктивности зернотравяного севооборота. Щелевание, разрыхляя пахотный и сильно уплотненный подпахотный горизонт, приводит к накоплению и перераспределению зимне-весенней влаги и питательных веществ по всему обрабатываемому почвенному профилю. Это заметно улучшает условия для развития корневой системы растений, обеспечивая им большую площадь питания. Вместе с тем в годы с недостаточным количеством атмосферных осадков в период вегетации культур открытые щели ухудшают режим увлажнения верхних слоев почвы, особенно в зоне их нарезания. В результате по суммарной эффективности обработок, оцениваемой в сопоставимых показателях за 20-летний период, включающий четыре полные ротации, применение щелевания позволило получить в среднем на склоне крутизной 8 и 40 соответственно на 0,22 и 0,41 т кормовых единиц с 1 га больше, чем на других изучаемых вариантах (табл. 15).

15.  Действие противоэрозионных приемов обработки и элементов агроландшафта на продуктивность зернотравяного севооборота, т.корм.ед/га.  1981-2004 гг.

(И.С. Кочетов, В.Н. Осипов, А.И. Белолюбцев, О.А. Савоськина)

Вариант обработки

Ротация севооборота, гг

1981-1985

1986-1990

1991-1995

1996-2000

2001-2004

Склон  крутизной 80

Вспашка (контроль)

3,47

3,60

2,96

3,12

2,75

Вспашка + щелевание

3,54

3,75

3,21

3,06

2,85

Плоскорезная + щелевание

-

-

3,08

2,87

3,41

Плоскорезная + чизелевание

-

-

3,13

2,63

3,33

Поверхностная + щелевание

-

-

3,12

2,80

3,27

Поверхностная

3,51

3,59

3,06

2,85

2,90

Склон  крутизной 40

Вспашка (контроль)

3,62

3,53

2,92

3,18

2,60

Вспашка + щелевание

3,73

3,66

3,09

3,09

2,62

Плоскорезная + щелевание

-

-

2,90

2,76

2,90

Плоскорезная + чизелевание

-

-

2,97

2,62

2,90

Поверхностная + щелевание

-

-

2,85

2,61

2,84

Поверхностная

3,75

3,61

2,90

2,80

2,48

НСР05 фактор

А

В

0,67

0,82

1,01

1,24

0,12

0,22

0,19

0,33

0,12

0,21

Важное стабилизирующее влияние на выход продукции зернотравяного севооборота оказывает замена основной осенней отвальной обработки почвы мелким рыхлением (дискование на глубину 6…8 см). Сокращение антропогенной нагрузки на почву способствует снижению ее плотности и улучшению структурного состояния пахотного горизонта. Повышенное содержание в почве агрономически ценной макроструктуры обеспечивает сравнительно благоприятные условия для роста и развития растений, что обуславливает и заметный положительный эффект в продукционных процессах. В результате общая суммарная продуктивность севооборота при минимализации не только не уступала контрольному и большинству других вариантов обработки почвы, но и часто их превосходила, с разницей между ними достигавшей 0,26 т.корм.ед/га.

Общая динамика продуктивности зернотравяного севооборота по пятилетним ротациям была неустойчивой. Если за первые две ротации суммарный уровень продуктивности почвозащитного севооборота превышал  3,5 т.корм.ед/га, то за последующие третью и четвертую ротации, произошло уменьшение этих показателей до уровня 3 т. Снижение продуктивности за четвертую ротацию севооборота по отношению к первой на склонах крутизной 8 и 40 составило в среднем около 19%. В то же время в последние годы отмечаются и позитивные изменения в направлении стабилизации и повышения продуктивной устойчивости агроландшафтов.

Наиболее значительное и разностороннее влияние на направленность современных продукционных процессов оказывает плотность сложения пахотного горизонта. Воздействие этого показателя на продуктивность культур на склоне крутизной 80 с начала 1990-х гг. возрастает согласно коэффициенту корреляции (r) в среднем по вариантам с -0,34 до -0,58. Тогда как на склоне крутизной 40, напротив, взаимосвязь между ними снижается: с -0,70 в 1980-е гг. до -0,26 в последующие 15 лет. По другим агрофизическим показателям корреляционной зависимости с урожайностью не выявлено. Следовательно, становится очевидным, что в период наблюдений существенные изменения в процессах обеспечения пищей и влагой растений происходят не столько от влияния применяемых технологий и плодородия почвы, сколько от длительно-однонаправленных изменений природных условий произрастания культур.

С учетом эродированности, укороченного профиля и  низкого естественного плодородия дерново-подзолистых почв, а также погодных условий, сложившихся в последние три ротации севооборота, необходимо отметить полученную нами высокую урожайность озимой пшеницы. Она достигла на склоне крутизной 8 и 40 в среднем по вариантам 3,81 и 3,72 т/га соответственно, при максимальных показателях 5,06 и 4,66 т/га (1995г.). Озимая пшеница относится к культурам, имеющим хорошо развитую и глубоко проникающую в почву корневую систему, поэтому рыхление подпахотного горизонта является важным условием для нормального роста и развития вегетативной массы. Применение щелевания с разрезанием и рыхлением почвенного профиля лапами агрегата на глубину 40…50 см наиболее полно из анализируемых вариантов отвечает этим требованиям. Обеспечивая оптимальную площадь и уровень питания для корневой системы, щелевание тем самым повышает продуктивную устойчивость агроэкосистемы озимой пшеницы с урожайностью зерна, достигшей на склоне крутизной 80 в среднем 3,96, а на склоне крутизной 40 - 3,87 т/га (табл. 16).

16. Влияние почвозащитных технологий на урожайность полевых культур, т/га

1981-2005 гг.

Вариант

обработки

Культуры севооборота

овес

ячмень +

мног.травы

мног.

тр. 1 г п.

мног.

тр. 2 г п.

озимая

пшеница

Склон  крутизной 80

Вспашка  (контроль)

2,77

2,95

6,69

3,87

3,77

Вспашка + щелевание

2,87

3,01

6,98

3,86

3,96

Поверхностная

2,94

2,80

6,95

4,10

3,71

Склон  крутизной 40

Вспашка  (контроль)

2,70

2,61

7,13

4,35

3,83

Вспашка + щелевание

2,72

2,73

7,38

4,61

3,87

Поверхностная

2,83

2,68

7,27

4,44

3,45

  НСР05 фактор

А

В

0,16

0,20

0,22

0,27

0,18

0,22

0,22

0,26

0,28

0,34

Таким образом, рациональное управление продукционным процессом с улучшением его качественной основы на эрозионноопасных агроландшафтах невозможно без учета специфических особенностей их функционирования: почвенно-климатических и погодных условий, биологии растений и требований сельскохозяйственных культур к основным факторам произрастания.

7.2. Закономерности изменения урожайности культур под

влиянием климатических условий и микроклиматических различий

на склоновых землях

Из основных причин не­полного использования биоклиматического потенциала (ресурсов света, тепла и влаги) территорий,  освоенных сельским хозяйством, процессы эрозии занимают особое место. Установлено, что в период 1991-2004 гг. колебания и глобальные изменения климата были основными факторами, снижающими продуктивность культур зернотравяного севооборота. Основными причинами, по нашему мнению, являются ухудшение условий перезимовки растений, агрохимического и агрофизического состояния почв в результате теплых зим, а также ухудшение режима увлажнения вследствие усиления засушливости периодов вегетации и его подпериодов (табл. 17).

17.  Действие природных и антропогенных факторов на продуктивность культур  зернотравяного севооборота, т.корм.ед/га

Вариант обработки

Период, гг.

1981-1990

1991-2004

1981-2004

Склон  крутизной 80

Вспашка (контроль)

3,54

2,95

3,20

Вспашка + щелевание

3,65

3,05

3,30

Поверхностная

3,55

2,94

3,19

Склон  крутизной 40

Вспашка (контроль)

3,57

2,92

3,19

Вспашка + щелевание

3,70

2,96

3,26

Поверхностная

3,68

2,75

3,14

  НСР05 фактор

А

В

0,55

0,68

0,08

0,15

0,19

0,23

Одним из наиболее убедительных аргументов в пользу сделанного выше вывода может служить трендовый анализ урожайности многолетних трав - культуры, которая, как мы уже не раз подчеркивали в своей работе, по праву считается средостабилизирующей, от которой главным образом зависит экологическая и продуктивная устойчивость склоновых агроландшафтов. Негативная направленность изменений урожайности бобово-злаковой смеси, к сожалению, не вызывает сомнений, причем как на склоне крутизной 80 (R2 = 0,32), так и на склоне крутизной 40 (R2 = 0,39). По графику не трудно определить, что особенно серьезные изменения произошли с 1989 г., где колебания урожайности трав 1-го и 2-го года пользования носят существенный характер. Если в 1980-е гг. вклад погодных условий (термического и влажностного режимов) в урожайности многолетних трав не превышал 30%, то с начала 1990-х гг. этот показатель в среднем вырос более чем в 2 раза - до 65% (рис 5).

Урожайность многолетних трав 1-го года пользования в целом соответствовала уровню предшествующего периода, тогда как при возделывании их второй год отмечено массовое выпадение из травостоя бобового компонента. Количество клевера красного в стеблестое снизилось более чем в 3 раза и не превышало 11%. Изреживание клевера с начала 1990-х гг. было обусловлено в основном вымерзанием и выпреванием, процессами, наиболее характерными для этого периода. Крайне негативным результатом влияния внешних условий на агроценозы стала гибель многолетних трав в 2003 году. В этой связи весьма настораживающим выглядит то обстоятельство, что в последние годы влияние экстремальных опасных природных явлений все чаще сводится к интенсивному дефициту основных факторов жизни растений, которые все сложнее называть локальными.

Рис. 5. Тренд урожайности сена многолетних трав в зависимости

от  элементов агроландшафта. 1981-2004 гг.

Реакция многолетних трав, как и других культур изучаемого зернотравяного севооборота, на степень эродированности почв была слабой. Более того, продуктивность культур на склоне крутизной 80, особенно в последние годы, часто даже превышала (в среднем на 5%) аналогичные показатели на менее эродированном склоне 40, что на первый взгляд явно противоречит устоявшимся на сегодняшний день представлениям в аграрной науке о процессах формирования урожая на смытых почвах.

Одним из главных факторов, влияющих на формирование микроклиматических особенностей ландшафтных структур, служит рельеф. Неравномерное распределение солнечной радиации по его элементам, а также режима увлажнения и является в нашем случае основной причиной слабой реакции культур на степень эродированности почв и несущественных различий по склонам показателей урожайности. Поэтому рассмотрение в целом процессов роста и развития растений на склоновых землях подверженных эрозии, и решение этой чрезвычайно сложной задачи требует изучения всех факторов продуктивности, а не только почвенных. Учет форм мезо- и микрорельефа при разработке систем земледелия на ландшафтной основе является одной из важнейших ее  составных частей, необходимой для рационального, научно обоснованного размещения на полях выращиваемых культур.

8. Ресурсно-экологическая оценка эффективности почвозащитного земледелия на биоэнергетической основе

В данной работе нами использован специфический ресурсно-экологический метод оценки эффективности почвозащитного земледелия. Он разработан во Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии (Володин и др., 1999) и основан на учете системы показателей: энергопотенциала почвы и его изменений, количества ФАР, антропогенных затрат и др.

Одним из основных критериев ресурсно-экологической оценки служит энергетическая эффективность производства сельскохозяйственной продукции. На склоне крутизной 80, в условиях активного развития процессов эрозии, несмотря на самый низкий уровень аккумулированной энергии фитомассой пшеницы (135,6 ГДж/га), дискование почвы на глубину 6…8 см имеет наибольшую энергетическую эффективность производства - 7,93 ед. Оптимизация природных и антропогенных потоков энергии, накопление и рациональное их использование при минимализации обработки эродированной почвы является одним из наиболее перспективных направлений, отвечающих требованиям энерго- и ресурсосбережения.

Различные приемы противоэрозионной обработки имеют большую эффективность применения на склонах повышенной крутизны. Производительность агроэкосистемы (АЭС) озимой пшеницы на единицу совокупного энергетического ресурса (КВП)  на склоне крутизной 40 составила 88…102 КДж-день/ГДж. Те же противоэрозионные приемы на склоне крутизной 80 обеспечили более высокую биопроизводительность АЭС, которая достигла 98…104 КДж-день/ГДж, или  в среднем на 5% выше, чем на склоне крутизной 40 (табл. 18).

18. Биоэнергетическая оценка возделывания озимой пшеницы

Вариант

обработки

Затраты энергии,

ГДж/га

Квп,

КДж-день/ГДж

γвп

iфар

ЕАсов

ЕАне

Склон  крутизной 80

Вспашка  (контроль)

23,71

18,0

98

14,4

0,019

Вспашка + щелевание

24,72

19,2

104

15,4

0,021

Поверхностная

22,79

17,1

101

14,7

0,020

Склон  крутизной 40

Вспашка (контроль)

23,66

18,0

101

13,6

0,021

Вспашка + щелевание

24,50

19,0

102

13,6

0,021

Поверхностная

22,54

16,8

88

11,8

0,018

__________________________________________

Примечание: ЕАсов совокупные затраты энергии на возделывание с/х культур, ГДж/га;

ЕАне затраты невозобновляемой энергии на возделывание с/х культур, ГДж/га;

КВП   производительность АЭС на единицу совокупного энергетического

  ресурса,  КДж-день/ГДж;

γвп   показатель направленности воспроизводства плодородия почвы;

iфар   показатель использования энергии ФАР АЭС.

Исследованиями установлено, что в отличие от энергетической эффективности производительность АЭС озимой пшеницы имеет тенденцию повышаться при применении специальных противоэрозионных приемов. Среди изучаемых вариантов, несмотря на самые высокие затраты энергии, лучшие показатели производительности на единицу ресурсов имеет вариант вспашки со  щелеванием. На склонах крутизной 8 и 40 этот показатель, определяемый отношением аккумулированной суммарной энергии АЭС озимой пшеницы за  вегетацию к затраченным ресурсам,  является максимальным и составляет 104 и 102 КДж-день/ГДж соответственно, с величиной использования энергии ФАР АЭС (iфар) - 0,021 на обоих склонах.

Этот же вариант имеет и самый высокий показатель направленности воспроизводства плодородия эродированной почвы, который определяется отношением поступления энергии органического вещества в почву к расходу энергии через минерализацию. Если рассчитанный показатель  γвп > 1 - плодородие почвы считается расширенным. Например, показатель направленности этого процесса в условиях природной экосистемы луговой степи равен 22,3. В нашем случае на склоне крутизной 80 он составил 15,4, а на склоне крутизной 40 -13,6. Следовательно, применение вспашки со щелеванием обеспечивает расширенное воспроизводство плодородия почвы. Такую же позитивную направленность показывают и другие смоделированные нами противоэрозионные приемы основной обработки. При этом наиболее интенсивно эти процессы протекают на склоне крутизной 80. Это имеет весьма важное природоохранное значение, поскольку такие склоны экологически более уязвимы по отношению к неблагоприятному воздействию естественных и антропогенных факторов, чем склоны малой крутизны.

Высокие показатели направленности воспроизводства плодородия эродированных почв при возделывании озимой пшеницы обусловлены применением мульчирования. Энергосодержание пожнивных остатков и соломы составляет 17,15 Мдж/кг. Запашка половы и соломы из расчета в среднем около 7…7,5 т/га обеспечивает мощный резерв улучшения энергопотенциала почвы. Это напрямую отражается на полученных результатах биоэнергетической эффективности возделывания культуры. Применение мульчирования способствует более рациональному и производительному использованию как природного, так и антропогенного ресурсов, обеспечивая тем самым эффективное и, что очень важно, намного  более интенсивное восстановление плодородия почвы на склоновых землях подверженных процессам эрозии.

Проведенная ресурсно-экологическая оценка на примере возделывания озимой пшеницы свидетельствует о высокой эффективности применяемого комплекса агротехнических мероприятий. Спроектированные и освоенные в новых экологических условиях землепользования технологические схемы на основе отвальной, плоскорезной, поверхностной, щелевания, чизелевания и их комбинаций, с разной интенсивностью и глубиной обработки почв в зернотравяном севообороте в сочетании с мульчированием способствуют оптимизации энергетических потоков и расширенному воспроизводству плодородия эродированных почв склоновых земель.

Основные выводы и результаты

  1. Современные колебания и глобальные изменения климата формируют  новый природно-ресурсный потенциал территории Центрального Нечерноземья. Потепление зимних и усиление размытости переходных сезонов, увеличение продолжитель­ности теплых и засушливости вегетационных периодов, нарастание теплообеспеченности территории и перераспределение атмосферных осадков в пользу холодных периодов года, а также общее значительное повышение экстремальности климатических и погодных условий оказывают важнейшее влияние на условия сельскохозяйственного использования склоновых земель южных экспозиций этого региона. На данном этапе развития они нарушают устойчивость  агроэкосистем и их равновесие, вносят заметную дестабилизацию в процессы почвообразования, механизм управления продукционным потенциалом и общее функционирование эрозионноопасных агроландшафтов.
  2. Устойчивое повышение приземных температур воздуха холодного  периода года приводит к существенному изменению условий формирования, темпов и направленности процессов эрозии почв: глубины и степени промерзания, запасов воды в снежном покрове и продолжительности стока, сроков и особенностей снеготаяния. Сокращение в последние годы величины поверхностного стока талых вод на 24% не способствует улучшению экологической  ситуации на склоновых землях, особенно малой  крутизны,  где  эрозионные  потери почвы выросли в 2,7 раза.
  3. Потепление холодных сезонов и зимние температурные аномалии снижают интенсивность весеннего внутрипочвенного горизонтального стока в 1,6…2,2 раза. При этом нарушаются логические связи в теории эрозионных процессов между поверхностным и внутрипочвенным стоком. На его долю приходится от 0,26 до 2,01 мм, или менее 10% от суммарного объема стекающей со склонов влаги, с основным формированием (96%) на глубине 50 см. Возрастание уклона в 2 раза (с 4 до 80) увеличивает внутрипочвенный горизонтальный сток в 4…5 раз.
  4. Потери подвижных форм основных элементов питания растений и других агрохимикатов с поверхностным стоком, как наиболее опасных в природоохранном отношении,  в общем балансе составляют 34%, с максимальным смывом на склоне крутизной 80 при применении дискования - 481,4 кг/га, в т.ч. NO3 - 55,6; P2O5 - 6,2; K2O - 30,0 кг/га (N60P60K60). В условиях  промывного режима почв при отсутствии или слабом их промерзании в зимний сезон процессы миграции сильно растянуты во времени и трудно прогнозируемы. В результате смыв элементов  питания при снеготаянии весной уменьшился более чем в 5 раз. Вымывание  химических веществ в холодный период года ухудшает питательный режим  эродированных почв, заметно снижая содержание калия, кальция и особенно  минерального азота в пахотном слое.
  5. В новых природных условиях сельскохозяйственного землепользования на склоновых землях севооборот играет ведущую роль в обеспечении экологического равновесия. Это находит выражение в сдерживании эрозионных потерь почвы в пределах их допустимых колебаний. В среднем за последние 15 лет  исследований с применением почвозащитного зернотравяного севооборота на склонах крутизной 8 и 40 смыв мелкозема составил 0,35 и 0,13 т/га соответственно, где главным средостабилизирующим фактором служит возделывание многолетних трав. Они позволяют надежно контролировать поведение эродированной почвы  и  эффективно управлять происходящими в ней процессами.
  6. Щелевание является важным почвозащитным приемом, направленным на стабилизацию и оздоровление экологических режимов склоновых земель  Нечерноземья. Регулирование и оптимизация водно-физических свойств почв при щелевании сокращает сток в 1,8, а смыв почвы в 2,5 раза по сравнению с отвальной вспашкой. Однако нарастание повторяемости, продолжительности и интенсивности климатических экстремумов холодных сезонов нивелируют эти различия и снижают противоэрозионную эффективность щелевания, а также  большинства других агротехнических приемов.
  7. Дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы склонов южных экспозиций обладают высокой отзывчивостью и экологической уязвимостью по отношению к современным неблагоприятным природным воздействиям. Происходит переорганизация пахотного горизонта с ухудшением его агрофизической основы: повышением на 3…5% плотности сложения и на 20…22%  твердости, снижением на 10…19% количества агрономически ценной макроструктуры и ослаблением на 9…13% водопрочности почвенных агрегатов.
  8. Изменения водного режима эродированных дерново-подзолистых почв в  холодный период года ухудшают эколого-геохимическую обстановку. Систематическое, длительное и избыточное увлажнение нарушает процессы обмена, ослабляет коагуляционные силы склеивающие почвенные частицы в агрегаты. В результате сопротивляемость верхнего слоя пашни эродирующему воздействию поверхностного стока в период весеннего снеготаяния снижается более  чем в 2,5 раза.
  9. Средние многолетние потери влаги,  оцениваемые величиной суммарного стока талых вод, на склоне крутизной 80 составляют около 34% от запаса ее в снеге, или почти в 3 раза больше, чем на склоне малой крутизны. Смена экологической обстановки в результате потепления климата ухудшает водный режим эродированных почв. Количество воды, поступающей в почву весной,  уменьшилось в среднем на 8,1 мм, а на склоне крутизной 40 - на 19,5 мм. ГТК Селянинова июля-августа за последние 15 лет достиг уровня 1,21 (при норме 1,46), а в целом за вегетацию 1,30 (1,44), что в итоге формирует недостаточное увлажнение территории.
  10. Мульчирование почвы склоновых земель измельченной соломой зерновых культур способствует снижению возможности про­явления эрозии, сохранению и восстановлению плодородия смытых почв, оптимизации их  основных свойств и режимов, улучшению фитосанитарного состояния, рациональному использованию производственных ресурсов, что имеет важное  агроэкологическое значение в адаптации эрозионноопасных ландшафтов к  новым условиям землепользования. Накопление в почве гумуса, ведущего фактора в обеспечении экологической и производительной устойчивости  склоновых агроэкосистем, возросло в среднем на 12%.
  1. Ограничения антропогенной нагрузки в рамках современных агротехнологий повышают экологическую устойчивость ландшафтов подверженных процессам эрозии. Минимализация и ресурсосбережение основной обработки эродированной почвы путем замены вспашки мелкой дисковой обработкой в сочетании с глубоким периодическим рыхлением способствуют оптимизации и сбалансированности процессов минерализации и гумификации органического вещества, приближают культурный почвообразовательный процесс к естественному. Усиление разнокачественности состава гумусовых кислот при поверхностной обработке почвы в сочетании с мульчированием обеспечивает важные защитные функции в процессах безопасного функционирования данных агроэкосистем.
  2. Дополнительное использование приемов оросительной мелиорации на склонах южных экспозиций по фону щелевания позволяет увеличить продуктивность сельскохозяйственных культур зернотравяного севооборота до 63%. Прерывистое дождевание с поливной нормой 20+20 мм является одним из наиболее экологически безопасных и рациональных способов орошения склоновых земель, так как способствует снижению вероятности формирования стока и ирригационной эрозии, а также  экономному расходованию оросительной воды.
  3. Продукционный потенциал агроландшафтов расположенных на склоновых землях южных экспозиций в большей степени обусловлен сочетанием и проявлением природных факторов, чем антропогенным воздействием и состоянием плодородия почв. Нарушение экологической устойчивости в результате современных колебаний и изменений климата приводит к снижению продуктивности культур на 15…18%. В то же время потепление холодных периодов года существенного отрицательного влияния на урожайность ведущей зерновой культуры - озимой пшеницы - не оказывает. Средняя величина урожайности зерна на склоне крутизной 8 и 40 составила 3,81 и 3,72 т/га соответственно, при максимальном уровне 5,06 и 4,66 т/га.
  4. Разработанные и освоенные в новых экологических условиях землепользования технологические схемы противоэрозионной обработки отвечают принципам энерго- и ресурсосбережения. Они способствуют оптимизации энергетических потоков и обуславливают расширенное воспроизводство  плодородия эродированных почв. Показатель направленности этого процесса при применении вспашки со щелеванием и поверхностной обработки в сочетании с мульчированием при возделывании озимой пшеницы на склоне крутизной 80 составил соответственно 15,4 и 14,7, а на склоне крутизной 40 13,6 и 11,8. Сопоставление этих показателей отражает уровень эталонных систем земледелия, что обеспечивает в современных условиях ведения сельского  хозяйства необходимую экологическую защиту и производительную устойчивость эрозионноопасных агроландшафтов.

Рекомендации производству

В рамках структурной и технологической адаптации почвозащитных систем земледелия к новым природным условиям, повышения плодородия почв, экологической и производительной устойчивости агроландшафтов на склоновых землях южных экспозиций Центрального Нечерноземья рекомендуется:

1.  Более рационально использовать сложившийся современный биоклиматический потенциал территории района (ресурсы света, тепла и влаги) при возделывании сельскохозяйственных культур.

2.  Изменение структуры посевных площадей в сторону расшире­ния посевов многолетних трав, максимально адаптированных к почвенно-климатическим и погодным условиям конкретного ландшафта.

3. Минимализация антропогенной нагрузки на агроландшафт путем замены вспашки мелкой дисковой обработкой с периодическим (не реже одного раза в 5 лет) глубоким  рыхлением почвенных горизонтов чизельным плугом.

4.  Использовать расчетно-балансовый метод при планировании системы удобрений, с основным применением их незадолго до вегетации или во время вегетации культур.

5. Применять мульчирование поверхности почвы измельченной соломой и другими растительными остатками во время уборки зерновых культур.

6. Проводить щелевание многолетних трав в ранние сроки (до промерзания почвы) на глубину 40…50 см с установкой рабочих органов щелевателя  (ЩН-2-140) под углом атаки 72о и шириной долота 30 мм.

7. Применять высокий срез и полосное прикатывание стерни после уборки  ячменя с подсевом многолетних трав в качестве почвозащитного приема.

8. При нарастании засушливости климата территории использовать орошение дождеванием с оросительной нормой 2400…2500 м3/га и прерывистой  технологией полива.

Научные публикации по материалам диссертации:

  1. Макаров И.П., Кочетов И.С., Белолюбцев А.И. и др. Водная эрозия почв и меры борьбы в условиях Московской области. Рекомендации. Смоленск, 1989. 41 с.
  2. Кочетов И.С., Осипов В.Н., Белолюбцев А.И. Экономическая эффективность противоэрозионной обработки склоновых земель в условиях  Центрального Нечерноземья / Окультуривание почв: научные основы, опыт и направления. Агропромиздат, 1992. С. 24-29.
  3. Кочетов И.С., Осипов В.Н., Белолюбцев А.И., Савоськина О.А. Миграция химических элементов на склоновых землях Нечерноземной зоны // Химия в сельском хозяйстве. М., 1995, № 5. С. 21-22.
  4. Макаров И.П., Кочетов И.С., Белолюбцев А.И., Савоськина О.А. Экология и водная эрозия почв Центрального Нечерноземья России / Современные экологические проблемы провинции. Курск, 1995. С. 152-153.
  5. Кочетов И.С., Осипов В.Н., Белолюбцев А.И. и др. Защита почв от эрозии в агроландшафтном земледелии // Химия в сельском хозяйстве. М., 1996, № 5. С. 35-38.
  6. Кочетов И.С., Осипов В.Н., Белолюбцев А.И. и др. Влияние почвозащитных технологий на проявление водной эрозии склоновых земель и урожайность культур // Известия ТСХА, 1997, №1. С. 13-24.
  7. Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И., Кочетов И.С. Особенности формирования поверхностного стока талых вод в условиях неустойчивых зим // Известия ТСХА, 1997, №3. С. 48-57.
  8. Черников В.А., Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И. Влияние почвозащитных обработок почвы на миграцию химических элементов // Доклады ТСХА, 1998. Вып. 269. С. 44-49.
  9. Белолюбцев А.И., Осипов В.Н., Чебаненко С.И. Влияние климатических условий на проявление водной эрозии почв в Центральном Нечерноземье России // Доклады ТСХА, 1998. Вып. 269. С. 49-55.
  10. Кочетов И.С., Белолюбцев А.И. Роль мульчирующей обработки в проявлении процессов водной эрозии почв // Агрохимический вестник, 1998, №3.  С. 48-56.
  11. Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И. Стокорегулирующая эффективность противоэрозионных обработок при неблагоприятных климатических условиях осенне-зимних периодов в Центральном Нечерноземье / Сб. тр. науч. конфер.мол. ученых и специалистов. 1999. С. 28-32.
  12. Белолюбцев А.И. Совершенствование противоэрозионных технологий механической обработки почвы // Доклады Российской академии с.-х. наук, 1999, №5. С. 22-24.
  13. Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И., Кочетов И.С. Влияние почвозащитных разноглубинных систем обработки на плодородие почв склонов // Известия ТСХА, 1999, №4. С. 3-18.
  14. Белолюбцев А.И., Кочетов И.С., Осипов В.Н. Метеорологические условия и почвозащитная способность полевых культур // Доклады ТСХА, 2000. Вып. 271. С. 25-29.
  15. Мамонов В.А., Белолюбцев А.И. Погода и биологическая активность почв склонов // Доклады ТСХА, 2000. Вып. 272. С. 36-39.
  16. Кочетов И.С., Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И. Почвозащитная роль полевых культур // Земледелие, 2000, №3. С. 24-26.
  17. Кочетов И.С., Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И., Григоров А.А. Влияние почвозащитных приемов обработки на динамику, состав органического вещества почвы и формирование урожая сельскохозяйственных культур // Доклады Российской академии с.-х. наук, 2000, №3. С. 24-26.
  18. Белолюбцев А.И., Осипов В.Н., Чебаненко С.И. Метеорологические аспекты водной эрозии почв // Доклады ТСХА, 1998. Вып. 272. С. 91-94.
  19. Белолюбцев А.И., Савоськина О.А., Чебаненко С.И. Изменение микробоценоза почв склонов под влиянием почвозащитных технологий / Земледелие на рубеже XXI века. Сб. докл. Международной научной конференции. М.: изд-во МСХА, 2003. С. 296-301.
  20. Дубенок Н.Н., Белолюбцев А.И., Мацыганова Е.В. Экологические аспекты разработки технологии дождевания склоновых земель // Вопросы мелиорации, 2003, № 3-4. С. 175-177.
  21. Белолюбцев А.И. Агрометеорологическое обоснование практических приемов защиты почв склонов от водной эрозии // Доклады ТСХА, 2003. Вып. 275. С. 146-149.
  22. Савоськина О.А., Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И. Влияние почвозащитных обработок на динамику засоренности посевов ячменя с подсевом многолетних трав // Доклады ТСХА, 2003. Вып. 275. С. 172-175.
  23. Сенников В.А., Ларин Л.Г., Белолюбцев А.И. и др. Колебания и изменения климата Петровско-Разумовского за 125-летний период // Известия ТСХА, 2005, Вып.1. С. 141-146.
  24. Баздырев Г.И., Белолюбцев А.И., Осипов В.Н. и др. Эффективность севооборота и почвозащитных технологий на склоновых землях / Севооборот в современном земледелии. Сб. докл. Международной научной конференции. М.: изд-во МСХА, 2004. С. 87-92.
  25. Белолюбцев А.И., Осипов  В.Н., Савоськина О.А. и др. Действия противоэрозионных обработок на изменение показателей плодородия почвы //  Доклады ТСХА, 2004. Вып. 276. С. 89-94.
  26. Белолюбцев А.И., Манишкин С.Г. Обработка почвы при возделывании озимой пшеницы на склонах // Плодородие, 2005. Вып. 5. С. 39-42.
  27. Белолюбцев А.И., Манишкин С.Г. Действие почвозащитных приёмов обработки на эрозионные процессы дерново-подзолистой почвы //Доклады ТСХА, 2005. Вып. 277. С. 58-62.
  28. Савоськина О.А., Чебаненко С.И. Белолюбцев А.И. Влияние противоэрозионных обработок почвы на распространение корневых гнилей в посевах озимой пшеницы в Центральном районе Нечерноземной зоны // Доклады  ТСХА, 2005. Вып. 277. С. 62-65.
  29. Белолюбцев А.И., Осипов В.Н., Манишкин С.Г. Роль почвозащитных обработок в предупреждении и минимизации эрозионных процессов при снеготаянии // Доклады  ТСХА, 2006. Вып. 278. С. 170-173.
  30. Белолюбцев А.И. Современные колебания и глобальные изменения климата Центральных областей Нечерноземной зоны // Тепличные технологии, 2006. Вып. 3. С. 56-60.
  31. Сенников В.А., Белолюбцев А.И. Развитие почвенно-деградационных процессов на склоновых землях в результате климатических изменений / Сб. докладов Международной научно-практической конференции. Обнинск,  ВНИИСХМ. 2007.
  32. Белолюбцев А.И. Климат  как фактор изменений экологической и производительной устойчивости агроландшафтов на склоновых землях // Доклады  ТСХА, 2007. Вып. 279.



© 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.