ІНСТИТУТ ГРУНТОЗНАВСТВА ТА АГРОХІМІЇ ІМ. О.Н.СОКОЛОВСЬКОГО

УКРАЇНСЬКОЇ АКАДЕМІЇ АГРАРНИХ НАУК

ЗУБОВ ОЛЕКСІЙ РЕМОВИЧ

УДК 631.459: 634.0.232

ТЕОРЕТИЧНІ ТА ПРИКЛАДНІ ОСНОВИ ФОРМУВАННЯ СИСТЕМ

ГРУНТООХОРОННИХ ЗАХОДІВ ПОСТІЙНОЇ ДІЇ В АГРОЛАНДШАФТАХ

(НА ПРИКЛАДІ СХІДНОЇ ЧАСТИНИ УКРАЇНИ)

06.01.03 – агрогрунтознавство і агрофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора сільськогосподарських наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Луганському інституті агропромислового виробництва

Української академії аграрних наук (УААН)

Науковий консультант: доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН ТАРАРІКО Олександр Григорович, завідувач відділення агроекології Інституту агроекології та біотехнології УААН;

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук, професор БАЛАЄВ Анатолій Джалілович, завідувач кафедри грунтознавства Національного аграрного університету;

доктор сільськогосподарських наук, професор ВОЛОЩУК Мирослав Дмитрович, головний науковий співробітник Інституту землеробства і тваринництва західного регіону УААН ;

доктор сільськогосподарських наук, професор ЧОРНИЙ Сергій Григорович, завідувач кафедри екології та географії Херсонського державного педагогічного університету;

Провідна установа: Рівненський державний технічний університет, кафедра агрохімії , грунтознавства і землеробства, Міністерство освіти і науки України, м. Рівне

Захист відбудеться ” 22 ” січня 2002 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01 у Інституті грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського УААН за адресою: 61024, м.Харків–24, вул. Чайковського, 4

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського за адресою: 61024, м. Харків–24, вул. Чайковського, 4.

Автореферат розісланий 21 грудня 2001року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Павленко О.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виробництво достатньої кількості продуктів харчування для забезпечення потреб населення є однією з найважливіших задач, що стоять сьогодні перед аграрним сектором України. Однак її вирішення ускладнюється втратою родючих земель, викликаною ерозією грунту. Щорічні втрати грунту в Україні становлять близько 600 млн т (В.Ф.Сайко, 1995). Нестача балансу енергії та поживних речовин внаслідок активного розвитку ерозійного процесу призводить до зменшення врожаїв від 15-20% на слабоеродованих до 50-60% на сильноеродованих грунтах. За даними Інституту агроекології та біотехнології УААН (1998) втрати продукції рослинництва від ерозії перевищують 9-12 млн тонн зернових одиниць, а загальні збитки сягають 10 млрд. доларів США .

Проблемі методології створення грунтоохоронних агроландшафтів в Україні присвячені наукові праці В.І.Буракова (1985, 1997), С.Ю.Булигіна (1992), О.Г.Тараріко (1993), Ф.М.Лисецького (1994), М.М.Шелякіна (1995), С.Г.Чорного (1996), Г.А.Можейко (1997) та ін. Найбільш науково обгрунтованою основою для формування екологічно сталих агроландшафтів визнано впровадження грунтозахисної системи землеробства з контурно-меліоративною організацією території, одним з основних принципів якої є регулювання поверхневого стоку грунтоохоронними заходами постійної дії (ЗПД) у вигляді протиерозійних гідротехнічних споруд і стокорегулюючих лісових смуг. Розміщення ЗПД в агроландшафті - найбільш важлива та відповідальна частина робіт із створення каркасу його грунтозахисно-меліоративної просторової структури. Надзвичайного значення запровадження ЗПД набуває у зв'язку з реформуванням земельних відносин в Україні. Тільки на основі грунтоводоохоронної організації сільськогосподарських ландшафтів, надійно закріпленої заходами землевлаштування постійної дії, буде забезпечено попередження деградації грунтового покриву, покращання екологічної ситуації в басейнах малих річок та сталий розвиток виробничих систем різних форм власності. Однак ЗПД вимагають значних матеріально-технічних витрат і не завжди надійно запобігають ерозії. Причиною недостатньої їх ефективності є недосконалість проектно-методичної бази, яка не дозволяє повною мірою врахувати грунтово-гідрологічні особливості кожного водозбору, особливо в умовах складного рельєфу, яким відрізняється східна частина північної підзони Степу України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами , темами.

Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконані в Луганському інституті агропромислового виробництва УААН (колишні Інститут охорони грунтів і Луганська державна обласна сільськогосподарська дослідна станція) за тематичними планами НДР у відповідності з завданням "Розробити наукові основи і технологічні прийоми підвищення ефективності гідротехнічних споруд в системі контурно-меліоративного землеробства (1986-1990 рр., № держреєстрації 0182U003434); НТП "Агроландшафти" і "Продовольство-95" (1991-1995 рр., № держреєстрації 0192U033247); НТП "Наукові основи агроекосистем" і "Родючість грунтів" (1996-2000 рр., №№ держреєстрації 0196U012979 і 0196U012534).

Мета і задачі досліджень. Головна мета - розвиток наукових основ і методично-інструктивної бази формування екологічно стійких та високопродуктивних агроландшафтів на засадах управління гідрологічними та ерозійно-акумулятивними процесами за допомогою адаптованих систем протиерозійних гідротехнічних споруд і стокорегулюючих лісових смуг, удосконалення параметрів цих систем, розробка енергозберігаючих технологій їх впровадження.

Для досягнення цієї мети було необхідним вирішення таких задач:

- системне визначення всіх особливостей і кількісних показників ерозійно-гідрологічного процесу на водозборах різної площі та їх формалізація;

- визначення особливостей і закономірностей будови грунтового профілю на схилових землях з складним рельєфом;

- визначення кількісних показників грунтозахисної, меліоративної та агроекономічної ефективності різних типів стокорегулюючих гідротехнічних споруд і лісових смуг та систем цих заходів в умовах складного рельєфу;

- розробка критеріїв та кількісних показників оцінки геоморфологічних особливостей водозборів та їх придатності до впровадження систем ЗПД;

- розробка критеріїв оптимального зарегулювання поверхневого стоку;

- системне обгрунтування складу систем ЗПД з заданими функціональними особливостями, конструкції елементів цих систем, їх розміщення на водозборі;

- розробка енергозберігаючих технологій формування систем ЗПД;

Об'єкт дослідження - закономірності ерозійно-акумулятивного процесу в агроландшафтах з складним рельєфом, його вплив на будову грунтового профілю схилових земель, наукові основи формування екологічно стійких агроландшафтів в умовах активного прояву водної ерозії.

Предмет дослідження – теоретичні і практичні основи регулювання ерозійно-акумулятивного процесу в агроландшафтах за допомогою грунтоохоронних заходів постійної дії.

Методи дослідження

Були використані методи натурного грунтового та геоморфологічного обстеження території землекористувань і вивчення геоморфологічних показників та еродованості грунтів за картографічними матеріалами. Використовувалися лабораторно-аналітичний і математико-статистичний методи досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у подальшому розвитку теоретичних основ і методології запобігання деградації грунтового покриву внаслідок ерозії за допомогою заходів постійної дії, що базується на поглибленні знання закономірностей ерозійно-акумулятивного процесу, будови грунтового профілю, ролі та особливостей функціонування різних систем цих заходів в агроландшафтах з складним рельєфом. Найбільш суттєві результати досліджень такі:

-визначено математичну залежність втрат грунту на схилах з улоговинами від їх поперечного профілю, показники відносної ерозійної стійкості різних агрофонів в умовах концентрованого стоку, математичну модель глибини грунтового профілю на дні улоговин в залежності від параметрів їх поперечного перерізу;

-встановлено математичну залежність параметрів мережі улоговин, їх поперечного профілю, еродованості грунтів від крутизни і довжини схилу, його поперечної форми, експозиції, грунтоутворюючої породи і гранулометричного складу грунту;

-обгрунтовано принципи найбільш раціонального регулювання поверхневого стоку та стримування втрат грунту заходами постійної дії, визначено умови активізації акумуляційного процесу, які були втілені в ресурсозберігаючу технологію створення протиерозійних валів;

-запропоновано поперечносхилове зонування схилових земель за належністю до різних частин водозборів улоговин та концепцію захисту схилових земель від ерозії заходами постійної дії , яка полягає у диференційованому підборі та поетапному впровадженні цих заходів з урахуванням зонування.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані дані, їх математична інтерпретація, алгоритми та розроблені за ними комп'ютерні програми дозволяють розширити знання про особливості ерозійно-гідрологічних процесів в східній частині України, удосконалити методично-інструктивну базу проектування систем ЗПД в напрямку більш повного використання їх меліоративного ефекту, підвищення гнучкості функціонування в залежності від геоморфологічних і грунтово-кліматичних факторів. Розроблені рівняння втрат грунту з дна улоговин в комплексі з моделями параметрів улоговинної мережі можуть служити для оцінки ерозійної небезпеки схилових земель при передпроектному їх обстеженні та розробці генеральних схем протиерозійних заходів.

Пристрій для автоматичної реєстрації поверхневого стоку з елементарних водозборів (авт.св. СРСР № 1765706) забезпечує зниження трудомісткості та підвищення інформативності ерозійно-гідрологічного моніторингу.

Розроблені засоби захисту грунтів, захищені авторськими свідоцтвами СРСР №№ 1665880 і 1771549, технологічні прийоми підвищення вологозабезпеченості та протиерозійної ефективності стокорегулюючих лісових смуг (авт.св. №№ 1743385, 1575956) дозволять підвищити ефективність та рентабельність ЗПД в системі грунтозахисного контурно-меліоративного землеробства. Вони впроваджувалися в дослідному господарстві (ДГ)“Ударник”, використані в проектах контурно-меліоративного землеробства для численних господарств Луганської та Донецької областей.

Ресурсозберігаюча технологія створення протиерозійних валів (патент України № 30243А) збільшить можливість їх впровадження і суттєво підвищить екологічну сталість агроландшафтів та довкілля. Вона впроваджена в ДГ "Ударник" на площі понад 500 га й увійшла до складу "Нормативів грунтозахисних контурно-меліоративних систем землеробства" (Київ, 1998), "Концепції еколого-ландшафт-

ної системи землеробства для Луганської області на період до 2015 року", яка розроблена Луганським обласним управлінням земельних ресурсів.

Особистий внесок здобувача складається з участі в створенні експериментальних агроландшафтів, із формулювання мети і задач досліджень, розробки програми і виборі методик, організації досліджень. Польові дослідження та первинний обробіток їх результатів виконані на 85% автором дисертації особисто, решта – під керівництвом та за участю дисертанта разом із співробітниками лабораторій протиерозійної організації території та захисту грунтів від ерозії, які в різні часи він очолював. Аналіз експериментального матеріалу, його узагальнення та формулювання висновків виконані самим автором. В сумісних статтях ним сформульовані основні ідеї, в авторських свідоцтвах - головні відзначні ознаки.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися щорічно протягом 1988-2001 рр. на засіданнях Вченої ради Інституту охорони грунтів, Степового філіалу Інституту лісового господарства та агролісомеліорації, Луганського інституту АПВ УААН, методичної комісії Інституту землеробства, на засіданнях науково-методичних центрів при Інституті агроекології та біотехнології, Інституті грунтознавства та агрохімії УААН.

Теоретичні та практичні підходи до вирішення проблеми охорони грунтів від ерозії доповідалися на конференціях і семінарах з проблем охорони грунтів і екології, землевпорядкування, агропромислового виробництва і меліорації у Волгограді (1990); Львові (1998), Луганську (1990, 1992), Москві (1990,1991); Ташкенті (1990); Чабанах (1990, 1998); Києві (1990); Херсоні (1990), Душанбе (1991); Кіровограді (1996); Дніпропетровську (1996); на V з'їзді УТГА (Рівне, 1998), на звітних конференціях Луганського ДАУ (1990,1998, 1999, 2000), на симпозіумі "Наука Луганщини у контексті розвитку регіону" (1999), у Харкові (1999), Курську (1999), Одесі (2001), Миколаєві (2001) .

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 56 наукових робіт , у тому числі 24 статті у фахових виданнях, 7 авторських свідоцтв СРСР та один патент України на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, дев'яти розділів, висновків, пропозицій виробництву, списку літератури з 381 джерел, додатків. Робота викладена на 362 сторінках, включає 65 таблиць і 70 рисунків.

Автор глибоко вдячний науковому консультанту академіку УААН, доктору с.-г.н., професору О.Г.Тараріко за допомогу у вирішенні численних питань і проблем, що виникали при написанні дисертації, її ретельний аналіз і цінні поради.

Автор висловлює щиру вдячність своїм вчителям доктору с.-г.н., професору І.Г.Зикову і доктору с.-г.н. М.М.Шелякіну за моральну підтримку, методичну та практичну допомогу при проведенні досліджень. Значну роль у формуванні наукових уявлень автора про різні аспекти та методи вивчення ерозійно-акумулятивного процесу відіграло спілкування з доктором с.-г.н., професором Є.О.Гаршиньовим. Автор вдячний своїм колегам кандидатам с.-г.н. В.О.Білолипському та В.І.Тарасову, с.н.с. Ю.І.Колеснікову за багаторічне творче співробітництво, а також всім, з ким він працював протягом 1979-2001 рр., особливо Л.М.Заїці, В.В.Михайлову, О.П.Самойленку, Г.Г.Коміновій, Н.С.Поворовій, М.Д.Овсійку, С.Г.Зуєвій, С.О.Тарасенку, Н.М.Тарасенко, М.М.Полуляху, Ж.І.Мільчевській за допомогу в роботі.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ НАУКОВИХ ОСНОВ

ФОРМУВАННЯ ЕКОЛОГІЧНО СТІЙКИХ АГРОЛАНДШАФТІВ

В розділі проаналізовані роль та місце заходів постійної дії в грунтозахисній системі землеробства й агроландшафті. Визначено коло невирішених питань при створенні дійсно ефективних систем цих заходів на схилових землях.

Різним аспектам сільськогосподарського ландшафтознавства присвячені роботи Ю.П.Бялловича (1938), Ф.М.Милькова (1973), Д.Л.Арманда (1975), які відмічали, що серед процесів, що руйнують грунтовий покрив і ландшафти, провідне місце займає ерозія. Тому вони повинні мати надійний протиерозійний захист. На основі досліджень в Алтайському краї та Молдавії академік РАСГН О.М.Каштанов і професор М.М.Заславський (1979, 1984) розробили основи системи грунтоводоохоронного землеробства на схилових землях. Академік УААН О.Г.Тараріко з співробітниками розробив методично-нормативну базу впровадження грунтозахисної контурно-меліоративної системи землеробства (КМЗ) в Україні. Значний внесок в розвиток ідеї КМЗ та його ландшафтно-екологічних аспектів зробили вчені багатьох наукових установ колишнього СРСР (Лопырев М.И., 1991; Зыков И.Г., 1982; Барабанов А.Т., Гаршинев Е.А., 1993; Здоровцов И.П., Мясоедов С.С., Володин В.М., 1991; Грызлов Е.В., 1975; Ткаченко В.Г., 1982; Шабаев А.И., 1991; Шикула Н.К., 1987; Шелякин Н.М., Белолипский В.А., Головченко И.Н., 1990; Стафийчук І.Д., 1991; Пабат І.А., 1992; Канаш О.П., Осіпчук, С.О., Леонець В.О.,1998; та інші провідні вчені). Багатьма науковцями та фахівцями визнається необхідність впровадження системи заходів постійної дії як структурно-просторової основи ерозійно-стійких агроландшафтів. Разом із тим недостатня надійність, енергоємність цих заходів вимагають проведення досліджень, спрямованих на розробку технологічних прийомів оптимізації функціонування ЗПД, пошук ресурсозберігаючих технологій їх впровадження, розробку нових технологій захисту грунтів від ерозії.

2. УМОВИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ І МЕТОДИКА

В основу роботи покладені результати вивчення ерозійно-гідрологічних процесів, які відбувалися протягом 1987-1999 років у господарствах Луганської області. Основна частина досліджень виконувалася в ДГ “Ударник” Лутугинського району, яке розташоване на сході Степу України. Цей регіон віднесено до підзони чорноземів звичайних. Землекористування господарства відрізняється значною розчленованістю яружно-балковою мережею (1,2-1,7 км/км2). Кліматичні ресурси характеризуються гідротермічним коефіцієнтом 0,8-0,9, середня кількість опадів за рік 390-460 мм. Еродованість с.г. угідь 76,2%, у тому числі ріллі - 73,2%. В грунтовому покриві переважають чорноземи звичайні пилувато-важкосуглинкові на лесовидному суглинку різного ступеня змитості .

Дослідження виконувалися на великих водозборах загальною площею понад 1500 га, що містили різні системи грунтоохоронних заходів постійної дії, створених у 1980-1991 рр. До них відносяться :

1. Дослідний водозбір № 1 з системою контурно-паралельних стокорегулюючих лісосмуг без гідротехнічного посилення, розташованих через 300-600 м на північних схилах балки “Плоска”. Його площа дорівнює 670 га, похил схилу варіює від 0,8 до 2,6°, довжина сягає 3,6 км.

2. Водозбір протиерозійного ставку в балці “Калмицький яр” з системою стокорегулюючих та полезахисних лісосмуг без гідротехнічного підсилення (рис.1). Він має площу 330 га, середньозважена довжина та похил схилів - 1535 м та 1,3°.

Рис.1. План водозбору протиерозійного ставку в балці "Калмицький яр".

3. Дослідний водозбір площею 229 га на східних схилах долини річки Вільховка довжиною до 1500 м, крутістю - до 5° (рис. 2).

Рис. 2 План науково-виробничого досліду № 3

В досліді вивчалися такі варіанти систем заходів постійної дії :

1.Протиерозійні вали-канави, розміщені через 52,4 м; 2.Стокорегулюючі лісові смуги різної рядності через 200 і 300 м з валом-канавою по нижньому узліссі та з валами-канавами, розміщеними через 52,4 м в міжсмуговому просторі; 3.Дворядні стокорегулюючі лісосмуги через 157 і 260 м з валом-канавою в міжрядді та валами-канавами в міжсмуговому просторі через 52,4 м;

4.Контрольний варіант без рубежів.

4. Дослідна ділянка площею 17 га, розташована на північному схилі водозбору балки “Калмицький Яр” під захистом лісової смуги, підсиленої валом з траншеєю глибиною 1,2 м. Довжина схилу в межах ділянки 300 м, крутість- 2- 3,5° (рис.3).

Рис.3. План дослідної ділянки з різними варіантами протиерозійних споруд.

1-вали-тераси; 2-вали-канави; 3-перемички ; 4-лісова смуга з валом і траншеєю;

5-водозливи-водоміри; 6-тальвеги улоговин і місця вимірювання площі промоїн

До 1992 року в досліді № 4 вивчалися такі варіанти гідроспоруд (рис.3а):

1а і 1б. Контрольні варіанти (без споруд); 2. Контурно-паралельні вали-канави (КПВК) з земляними перемичками, сформовані плантажним плугом в три ряди через 80 м; 3. Контурно-паралельні наорні вали-тераси (ВТ) з широкою основою,

через 80 м ; 4. Контурні вали-канави (КВК), розташовані суворо за горизонталями через 40-80м.

З 1992 року замість валів-канав вивчався альтернативний вид споруд - перемички висотою 40-50 см , сформовані плугом звичайного призначення, розташовані впоперек улоговин на їх дні через 80 м. (рис. 3б).

Дослідження грунтових властивостей проводилося за стандартними методиками (Ревут И.Б., 1972; Вадюнина А.Ф.,Корчагина З.А., 1986 та ін.).

Спостереження за ерозійно-гідрологічними процесами виконувалися за методиками Всеросійського НДІ землеробства і захисту грунтів від ерозії (1979) та Всеросійського НДІ агролісомеліорації (1982). Для вивчення стоку використовувалися трикутні водозливи-водоміри в замикаючих створах водозборів улоговин на варіантах дослідів. Динаміку стоку вивчали і шляхом спостереження за рівнем води у протиерозійному ставку в балці “Калмицький Яр”. Змив грунту визначали за кількістю намулу перед рубежами, за розмоїнами, використовуючи метод С.С.Соболєва. З метою інтенсифікації вивчення ерозійно-гідрологічного процесу використовували штучне дощування за допомогою переносної дощувальної установки з вільним падінням крапель і площею зрошення до 0,25 м2.

Облік урожаю виконувався шляхом повного викошування комбайном облікових ділянок, а також на метрових майданчиках.

Математичний обробіток даних виконувався методом дисперсійного аналізу за Б.А.Доспєховим та за методом Брандона з використанням комп'ютерної програми "Фактор" Ф.Д.Зеленського та В.П.Голубцова.

Розроблено й використано методику аналізу особливостей рельєфу за топографічними картами, втілену в комп'ютерні програми “Улоговина” та “Ствір”.

3. ГРУНТОЗАХИСНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ЗАХОДІВ ПОСТІЙНОЇ ДІЇ

За 15 років досліджень талий стік на водозборах спостерігався 12, а зливовий 6 разів. Помітні ерозійні процеси від обох видів стоку відбувалися 13 разів. Надзвичайними зливами відзначився 1992 рік - з 23 по 26 травня в південній частині Луганської області випало до 207 мм опадів. В результаті обстеження 13 господарств чотирьох районів з добовими опадами від 35 до 141 мм, що відповідає їх забезпеченості (Р) від 40 до 1%, встановлено, що най-уразливішим місцем на полях є тальвеги найдрібнішої гідрографічної мережі - улоговин. На сходах просапних культур розмоїни в них були практично в усіх господарствах. На озимині вони з'являлися при добових опадах вище 70 мм (Р<3,0%). Поза улоговинами, навіть на просапних, змив відбувався при найбільших опадах - >115 мм (Р<1%), втрати грунту при післясходовому боронуванні просапних уздовж схилу крутістю 3,5° і довжиною 300 м досягали 295 т/га. Просторові закономірності варіювання втрат грунту (V, м3/га) характеризує таке рівняння (кореляційне відношення ? = 0,98) :

V = 1,47iл1,18L0,75Kо

де iл - крутість схилу в місці обліку втрат грунту, град;

L - довжина схилу до нього від природного або штучного вододілу, м;

Kо - коефіцієнт впливу напрямку післяпосівного боронування, який при боронуванні вздовж схилу становить 1, а впоперек - 0,23. Поперечно-схиловий напрямок сівби озимої пшениці зменшив змив у 1,9 рази.

Максимальним стоком талої води відзначилися 1994, 1996 та 1998 роки. Шар стоку з водозбору № 2 дорівнював 33; 57 та 9 мм. В 1996 році він перевищував стік 10% забезпеченості , втрати грунту на полицевому зябу сягали 30,9 т/га. Візуально помітні розмоїни були виключно на дні улоговин та схилах найкрутіших із них, уздовж деяких доріг. У 1998 році на водозборі №2 після стоку були обстежені всі улоговини (див. рис.1). Визначали втрати грунту шляхом детального вимірювання через кожні 10-25 м довжини улоговин ширини та глибини розмоїн у 5-10 точках їх поперечного перерізу. Об'єм втрат грунту в улоговинах розподіляли на площу ділянок, з яких вони збирали стік. Акумуляцію наносів визначали шляхом детального вимірювання площі та висоти намулу.

Дослідження свідчать про важливе значення поперечносхилового напрямку сівби та вірного розміщення агрофонів по довжині навіть слабопологих (до 2°) схилів. Розміщені в нижній частині північно-східного схилу багаторічні трави (ділянка 6) були здатні не тільки протистояти змиву, але й акумулювали велику кількість намулу з вищерозташованих угідь. При надходженні транзитного стоку з трав (ділянка 10) на просапні (ділянка 11) втрати грунту збільшились з 0,05 до 3,5 т/га, або в 70 разів.

Сумарні втрати грунту на угіддях водозбору склали 156,5 м3, або 0,46 м3/га. Перед лісовими смугами та польовими дорогами відклалося 24,1 м3, або 16% від змитого грунту , на ділянці з багаторічними травами – 53,4 м3 (35,4%). Лісові смуги затримували від 100% змитого грунту за незначної концентрації стоку до 0%, якщо були промиті в більш виражених улоговинах. Остаточні втрати грунту дорівнюють 79 м3 (48,6%). Детальні вимірювання потужності шару мулу на дні балки на всій площі дзеркала та сипких наносів перед його початком показали, що їх об'єм дорівнював відповідно 101,5 м3 та 45,3 м3. Сума наносів більше, ніж вимірений змив з поля та доріг, на 67,8 м3 або на 43,3%, але порівняння змиву та акумуляції за окремими фракціями водотривких агрегатів (табл. 1) пояснює цей феномен. Воно свідчить, що 84,5 % різниці між акумуляцією та змивом представлені водотривкими агрегатами розміром менше 0,25 мм і тільки 15,5 % - розміром від 0,25 до 7 мм. Наявність "зайвих" наносів, представлених найбільш рухомими агрегатами розміром менше 0,25 мм свідчить, що винос грунту відбувався не тільки з розмоїн на дні улоговин, але й із їхніх водозборів.

Таблиця 1

Структурно-агрегатний аналіз чорнозему звичайного на балковому водозборі

та в намулі

Одиниця вимірювання Кількість водотривких агрегатів при їх розмірі, мм.

7-5 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 <0,25 7 – 0

Грунт , що містився в розмоїнах на водозборі

% 2,08 3,94 7,43 9,61 24,75 22,99 29,2 100

Намул перед лісосмугами, дорогами, на багаторічних травах

% 1,35 1,45 1,63 3,70 24,5 26,27 41,10 100

Намул в балці перед дзеркалом ставка

% 1,49 2,71 8,23 17,54 31,05 20,55 18,33 100

Намул в чаші ставка

% 1,07 4,71 6,20 7,73 8,27 10,1 61,9 100

Різниця між сумою об'ємів намулу та об'ємом розмоїн

м3 -0,45 0,96 -0,30 3,62 2,77 3,91 57,27 67,80

% -13,8 15,6 -2,6 24,1 7,16 10,86 125,3 43,3

Таким чином, відсутність візуально помітних розмоїн на схилах улоговин ще не означає відсутності ерозії. Але відсутність розмоїн на дні улоговин, безперечно, є діагностичним показником відсутності втрат грунту з їх водозборів.

Вміст гумусу в грунті на полі та в намулі на дні ставка помітно розрізняється і дорівнює відповідно 3,9% та 5,4% (табл. 2).

Намул і грунт у ставку в зоні періодичного затоплення й відкладання намулу відрізняються від грунту на полі та дні балки зовні зони затоплення й за гранулометричним і мікроагрегатним складами. Саме з вмістом фізичної глини та мулу найкраще корелює вміст гумусу в намулі та грунтах (кореляційні відношення дорівнюють 0,93 та 0,94). Рівняння зв'язку мають такий вигляд.

Y = 6,31 – 13660000X1-4 (рис. 4), або Y = 6,21 – 2994000X2-4;

де Х1 – вміст фізичної глини (< 0,01), Х2 – вміст мулу (< 0,001).

Таким чином, деградація грунтів при ерозії відбувається не тільки за рахунок зменшення маси родючого шару, але й у результаті втрачання його найбільш цінної частини.

Таблиця 2

Вміст гумусу в чорноземі звичайному та намулі на водозборі й у ставку

№ зразків грунту Місце відбору зразків С, % Гумус, %

51-52 Дно улоговин, що еродуються 2,25 3,89

54-56 Намул перед лінійними рубежами 2,05 3,53

42 Дно балки зовні зони затоплення 2,31 3,99

40 Дно балки в зоні затоплення 2,94 5,07

36-38 Намул перед дзеркалом ставку 3,07 5,29

22-25 Намул в чаші ставку 3,14 5,41

Рис.4. Зв'язок вмісту гумусу з вмістом фізичної глини в намулі

та чорноземі звичайному на водозборі та дні балки "Калмицький яр"

У результаті детального вимірювання параметрів поперечного перерізу розмоїн на дослідному водозборі № 1, виконаного через кожні 50 м (більше ніж у 400 пунктах) на дні 11 розгалужених улоговин довжиною до 3000 м, отримано дані по змиву грунту на ділянках водозборів улоговин, розташованих між сусідніми лісосмугами, по відкладанню грунту перед лісосмугами, його втратах зростаючим підсумком в 1994, 1996 і 1998 рр. Середні втрати грунту з озимини дорівнювали 9,7 , 2,7 і 2,2 т/га, максимальні (в нижній частині схилу) – 14,7 , 4,4 і 3,8 т/га. Відмінності втрат на інших агрофонах можна виразити такими коефіцієнтами : полицевий зяб – 1,94 ; безполицевий зяб – 1,11 ; необроблена стерня просапних – 1,17 ; стерня однорічних трав – 1,12 ; багаторічні трави другого року – 0,76 ; багаторічні трави четвертого року – 0,25; (озимина – 1).

Лісові смуги, здебільшого, були не в змозі затримати стік й істотно впливати на змив, бо були розмиті в улоговинах ще в попередні роки, але сприяли відкладанню до 33% змитого грунту. Це свідчить про необхідність підсилення лісосмуг гідротехнічними спорудами та використання на схилах з улоговинами додаткових грунтозахисних заходів в міжсмуговому просторі.

Моделювання типової зливи 10% забезпеченості дозволило порівняти стокоформуючу здатність різних агрофонів та їхню стійкість до міжструмкової ерозії (табл. 3). Шар опадів становив 50 мм, тривалість 30 хвилин.

Таблиця 3

Стік та змив грунту на різних агрофонах та елементах агроландшафту.Елемент агроландшафту або агрофон Шар стоку, мм Коефіцієнт стоку Змив грунту, т/га Коефіцієнт ерозійної небезпеки

Польові дороги 22,5 0,45 4,70 3,05

Природні кормові угіддя 13,8 0,28 0,06 0,04

Багаторічні трави 12,6 0,25 0,09 0,06

Стерня ярих зернових 10,0 0,20 0,33 0,21

Просапні 8,5 0,17 1,54 1

Дискування стерні 6,8 0,14 0,99 0,64

Полицева оранка 5,0 0,10 0,59 0,38

Полицева оранка не була найбільш небезпечним агрофоном, як вважають, хоч, безперечно, її ерозійна стійкість найнижча. Це пояснюється тим, що на ній формується найнижчий стік. Отже, небезпеку несе не сам нестійкий агрофон, а невдале розміщення угідь з різною стокоформуючою здатністю та протиерозійною стійкістю.

Більш складні системи грунтозахисту з використанням валів-канав та стокорегулюючих лісосмуг з гідротехнічним підсиленням вивчалися в досліді №3. У варіанті №1 із контурно-паралельними валами-канавами змив відбувався виключно вздовж тальвегів найбільш глибоких улоговин. Відсутність рубежів на варіанті 4 спричиняє обробіток грунту вздовж схилу. Тому, крім руслової, в улоговинах, тут мала місце схилова дрібнострумінна ерозія поза улоговинами вздовж рядків рослин. У 1996 році на озимині у варіанті 4 середні втрати грунту від схилової ерозії дорівнювали 24,6 м3/га, а в нижній частині схилу вони досягали 44,3 м3/га, у той час, як у варіанті 1 змив на озимині не перевищував 0,8 м3/га, а весь змитий грунт відкладався в ставочках валів-канав.

Зв'язок втрат грунту від схилової дрібнострумінної ерозії (V, м3/га) з довжиною схилу від природного або штучного вододілу (L, м) та крутістю схилу (Iл, град) виражений таким рівнянням (? = 0,85) :

V = 59,5Iл0,98 L0,38

В 1998 році на стерні сорго в варіанті 1 середній змив також не перевищував 1 м3/га, але у варіанті 4 він дорівнював 4,6 м3/га. Навіть у порівняно маловодному 1999 році в цьому варіанті на стерні ячменю, на відміну від варіанту 1, виникла схилова ерозія , яка дорівнювала 0,6 м3/га.

Ефективність найбільш фундаментальної грунтоохоронної системи у досліді № 4 з різними видами земляних споруд та засобами їх розміщення в середньому за 1987-1989 і 1994-1999 роки наведена в таблиці 4. Причинами ерозії в першій період були зливові опади від 28 до 62 мм (Р = 100-7%) на фоні високого ступеня зволоженості грунту та розпушення післязбиральним обробітком культур або сівбою озимої пшениці. Гідроспоруди, які цілком затримували стік та ізолювали нижчерозташовану частину схилу від надходження стоку (вали-тераси та контурні вали-канави), зменшили змив грунту в 3,4-7,2 рази (на 71-86%). Завдяки повному затриманню змитого грунту вони припинили його відчуження за межі поля. Контурно-паралельні вали-канави зменшували змив і затримували грунт у меншій мірі. Аналогічну ефективність у поєднанні з достатньою стійкістю до розмиву виявили перемички.

Таблиця 4

Грунтозахисна ефективність протиерозійних споруд в досліді № 4 (т/га).

Показники Період дослід-жень Варіанти споруд

Без споруд Пере-мички Вали-тераси Вали-канави

Кон-турні Контурно-паралельні

Змив грунту 1 9,75 - 1,35 2,84 8,45

2 4,5 4,3 2,7 - -

Акумуляція грунту в ставочках 1 0 - 1,35 2,67 4,62

2 0 1,7 1,8 - -

Відчуження грунту за межі поля 1 9,75 0 0,17 3,83

2 4,5 2,2 0,9 - -

Найбільш яскраво ефективність перемичок в улоговинах виявилася при талому стоці 10% забезпеченості в 1996 році, коли в частині улоговин на ділянці спостерігався значний транзитний стік з вищерозташованого водозбору довжиною 1200 м. На водозборах улоговин, які ніяк не були захищеними від транзитного стоку, втрати грунту в середньому становили 13,5 м3/га (агрофон – смугове розміщення полицевої оранки та необробленої стерні гречки). Протиерозійні споруди не запобігли наднормативному змиву, але виявили високий акумулюючий ефект і зменшили до припустимого рівня відчуження грунту з поля. Перемички акумулювали у своїх ставочках 71% змитого грунту, вали-тераси - 86%. В улоговинах, які були ізольовані від вищерозташованого водозбору стокорегулюючою лісосмугою, втрати грунту були найменшими, не перевищували 0,57м3/га. Таким чином, важливою умовою захисту грунтів є неприпустимість скидання великого транзитного стоку на поле

Навіть у маловодні роки на польових дорогах уздовж багатьох лісових смуг внаслідок танення снігових шлейфів формувались потоки води, виникали розмоїни. Майже на всіх дорогах у ДГ через кожні 20-50 м вимірювалися ширина розмоїн та їх глибина в 5-10 точках поперечного перезрізу, підраховувалась їх площа. Математико-статистичний обробіток даних показав, що в найбільшій мірі на ерозійний процес впливають похил і площа дороги , площа та середній похил водозбору .

Отже, щоб запобігти ушкодженню доріг, треба розміщувати їх з найменшим похилом та уникати значного навантаження водозбірною площею.

4. МЕЛІОРАТИВНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ЗАХОДІВ ПОСТІЙНОЇ ДІЇ

Меліоративний та протидефляційний ефекти системи лісових смуг залежать від ступеня зниження швидкості вітру. Інтегруючим показником, що характеризує вплив лісосмуг на вітер, є “сумарний вітрозахист” - середній відсоток зниження швидкості до відстані 30Н. В існуючих формулах визначення захищеності полів лісосмугами не враховується зміна їх ажурності при зміні куту підходу вітру. Тому, на основі графіків Я.О.Смалько (1963) та власного методичного підходу ми розрахували номограму сумарного вітрозахисту за лісосмугами в залежності від ступеня їх ажурності у фронтальному напрямку та куту підходу вітру (рис. 5).

В ході досліджень був розроблений метод визначення ступеня ажурності лісових смуг за фотознімками, захищений авторським свідоцтвом № 1724091.

Рис. 5. Номограма визначенняґ сумарного вітрозахисту в залежності від

ажурності лісових смуг (А, %) і куту підходу до них вітру (?, град)

Середня ширина зони впливу лісових смуг на перерозподіл снігового покриву в дослідах була кратною 14,5-16,5 Н (5,8-6,6Н вгору та 7,9-10,7Н униз по схилу, де Н – висота лісосмуги). Середня висота снігу в цій зоні була на 6,7 см більшою, ніж у відкритому полі. Зі снігом додатково накопичувалось 16-18 мм вологи. Ширина зони шлейфів від валів-канав складала 14,1 м. Додаткове накопичення снігової вологи в ній дорівнювало 7,1 мм. Зберігання вологи у відкритих полях дорівнює 60,5%, а в системі лісосмуг і валів-канав - 86,7%.

Достовірна ширина зони впливу валів-канав на вологозапаси метрового шару грунту в досліді №3 в середньому складала 10,4 м, додаткове накопичення вологи в ній - 22,4 мм. Лісові смуги накопичували в середньому 21,1 мм у зоні шириною 52 м. Система лісосмуг та валів-канав підвищувала запас вологи на 15 мм в середньому на всьому полі.

5. МАТЕМАТИКО-СТАТИСТИЧНІ МОДЕЛІ ВТРАТ ГРУНТУ ВІД ЕРОЗІЇ НА СХИЛАХ З УЛОГОВИНАМИ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ

ГРУНТОЗАХИСНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОТИЕРОЗІЙНИХ СПОРУД

За допомогою компўютерної програми "Фактор" проаналізовано звўязок втрат грунту у всі періоди стоку з одиниці довжини тальвегу улоговин (V, м3/м пог) дослідної ділянки № 4 з різними характеристиками їх водозборів. Площа поперечного перерізу розмоїн в улоговинах вимірювалася через кожні 10 м.

Головними показниками, від яких залежить розмір втрат грунту, виявились чотири, поєднані такою математико-статистичною моделлю :

V = Аf0,68It1,20t0,37Lр0,096 (1)

де A - коефіцієнт розмірності та впливу гідрометеорологічних, грунтових, агротехнічних, рослинних та інших умов року; f - площа частини водозбору улоговини, що розташована вище того чи іншого поперечного створу, що збігається з перерізом розмоїни , га; It - середньозважена за довжиною водозбору крутість тальвегу, град; t - вторинний похил (крутизна схилів водозбору улоговини в нап-рямку до тальвегу, середньозважена за довжиною та шириною водозбору улоговини, град); Lр - довжина розбігу потоку, м (відстань від ізолюючої або гальмуючої перешкоди, тобто від споруди, яка не була здатною істотно вплинути на розмір стоку, а тільки загачувала тимчасові ставочки). Інтервали варіювання цих факторів на водозборі такі: f = 0,05-3,0 га; It = 1,9-3,5°; t = 0,4-2,4°; Lр = 10-280 м.

Рівняння втрат грунту для періодів талого і зливового стоку виявилися досить схожими між собою, що свідчить про універсальність отриманої залежності.

Середні втрати грунту (Vс м3/га) з водозбору можна знайти за формулою:

Vс = 0,54 AB-0,32L0,68It1,2t0,37Lр0,096 (2)

де L - повна довжина улоговини або (для змінних показників) її довжина від вододілу до плинного створу; В - середня ширина усього водозбору улоговини або його частини, що відсікається даним поперечним створом;

Отримані формули є схожими з традиційними формулами схилової ерозії , бо містять коефіцієнти впливу довжини та крутості схилу, але відрізняються від них наявністю коефіцієнту впливу вторинного похилу водозбору улоговини. Втрати грунту залежать також від ширини водозборів улоговин та відстані між ними, тобто збільшуються при зростанні розчленованості схилів улоговинами.

Такі ж розрахунки були виконані для водозбору №1, де є 12 улоговин довжиною до 3,6 км, з площею водозбору до 87 га, крутістю тальвегу 1ё2,5°, вторинним похилом до 1,4°. Формули залежності втрат грунту при талому стоці від площі водозбору, крутості тальвегу на двох досить відмінних водозборах виявилися дуже близькими між собою за значенням показників ступеня при f (0,54 і 0,59) та t (1,13 і 1,16). Цей факт ще раз переконує в універсальності моделі.

Отримані результати дозволяють більш точно порівнювати результати вивчення впливу різних факторів на змив грунту на водозборах, що відрізняються параметрами улоговинної мережі. Формула приведення втрат грунту в умовах будь-якого варіанту до умов контрольної ділянки має вигляд : Vпрi = Vi · Кгму ,

де Кгму - коефіцієнт приведення : Кгму = (LкBк/LіBі)0,68 · (Itк/Itі)1,2· (tк/tі)0,37·(li/lk)

Li та Lk - довжина схилу; Ві та Вк - середня ширина водозборів улоговин;

Iti та Itk - середній похил тальвегу улоговин, ti та tk - вторинний ухил їх водозборів;

li та lк - відстань між улоговинами на кожному з варіантів та на контролі.

Розроблено формулу коефіцієнта зменшення втрат грунту в системі ЗПД в залежності від їх конструкції, розмірів та розміщення на схилових землях.

6. ОСОБЛИВОСТІ ГРУНТОВОГО ПРОФІЛЮ НА СХИЛОВИХ ЗЕМЛЯХ І ЗАКОНОМІРНОСТІ ПАРАМЕТРІВ УЛОГОВИН

Вивчення грунтового профілю у 210 розрізах в улоговинах ДГ показало, що потужність гумусового горизонту на їх дні, як правило, більша, ніж на вододілах між ними. Часто спостерігаються випадки поховання гумусового шару на дні улоговини під шаром делювію, ідентичного покриву її схилів. Останні, навпаки, часто бувають позбавлені гумусового шару, а іноді й верхнього перехідного горизонту (рис.6а). Глибина грунтового профілю на дні улоговин може досягати 170 см і більше. Зміни грунтового профілю по довжині однієї з улоговин водозбору 1 показані на рис.6б.

Рис.6. Зміна будови грунтового профілю в улоговинах: а) в поперечному напрям-ку (дослід № 4, 1350 м від вододілу); б) вздовж тальвегу (водозбір №1)

Якщо на вододілах між улоговинами та в їхніх верхів'ях переважають чорноземи малопотужні слабоеродовані, то в нижніх частинах деяких улоговин під шаром делювію потужністю до 70 см сформувалися луговато-чорноземні середньопотужні та потужні грунти. Сумарну потужність (Н) делювіальних відкладень, гумусового та верхнього перехідного горизонтів на дні улоговин водозбору №1 можна виразити рівнянням (? = 0,73):

Н = (0,48 + 0,059h3)(1,123 - 4710It3),

де h - глибина улоговини; It - локальний похил її тальвегу (рис. 7).

З урахуванням активного ерозійного процесу на дні улоговин, вищеозначені явища свідчать про наявність не менш інтенсивної водної та механіко-технологічної ерозії на водозборах улоговин і не можуть пояснюватися лише нерозвиненістю грунтів на схилових землях.

Рис.7. Залежність сумарної потужності делювію, гумусового та верхнього

перехідного горизонтів на дні улоговин в натуральному (Н, м) та коефі-

цієнтному вигляді (Kit) від їх глибини (h, м) та крутизни тальвегу (It).

Нами розроблено дві комп'ютерні програми, які дозволяють за морфометричними показниками, вимірюваними на плані з горизонталями, розраховувати основні параметри водозборів з улоговинами: середній та локальний похил схилу (Iсх та Iл), середню глибину та ширину водозборів окремих улоговин (hл та bл), вторинний похил водозборів (tл), відстань між улоговинами (Lл), частку площі їх водозборів від загальної площі схилу (Dл), а також запропонований нами показник Крп, що характеризує поперечну форму схилу та дорівнює радіусу кривизни горизонталей R,м у ступені -1. Для