Противоэрозионное обустройство агроландшафтов на основе оценки потенциальных эрозионных потерь почвы с использованием ГИС-технологий

В статье рассмотрен подход к противоэрозионной почвоводоохранной организации агроландшафтов в границах речного бассейна на основе количественной и качественной оценок эрозионной опасности, выраженной через модуль среднегодового смыва почв.

Ключевые слова: водная эрозия, агроландшафт, ГИС, почвенные потери, речной бассейн

Проблему деградации почвенного покрова в агроландшафтах в результате интенсивной водной эрозии перспективно решать, используя бассейновый подход. Концепция бассейнового природопользования ориентирована на решение взаимосвязанных проблем рационального земле- и водопользования и предполагает интегральный подход к геопланированию территорий [1]. Речной бассейн является гидрологически целостной геосистемой, характеризующейся однонаправленностью перемещения вещественно-энергетических потоков, что делает его оптимальной операционной территориальной единицей моделирования и оценки водно-эрозионных процессов.

В аграрно развитом Центрально-Черноземном регионе доминирующим негативным процессом в агроландшафтах является водная эрозия, которая проявляется в поверхностном смыве почв и линейных размывах. В лесостепных районах Русской равнины 41 % пашни, расположенной на склонах, в разной степени эродировано, более 607,0 тыс. га земель разрушено оврагами [2]. Очевидно, что залогом дальнейшего устойчивого развития сельскохозяйственно ориентированных регионов является противоэрозионная почвоводоохранная организация пашни на адаптивно-ландшафтных принципах.

Основная идея концепции адаптивно-ландшафтного земледелия — максимально возможное подстраивание землепользования под рельефные и другие наиболее значимые ландшафтные условия при организации сельскохозяйственных угодий. Данный подход подразумевает контурно-полосное обустройство территории, отражающее природную структуру ландшафта, а также дифференцированное использование угодий в зависимости от эрозионной опасности.

В качестве основного критерия для оценки эрозионной опасности территории в традиционных методиках применения землеустройства для адаптивно-ландшафтной системы земледелия выступает крутизна склона, в зависимости от которой земли подразделяют на технологические группы с рекомендованными для них культурами севооборота и способами обработки. Дифференциация использования пашни по уклонам имеет неоспоримые преимущества по сравнению ее с прямолинейной организацией. Однако только один параметр «крутизна склона» не может в полной мере описать совокупность геоморфологических, климатических, почвенных и биотических факторов, влияющих на эрозионные процессы. Для формирования основы адаптивно-ландшафтного проектирования целесообразно использовать результаты моделирования водно-эрозионных процессов — оценку потенциальных среднегодовых потерь почвы с территории пашни [3].

Моделирование водно-эрозионных процессов и проектирование противоэрозионной организации пашни осуществляли для бассейна р. Халань площадью 28,5 тыс. га, расположенного в Белгородской области. К наиболее распространенным типам почв бассейна относятся черноземы типичные (24,6 %) и темно-серые лесные (21,3 %). Территория бассейна находится в достаточно сложных геоморфологических условиях: рельеф бассейна сильно расчленен, склоновые ландшафты занимают 83 %. Водосбор испытывает интенсивную агрогенную нагрузку: 58 % его территории занимает пашня, причем из 16,6 тыс. га пахотных земель более 40 % эродировано.

Для моделирования потенциальных почвенных потерь от ливневой эрозии использовали модель НИЛ эрозии почв и русловых процессов МГУ [4]:

W_д=Д·П·P·C_д·M

где W_д — средняя многолетняя величина смыва от стока дождевых вод, т/га/год; Д — среднемноголетний годовой эрозионный потенциал дождевых осадков (ЭПО); П — смываемость (эродируемость) почвы, т/га/ед. ЭПО; Р — фактор рельефа; С_д — эрозионный индекс культуры или севооборота в целом; М — коэффициент почвозащитной эффективности противоэрозионных мероприятий.

Оценка эрозионной опасности на основе реализованной в ГИС пространственной математической модели смыва основывается на континуальном учете особенностей рельефа и почвенного покрова и позволяет получить оценочные характеристики для любой точки рассматриваемой территории. Моделирование производили в многофункциональном ГИС-приложении ArcGIS 10.1 с использованием модулей Spatial Analyst и Gidrology на основе гидрологически корректной цифровой модели рельефа с размером ячейки 30×30 м.

Для каждой переменной уравнения эрозионных потерь были получены расчетные растры, отражающие пространственную неоднородность оцениваемых факторов. С помощью инструмента Raster Calculator был получен производный растр потенциальных ежегодных почвенных потерь (рис. 1).

Рис. 1. Результаты оценки потенциального ливневого смыва почвы (т/га в год) с пахотных земель бассейна р. Халань

Качественную оценку эрозионной опасности территории проводили на основе классификации [5]. Эрозионно безопасные земли бассейна приурочены к плакорам и приводораздельным частям склонов и составляют 33 % от общей площади пашни. По результатам моделирования на исследуемом водосборе выделено более 11 тыс. га эрозионно опасных земель (67 % от площади пашни). На этих территориях целесообразна почвозащитная контурно-мелиоративная организация территории и проведение регулярных агротехнических противоэрозионных мероприятий.

На основе полученной картограммы распределения эрозионно опасных земель нами была разработана контурная лесомелиоративная организация пашни. На землях со слабой эрозионной опасностью были размещены полевые севообороты, насыщенные пропашными культурами. На землях со средней эрозионной опасностью были сведены к минимуму площади пропашных культур, предпочтение отдавали зернотравяным севооборотам. На землях с высокой эрозионной опасностью вводили почвозащитные севообороты. При очень высокой эрозионной опасности, когда практически невозможно защитить почву от эрозионного разрушения без вывода ее из состава пашни, угодья переводили в возвратную консервацию — постоянное залужение. На границах севооборотов было предусмотрено размещение контурных противоэрозионных лесных полос. В местах концентрации стока на пашне было запроектировано залужение ложбин, которое способствует задержанию выносимых твердых наносов и переводу поверхностного стока воды в эрозионно безопасный внутрипочвенный. Результаты проектирования представлены на рис. 2.

Рис. 2. Структура земельного фонда бассейна р. Халань в результате противоэрозионного обустройства

После оптимизации структура посевных площадей распределилась следующим образом: полевой севооборот — 52 %, зернотравяной — 32 %, почвозащитный — 13 %, консервация пашни — 2 %, контурные лесополосы и залуженные водосбросы — 1 %.

Эффективность почвозащитной организации севооборотов в условиях повышенной эрозионной опасности (табл. 1) можно выразить через оценку снижения ущерба от водной эрозии почв в результате землеустроительных мероприятий. Объем физического ущерба характеризуется рядом количественных показателей: площадью смытых земель, объемом и массой потерянной почвы, массой гумуса и основных питательных веществ (N, P, K), которые содержались в потерянной почве.

Таблица 1

Расчет эффективности противоэрозионной организации пашни в бассейне р. Халань

Оценки содержания гумуса, валовых азота, фосфора, калия, их запасы для каждого типа почв пашни были рассчитаны по результатам вариационно-статистической обработки этих показателей для Белгородской области [6] с учетом поправок на их эродированность [7]. Главным способом снижения почвенных потерь являлось увеличение доли культур с повышенной противоэрозионной устойчивостью на эрозионно опасных позициях пашни. В результате оптимизации севооборотов ожидается снижение среднегодового смыва почвы на 35 %, потерь гумуса на 27 %, азота на 40 %, фосфора на 33 %, калия на 32 %.

Оценка эрозионной опасности территории в границах речных бассейнов — перспективный подход к почвоводоохранному обустройству агроландшафтов. Использование возможностей ГИС в целях пространственного анализа и моделирования позволяет получить качественно новые результаты, которые могут лечь в основу эффективного по времени и затратам землеустроительного проектирования.

Литература:

1.      Lisetskii F.N., Buryak J.A., Zemlyakova A.V., Pichura V.I. Organizations of Nature Use, Belgorod region // Biogeosystem Technique. — 2014. — Vol. 2, No. 2. — P. 163-173.

2.      Здоровцов И.П. Актуальные вопросы планирования противоэрозионной защиты склоновых земель // Научно-технический бюллетень ВНИИЗиЗПЭ. — 1986. — № 2 (49). — С. 11-29.

3.      Смирнова Л.Г., Нарожняя А.Г., Шамарданова Е.Ю. Сравнение двух методов расчета смыва почвы на водосборах с применением ГИС-технологий // Достижения науки и техники АПК. — 2012. — № 9. — С. 10-12.

4.      Методические указания по составлению крупномасштабных карт эрозионно опасных земель для обоснования почвозащитных мер при внутрихозяйственном землеустройстве. — М., 1996. — 40 с.

5.      Светличный А.А., Черный С.Г., Швебс Г.И. Эрозиоведение: теоретические и прикладные аспекты. — Сумы: Университетская книга, 2004. — 410 с.

6.      Соловиченко В.Д., Тютюнов С.И. Почвенный покров Белгородской области и его рациональное использование. — Белгород: Отчий край, 2013. — 372 с.

7.      Лисецкий Ф.Н., Светличный А.А., Черный С.Г. Современные проблемы эрозиоведения. — Белгород: Константа, 2012. — 456 с.