Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
graduate student
The aim of the study was to determine the volume and assess the intensity of water erosion resulting from spring meltwater runoff in different agrolandscape types in Ulyanovsk region. The runoff and erosion study in the catchment area was conducted at Novonikulinskaya experimental station in Ulyanovsk region during a field experiment. The greatest expected spring moisture gain due to snowmelt in the space between strips occurs in the upland-plain agricultural landscape type. When erosion processes occurred as a result of spring runoff, the amount of washed away soil was distributed among the agricultural landscape types: upland-plain type - 0.05 t/ha; slope-hollow - 0.92 t/ha; slope-new-ravine - 1.47 t/ha. Over a more than 50-year period of anti-erosion elements operation, the water reserves in the snow increased by 20.9 mm and the volume of runoff decreased threefold (from 9.30 to 3.33 mm). The probability of runoff and soil erosion on sloping lands is 56.0% (14 out of 25 years of observations) in Ulyanovsk region. Annual crop production shortfall in Ulyanovsk region amounts to at least 267.400 hectares, with an average soil loss of 2.07 t/ha (1.908 million tons regionally). Humus losses are estimated at 92.400 tons, nitrogen and potassium at 2.500 tons, and phosphorus at 3.000 tons.
snow cover, soil erosion, agricultural landscape, meltwater runoff, soil loss, soil loss.
Введение. В последние годы агропромышленный комплекс Ульяновской области показывает значительные результаты по увеличению производства сельскохозяйственной продукции, так в 2025 году сельхозтоваропроизводителями региона было произведено 2133 тыс. тонн зерна, при рекордной урожайности 34,6 ц/га в области. Между тем биоклиматический потенциал производства продукции растениеводства используется не в полной мере и возможно получать не менее 3,0 млн. тонн зерна [1, 2].
Реализация продуктивного потенциала аграрных культур находится в прямой зависимости от поддержания почвенного плодородия. Тем не менее, данные агрохимической службы и научное сообщество свидетельствуют о прогрессирующей деградации почв, ключевым фактором которой являются эрозионные явления [3, 4, 5].
Развитие эрозии влечет за собой деградацию агрофизических и биологических параметров почвы, что неизбежно провоцирует потери урожайности [6, 7]. Существует прямая корреляция между степенью смытости почв и объемом недобора продукции: на слабо эродированных почвах потери составляют 10-30%, при средней – от 30 до 50%, а на участках сильно эродированных урожайность может сокращаться на 50-70% [8, 9].
Экономический урон от эрозии многогранен: он затрагивает не только аграрный сектор, но и экосистемы в целом [10, 11]. Сокращение пахотных угодий, обеднение почв и падение урожайности (до 70%) сопровождаются ухудшением качественных характеристик сельхозпродукции [12, 13, 14].
Минимизация негативного воздействия эрозии на почвы и восстановление продуктивности пашни требуют внедрения целостной системы защитных мер. Такой комплекс должен объединять агротехнические приемы, организацию территории, лесные насаждения и гидротехнические сооружения. Ввиду этого оценка отдельных элементов противоэрозионного комплекса представляет собой актуальное научно-практическое направление [15, 16, 17].
Цель исследования – определение объемов и оценка интенсивности проявления водной эрозии в результате стока весенних талых вод на разных типах агроландшафта в условиях Ульяновской области.
Задачи исследования:
- оценить накопление снега и запасы воды на полях в межполосном пространстве различных агроландшафтов;
- изучить особенности формирования стока талых вод и смыва почвы в различных типах агроландшафта;
- произвести расчет потерь почвы и элементов минерального питания со стоком талых вод, в т.ч. в масштабах Ульяновской области.
Условия, материалы и методы. Исследовательские работы по оценке поверхностного стока и смыва почвы проводились на базе стационарного полевого опыта на опытной станции «Новоникулинская», расположенной в Ульяновской области. Изучаемый ландшафт включает три типа агроландшафта: плакорноравнинный (уклон до 1°), склоново-ложбинный (1-3°) и склоново-овражный (3-5°). В период с 2022 по 2024 год на опытном участке возделывались следующие культуры: озимая пшеница, затем яровая мягкая пшеница и яровая твердая пшеница. Почвы представлены выщелоченным тяжелосуглинистым чернозёмом средней мощности. Содержание гумуса варьировало от 5,45 до 8,15%, pH находился в пределах 6,5–7,2, гидролитическая кислотность составляла 0,78–1,21 мг-экв/100 г, обеспеченность калием – 65,0–90,0 мг/кг, фосфором – 186,0–203,0 мг/кг.
Наблюдения за снегонакоплением, влагозапасами в снеге, а также за стоком и эрозией выполнялись в межполосных пространствах, ограниченных продольными лесными полосами. Конструкция лесополос ажурная, хорошо продуваемая, они сформированы из берёзы повислой (Betula pendula) в пять рядов, с высотой 15-16 метров. Изучение распределения снега проводилось на трёх расстояниях от насаждений – 50, 130 и 260 м – как с наветренной, так и с заветренной стороны.
Перед началом таяния снега фиксировались его высота и плотность. Высоту измеряли переносной металлической рейкой с шагом 5 м, обеспечивая пятикратную повторность для достоверности. Плотность определяли весовым снегомером ВС-43 через каждые 20 м при трёхкратной повторности измерений.
Для определения глубины промерзания почвы использованы мерзлотомеры Данилина. Поверхностный сток измерялся водосливами с тонкой стенкой (угол выреза 45°). Расход воды определялся согласно методике НИИСХ Юго-востока. После прекращения стока смыв почвы измерялся методом водороин [18, 19, 20].
Атмосферные осадки принадлежат к числу наиболее изменчивых метеорологических параметров. Сравнительный анализ сельскохозяйственных сезонов показывает, что периоды 2021-2022 и 2023-2024 годов отличались повышенным увлажнением: сумма осадков достигла 310,2 и 304,6 мм соответственно. Эти значения существенно превышают как показатель сезона 2022-2023 годов (249,9 мм), так и среднемноголетнюю норму, составляющую 167,0 мм. При этом количество осадков в 2022–2023 году, хотя и уступает двум другим сезонам, всё же заметно ниже средних многолетних значений (табл. 1).
Таблица 1 – Значение зимних метеорологических показателей и средних нормативных данных за многолетний период
|
Показатель |
2021-2022 сельскохозяй-ственный год |
2022-2023 сельскохозяй-ственный год |
2023-2024 сельскохозяй-ственный год |
Среднее много-летнее |
|
Установление снежного покрова |
13 ноября |
17 ноября |
21 ноября |
23 ноября |
|
Разрушение снежного покрова |
7 апреля |
20 марта |
11 апреля |
3 апреля |
|
Продолжи-тельность залегания снежного покрова |
146 дней |
124 дня |
142 дня |
132 дня |
|
Количество выпавших зимних осадков, мм |
||||
|
Ноябрь |
40,5 |
66,1 |
20,7 |
36,0 |
|
Декабрь |
33,7 |
60,9 |
81,7 |
36,0 |
|
Январь |
99,8 |
22,0 |
96,5 |
34,0 |
|
Февраль |
68,0 |
63,9 |
49,3 |
24,0 |
|
Март |
19,5 |
37,0 |
47,1 |
27,0 |
|
Апрель |
48,7 |
0,0 |
9,3 |
10,0 |
|
Сумма: |
310,2 |
249,9 |
304,6 |
167,0 |
Формирование и сход снежного покрова относятся к числу его важнейших характеристик. Как показывают наблюдения, установлению постоянного снежного покрова предшествует неустойчивый период с частыми оттепелями, провоцирующими частичное таяние выпавшего снега. Интенсивность этого процесса напрямую зависит от суточных колебаний температуры и активизируется при её падении до -3…-5°С, когда верхний слой почвы промерзает на 2-5 см. Обычно первые снегопады начинаются за 25-35 суток до образования стабильного снежного покрова [19, 20].
Устойчивым принято считать такой снежный покров, который либо сохраняется непрерывно всю зиму, либо имеет перерывы, не превышающие трёх дней за любой тридцатидневный отрезок. Если после весеннего таяния в течение трёх суток вновь выпадает снег и держится не менее 10 дней, это расценивается как единый период залегания. Перерывы продолжительностью менее трёх дней не разрывают срок устойчивого покрова, а включаются в его общую длительность. В сельскохозяйственном 2021-2022 году продолжительность устойчивого залегания снега составила 146 суток, что превысило среднемноголетний показатель на 14 дней. 2022-2023 сельскохозяйственный год характеризовался ранней датой разрушения снежного покрова и недолгой продолжительностью залегания снежного покрова (124 дня).
Результаты и обсуждение. Изучение особенностей снегоотложения выполнялось между продольными лесными насаждениями, которые были размещены перпендикулярно направлению преобладающих метелевых ветров в условиях различных агроландшафтов. В результате установлено, что интенсивность накопления снега на сельскохозяйственных угодьях варьировала в зависимости от типа агроландшафта, при этом значительную роль в перераспределении снега играли лесные полосы.
В результате наблюдений выявлено, что максимальные запасы снега формировались в зоне, прилегающей к лесным полосам. При этом со стороны господствующих ветров снегонакопление было более интенсивным. На плакорно-равнинном агроландшафте высота снега с наветренной стороны достигла 48,4 см, тогда как с заветренной – 42,9 см. В склоново-ложбинном ландшафте эти значения составили 43,6 и 40,1 см соответственно, а в склоново-овражном – 39,5 см (наветренная) и 36,4 см (заветренная) (рис. 1).
Анализ плотности и мощности снега в межполосных пространствах позволил оценить его вклад в формирование водного баланса при таянии. Расчеты показали, что максимальные ожидаемые поступления талых вод характерны для плакорно-равнинного агроландшафта. На расстоянии 50 м от наветренной лесополосы запасы влаги составляли 133,3 мм, на 130 м – 119,1 мм; с заветренной стороны на тех же удалениях – 114,5 и 109,7 мм. По мере приближения к центру поля (260 м) влагообеспеченность снижалась до 95,8 мм.
Прослеживалась четкая тенденция уменьшения высоты снега при удалении от насаждений до 130 м. Для плакорно-равнинного типа агроландшафта показатели на этом расстоянии составили 42,0 и 39,3 см, для склоново-ложбинного – 38,9 и 35,2 см, для склоново-овражного – 33,0 и 31,5 см. В центральной части поля (260 м) толщина снега в агроландшафтах достигала лишь 31,6, 29,6 и 26,5 см соответственно.
Рис. 1 – Высота снежного покрова и запасы влаги в зависимости от отдаленности от лесных насаждений в плакорно-равнинном типе агроландшафта, 2022-2024 гг.
В результате исследований выявлена обратная зависимость между крутизной склона и мощностью снежного покрова. На плакорно-равнинном агроландшафте средняя высота снега достигала 41,1 см. При переходе к склоново-ложбинному ландшафту этот параметр уменьшался на 3,2 см, а на склоново-овражном – на 8,0 см относительно плакора.
Лесные полосы влияли не только на перераспределение снега, но и на его плотность. Установлено, что на расстоянии 50 и 130 м от насаждений плотность снега во всех типах ландшафта колебалась незначительно – в интервале 0,25-0,31 г/см³. В центральной же части поля (260 м) фиксировалось уплотнение снега: показатели варьировали от 0,27 до 0,33 г/см³. Аналогичные тенденции прослеживались в склоново-ложбинном и склоново-овражном агроландшафтах. При этом на склонах крутизной 3-5° прогнозируемые влагозапасы в снеге снижались до 105,5 и 96,4 мм соответственно.
Наблюдения показали, что формирование стока и смыва почвы определялось совокупностью факторов и не всегда напрямую зависело от высоты снега. Так, в 2022 году, несмотря на значительные влагозапасы в снеге, сток отсутствовал. Причиной послужил затяжной характер снеготаяния, вызванный чередованием положительных и отрицательных температур в этот период (табл. 2).
Иная ситуация сложилась в 2023 году, когда аномально низкий снежный покров (всего 25,6 см) привёл к глубокому промерзанию почвы – до 40 см. Это спровоцировало интенсивный весенний сток (6,3 мм) и эрозию почвы (6,65 т/га), которые достигли максимальных значений за период наблюдений.
Таблица 2 – Сток и эрозия почвенного покрова на опытном поле
|
Годы |
Показатели |
|||||
|
максимальная высота снега, см |
запасы влаги в снегу, мм |
глубина промерзания почвы, см |
сток, мм |
смыв почвы, т/га |
коэффициент стока |
|
|
2022 г. |
38,1 |
101,7 |
20 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
2023 г. |
25,6 |
69,6 |
40 |
6,30 |
6,65 |
0,09 |
|
2024 г. |
48,1 |
145,1 |
12 |
0,09 |
0,67 |
0,00 |
|
среднее |
37,3 |
105,5 |
24 |
2,13 |
2,44 |
0,02 |
Наиболее мощный снежный покров зафиксирован в 2024 году, когда его высота достигла 48,1 см. В этих условиях глубина промерзания почвы сократилась до 12 см. Несмотря на постепенный характер снеготаяния и относительно небольшое промерзание грунта, объём стока оказался минимальным и составил всего 0,09 мм. Определённую роль в этом сыграли и значительные влагозапасы, аккумулированные в снеге (145,1 мм).
Иная ситуация сложилась в 2023 году, когда интенсивный сток и эрозия наблюдались во всех типах агроландшафта. Это было вызвано сильным промерзанием почвы и резким таянием снега. Осенью предшествующего года на участке проводилась минимальная обработка почвы поперёк склона на глубину 10-12 см. После окончания стокового периода выполнены замеры смыва методом водороин (табл. 3).
Таблица 3 – Смыв почвы в зависимости от типа ландшафта за 2022-2024 гг.
|
Тип агроландшафта |
Смыв почвы, т/га |
||||
|
2022 г. |
2023 г. |
2024 г. |
сумма |
среднее |
|
|
Плакорно-равнинный (0-1°) |
0 |
0,15 |
0 |
0,15 |
0,05 |
|
Склоново-ложбинный (1-3°) |
0 |
2,60 |
0,17 |
2,77 |
0,92 |
|
Склоново-овражный (3-5°) |
0 |
3,90 |
0,50 |
4,40 |
1,47 |
|
итого |
0 |
6,65 |
0,67 |
6,72 |
2,44 |
Результаты исследований позволили количественно оценить интенсивность эрозионных процессов в различных агроландшафтах. Минимальный смыв почвы зафиксирован на плакорно-равнинном участке – 0,15 т/га. На склоново-ложбинном ландшафте этот показатель оказался существенно выше – 2,77 т/га. Максимальная интенсивность смыва отмечена в нижней части водосбора, в склоново-овражном агроландшафте, где величина достигла 4,40 т/га.
Многолетние наблюдения за стоком талых вод на склоновых участках противоэрозионного комплекса «Новоникулинский» подтвердили высокую результативность применяемых почвозащитных мероприятий.
Согласно данным Ульяновского филиала ФГБУ «РосАгрохимслужба» (на 01.01.2025 г.), площадь деградированных сельхозугодий, подверженных эрозии и дефляции на территории Ульяновской области, достигает 922 тыс. га (табл. 4).
Таблица 4 – Некомпенсированные потери с деградированных земель в среднем за год (на примере Ульяновской области)
|
Основные показатели |
Всего |
|
Площади смытых и дефлированных земель, тыс. га |
922 |
|
Недобор продукции, з.е. с 1 га |
0,29 |
|
Недобор продукции в регионе, тыс. з.ед. |
267,4 |
|
Ежегодные потери почвы, т/га |
2,44 |
|
Потери гумуса с мелкоземом, тыс. т. |
92,4 |
|
Потери азота (2,7 кг/га), тыс. т. |
2,50 |
|
Потери фосфора (3,3 кг/га), тыс. т. |
3,00 |
|
Потери калия (2,7 кг/га), тыс. т. |
2,50 |
По расчётным оценкам, недополученная продукция растениеводства в масштабах региона составляет не менее 267,4 тыс. з. е. При среднегодовом смыве почвы 2,44 т/га потери гумуса достигают 92,4 тыс. т, азота и калия – по 2,5 тыс. т, фосфора – 3,0 тыс. т.
Выводы. Наибольший ожидаемый приход весенней влаги за счет таяния снега в межполосном пространстве складывался на плакорно-равнинном типе агроландшафта. На расстоянии 50 м от наветренной лесополосы запасы влаги составляли 133,3 мм, на 130 м – 119,1 мм; с заветренной стороны на тех же удалениях – 114,5 и 109,7 мм. По мере приближения к центру поля (260 м) влагообеспеченность снижалась до 95,8 мм.
Интенсивность эрозионных потерь также варьировала в зависимости от типа агроландшафта. На плакорно-равнинном типе агроландшафта смыв почвы оказался минимальным – 0,05 т/га. В склоново-ложбинном агроландшафте потери возросли до 0,92 т/га, а максимальные значения отмечены в склоново-овражном агроландшафте – 1,47 т/га.
В масштабах Ульяновской области ежегодный недобор растениеводческой продукции оценивается не менее чем в 267,4 тыс. з. е. При среднем смыве почвы 2,44 т/га суммарные потери почвы достигают 2,2 млн. т. Это сопровождается выносом значительного количества элементов питания: гумуса – 92,4 тыс. т, азота и калия – по 2,5 тыс. т, фосфора – 3,0 тыс. т.
1. Toygildin AL, Semenkin MI, Toygildina IA. [Programming of grain crop productivity and its provision in agriculture of Ulyanovsk region]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2022; 4(60). 71-76 p. doi:https://doi.org/10.18286/1816-4501-2022-4-71-76. – EDN NLBAKF.
2. Kulik KN, Ivanov AL, Rulev AS. [Strategy for protective afforestation development in the Russian Federation through 2025]. 2-e izdanie, dopolnennoe i pererabotannoe. Volgograd: FNTs agroekologii RAN. 2018; 36 p.
3. Doklad o sostoyanii i ispolzovanii zemel selskokhozyaystvennogo naznacheniya Rossiyskoy Federatsii v 2021 godu. [Report on agricultural lands status and use in the Russian Federation in 2021]. Moscow: Rosinformagrotekh. 2022; 356 p.
4. Javed A, Ali E, Binte Afzal Kh. Soil fertility: factors affecting soil fertility, and biodiversity responsible for soil fertility. International Journal of Plant, Animal and Environmental Sciences. 2022; Vol.12. 01. – doihttps://doi.org/10.26502/ijpaes.202129.
5. Matyukhin DA, Krutskikh OP, Pronyaev ID. [Causes and consequences of soil erosion in different climatic zones of Russia]. Agrarnaya istoriya. 2024; 18. 49-58 p. doi:https://doi.org/10.5281/zenodo.11655506.
6. Gaevaya EA. [Humus balance in crop rotations with short rotation on erosion-hazardous slopes]. Zhivye i biokosnye sistemy. 2018; 24. 2 p. – EDN WMATGV.
7. Tarasov SA, Tarasov AA, Podlesnykh IV. [Irrigation and reclamation role of agroforest landscape complex on slopes]. Mezhdunarodnyy selskokhozyaystvennyy zhurnal. 2024; 6 (402). 708-712 p. doi:https://doi.org/10.55186/25876740_2024_67_6_708.
8. Bryzhko VG, Tarasov TV. [Organization of works to combat soil erosion]. Aktualnye problemy ekonomiki, sotsiologii i prava. 2019; 4-2. 29-31 p. – EDN OHDWFB.
9. Skuodiene R. Matyziute V. Soil seed bank in a pre-erosion cereal-grass crop rotation. Plants. 2022; Vol.11. No.19. 2636 p. – doihttps://doi.org/10.3390/plants11192636.
10. Ustroev AA, Murzaev EA. [Sowing green manure crops as a method of soil decompaction under conditions of pasture erosion]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2020; 2 (103). 57-64 p. doi:https://doi.org/10.24411/0131-5226-2020-10241.
11. Soldat IE. [Reducing negative impact of soil erosion in Belgorod region by introducing an adaptive-landscape farming system]. Vestnik Rossiyskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Agronomiya i zhivotnovodstvo. 2020; Vol.15. 2. 182-190 p. doi:https://doi.org/10.22363/2312-797X-2020-15-2-182-190.
12. Dzyuin GP, Dzyuin AG. [Typification of agrolandscapes for the development of adaptive-landscape farming systems in Udmurt Republic]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2013; 6. 38-40 p. – EDN QIPWIF.
13. Sytin GO, Belyakov AM. [Influence of forest shelterbelts on productivity and grain quality of winter wheat in the chestnut soil zone of Volgograd region]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professionalnoe obrazovanie. 2023; 2 (70). 323-329 p. doi:https://doi.org/10.32786/2071-9485-2023-02-37.
14. Baude M, Meyer BC, Schindewolf M. Land use change in an agricultural landscape causing degradation of soil-based ecosystem services. Science of the Total Environment. 2019; Vol.659. 1526-1536 p. doihttps://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.12.455.
15. Chekmarev PA. [Fertility restoration is the key to stable development of Russian agro-industrial complex]. Plodorodie. 2018; 1(100). 4-7 p. – EDN YPKXUP.
16. Sytin GO, Belyakov AM. [Influence of forest shelterbelts on productivity and grain quality of winter wheat in the chestnut soil zone of Volgograd region]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professionalnoe obrazovanie. 2023; 2 (70). 323-329 p. doi:https://doi.org/10.32786/2071-9485-2023-02-37.
17. Turusov VI, Cheverdin YuI, Garmashov VM. [Agrotechnological foundations for soil environment optimization in adaptive landscape farming systems of Central Chernozem region]. Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; 6(80). 26-31 p. – EDN RCXMSZ.
18. Surmach GP. [Methodology for studying the water-regulating and anti-erosion efficiency of forest belts and agrotechnical techniques]. Volgograd. 1967; 35 p.
19. Nikitin SN, Sharipova RB. [Assessment of agroclimatic potential changes of Ulyanovsk region for crop production]. Vestnik Ulyanovskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2022; 3(59). 36-42 p. doi:https://doi.org/10.18286/1816-4501-2022-3-36-42. – EDN LSBPDS.
20. Nemtsev SN, Sharipova RB. [Agroclimatic resources, their change and environmental restrictions of growing season in Ulyanovsk region]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2021; Vol.35. 3. 10-14 p. doi:https://doi.org/10.24411/0235-2451-2021-10302. – EDN RPFOLW.
