МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006
 

Комплексные мелиорации – главный фактор в
обеспечении устойчивого развития АПК России
 
 
УДК 631.6
КОМПЛЕКСНОЕ ОБУСТРОЙСТВО (МЕЛИОРАЦИЯ) ВОДОСБОРОВ

А.И. Голованов – д.т.н., проф.;  В.В. Шабанов – д.т.н., проф.;
Ю.И. Сухарев – к.т.н., доцент
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

Российская мелиоративная наука, в отличие от западной, всегда отличалась глубоким естественно-научным подходом, рассматривала улучшаемые земли как часть единого целого – природно-территориального комплекса (геосистемы, ландшафта) одинакового происхождения и природно-исторического развития. В.В. Докучаев, его ученики и последователи; А.Н. Костяков, А.Д. Брудастов и их школа обращали особое внимание на взаимозависимость свойств компонентов природных объектов, тесную взаимосвязь процессов их функционирования, включая круговороты энергии, веществ и воды в особенности. Почвообразование, продуцирование фитомассы они рассматривали как результирующее всех процессов, происходящих в географической оболочке и в населенной живыми организмами ее части – биосфере. 
Отчетливо осознавая не только целостность геосистем, но и их открытость, В.В. Докучаев, А.Н. Костяков, А.Д. Брудастов никогда не вырывали из целостной природы земли только одного назначения, а из сельскохозяйственных земель – только мелиорируемые.
В.В. Докучаев отмечал, что при взаимодействии с природой надо учитывать «всю единую, цельную и нераздельную природу, а не отдельные части», надо знать «теснейшее взаимодействие и полное содружество мира органического и мира неорганического».
А.Н. Костяков в своей выпускной работе, выполненной под руководством В.Р. Вильямса в 1912 г., «Имение «Батьки» детально изучил природные условия территории площадью около 3500 га при впадении р. Вялки в р. Цну (в настоящее время Рязанская обл.), охарактеризовав фактически два водосбора. Он одним из первых применил морфогенетический принцип зонирования территории, выполнил гидрогеологическое описание, в том числе и особенностей формирования грунтовых вод на разных элементах рельефа; детально исследовал почвы, впервые выделив в них характерные для переувлажнения горизонты; провел геоботаническое обследование. По сути дела – это первое комплексное ландшафтное описание территории в ее естественных границах, позволившее оценить уже выполненные мелиоративные работы и наметить их развитие. При этом А.Н.Костяков подчеркивал необходимость сочетания различных приемов мелиорации: гидротехнических, агромелиоративных, культуртехнических, охватывающих всю территорию.
Еще до появления ландшафтоведения, как отрасли физической географии, А.Д. Брудастов в 1929 г. предложил теорию типов водного и минерального (!) питания земель, рассматривая их как единство возвышенностей, склонов, понижений, пойм, связанных гидрохимическими потоками. Тем самым он предвосхитил современные понятия фаций, элементарных ландшафтов.
Идею комплексного обустройства территорий впервые предложил и осуществил родоначальник русского генетического почвоведения, геолог по образованию, В.В. Докучаев.
В России после катастрофической засухи 1891 г., охватившей центральную, южную и юго-восточную часть страны с населением 25 млн человек, правительством была создана «Особая экспедиция по испытанию и учету различных способов и приемов лесного и водного хозяйства в степях России» Лесного департамента Министерства земледелия и государственных имуществ, которую возглавил В.В.Докучаев. Он пришел к заключению, что причиной участившихся засух стала деградация территории, вызванная вырубками лесов и экологически опасными методами ведения сельского хозяйства, поставил вопрос о государственном регулировании природопользования. Фактически, он предложил программу исследований целостных техноприродных систем и на их основе оптимизацию систем хозяйствования. Это должно было реализоваться в новой структуре ландшафтов, которая позволила бы повысить плодородие почв, обеспечить устойчивое сельскохозяйственное производство, сохранение природных систем в виде заповедных косимых и некосимых залежей.
Предлагалось создание сплошной сети широких лесополос, расчленяющих безлесую степь на изолированные поля. Лесополосы обеспечивали бы улучшение микроклимата и существенное увеличение влажности почвы в сухие периоды по сравнению с открытой степью. Помимо этого в рамках водосборов он считал необходимым:
регулирование рек путем расчистки и спрямления русл, строительства водохранилищ для регулирования стока и уменьшения весенних разливов, закрепление берегов рек древесной растительностью;
прекращение роста оврагов закреплением их устьев, устройством плетней и живых изгородей для прекращения размыва, дна и берегов, и превращения их в луговые угодья, перекрытием плотинами верховьев оврагов для орошения склонов талыми и дождевыми водами, обсадкой деревьями верховьев оврагов и балок на крутых склонах;
регулирование водного и твердого стока на водораздельных пространствах путем снегозадержания, увеличения впитывания талых и дождевых вод, накопления влаги в почве, регулирования влажности воздуха; сооружения с этой целью прудов на естественных ложбинах и в блюдцах с обсадкой деревьями, залесение песков;
обводнение территории строительством колодцев и каптажем родников (каптаж – устройства для отбора подземных вод в месте их выхода на дневную поверхность в виде родников);
выбор оптимального соотношения между пашней, лугом, лесом и водными объектами в зависимости от местных условий;
выбор системы обработки почвы  для наилучшего использования влаги, недопущения эрозии, подбор сортов культурных растений, приспособленных к местным условиям.
При жизни В.В. Докучаева в Каменной Степи (в настоящее время Воронежская обл.) в первые 7 лет были созданы 58 лесных полос общей площадью 103 га, начато строительство прудов. К 100-летию экспедиции в Каменной Степи было создано 900 га защитных лесных насаждений, построено 35 прудов и водоемов с площадью зеркала 386 га и запасом воды около 9 млн м3, 10 водорегулирующих валов, 15 га террас, проведены работы по укреплению оврагов, организовано выборочное орошение на местном стоке на площади около 600 га, организованы заповедные участки степи в виде косимых и некосимых залежей, так как к тому времени целинных земель в этом регионе уже не осталось.
На опытных участках, заложенных В.В. Докучаевым и его сотрудником, выдающимся русским лесоводом Г.Ф. Морозовым, были созданы лесополосы разной ширины – от 10 до 100 м. При среднем размере одного поля около 30 га залесенность составляла  3-30 %. В настоящее время эти дубово-кленово-липовые насаждения живы,  имеют высоту свыше 20 м, дают ежегодный прирост древесины 3-4 м3/га. Очень важный научный факт: авторы этого многолетнего эксперимента позволили потомкам установить оптимальную для данной территории степень залесенности – не более 18%, в противном случае лесонасаждения вместе с прудами и водоемами изменяют структуру водного баланса в нежелательном направлении, появляется переувлажнение пониженных фаций. В последующем на других опытных участках 25-30 летние лесополосы шириной 10-22 м и высотой 12 м  также благоприятно сказались на состоянии и продуктивности ландшафтов. Так, среднемноголетняя прибавка урожая зерновых составила 20 %, картофеля – 30 %, сахарной свеклы – 27 %. Лесополосы положительно повлияли на запасы воды в снеге, на весенние запасы влаги в почве, несколько снизили температуру воздуха и скорость ветра летом, что особенно важно при появлении в этой зоне суховеев – ветров юго-восточного направления.
Помимо роста плодородия почв имелись и другие природоохранные эффекты: были остановлены рост оврагов, эрозия почв, уменьшены пагубные последствия пыльных бурь, сохранены малые реки от обмеления. На обустроенной таким образом территории увеличилось биологическое разнообразие в системе поле – лес, установилось равновесие между полезной и вредной фауной и микроорганизмами, что привело к подавлению очагов массового размножения вредителей и возбудителей болезней посевов сельскохозяйственных культур, лесов и животных. Следствие этого – уменьшение токсической нагрузки на экосистемы из-за сокращения применения гербицидов, инсектицидов и т. п.
В жесточайшую засуху послевоенного 1946 г. урожай в Каменной Степи был в 3-4 раза выше, чем в соседних необустроенных районах. Это обстоятельство послужило толчком для принятия в октябре 1948 г. Постановления СМ и ЦК ВКП(б) «О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах Европейской части СССР».    
Этим планом предусматривалось создание в течение 1950-1965 гг. крупных государственных лесных защитных полос общим протяжением 5320 км, с площадью лесопосадок 118 тыс. га. Полосы были намечены по берегам рек Урала, Волги, их междуречий, Дона, Северского Донца. Наряду с этим было предусмотрено создание полезащитных лесонасаждений на полях колхозов и совхозов на общей площади 5709 тыс. га. Одновременно на полях колхозов и совхозов вводились травопольные севообороты, обеспечивающие восстановление плодородия почв, и предусматривалось строительство 44 тыс. прудов и водоемов.
К сожалению, этот план был выполнен не полностью, к 1967 г. площадь государственных  лесных полос составила 89 тыс. га; всего защитных лесонасаждений стало свыше 2 млн га, но даже сделанное существенно сказалось на обустройстве российских земель.
Обустройству территорий косвенно способствовало нежелание И.В. Сталина подключать колхозы к государственным электрическим сетям. В результате этого за 1945-1947 гг. было построено свыше 3600 малых ГЭС, водохранилища которых, на манер водяных мельниц и запруд, поддерживали жизнь малых рек и окружающей природы. Впоследствии все они были разрушены, оставив изуродованные русла рек.
Обширная программа мелиоративных работ, начатая 60 лет назад, во-первых, почти вся была направлена на земли национальных окраин, о чем сейчас стараются забыть. О России вспомнили опять в последнюю очередь. А, во-вторых, несмотря на громадные площади орошения и осушения, комплексному обустройству территорий в этой программе уделялось мало внимания, гораздо больше было сделано в развитии промышленной и социальной инфраструктуры на мелиорированных землях, что, конечно, правильно,  так как в некоторых районах массовой мелиорации жизнь людей буквально преобразилась – в Украинском и Белорусском Полесье, в Северном Крыму.
Одним из недостатков этой программы был недостаточный учет влияния мелиорации на окружающую природу при проектировании и функционировании мелиоративных систем, мелиоративная нагрузка во многих регионах, особенно в среднеазиатских республиках, была чрезмерной. В Поволжье не уделяли должного внимания сложному мелкокомплексному почвенному покрову (Палласовская ООС). В Российском Нечерноземье бесперспективной была борьба с мелкоконтурностью, желание вписать в сложные природные объекты большие поля прямоугольной формы, чтобы «его величеству трактору» было удобно работать, приводило к разрушению установившихся биогеоценозов, гидрохимических потоков.
Объективности ради,  надо отметить, что большое внимание уделялось комплексным изысканиям на объектах  мелиорации при проектировании, качество исходного материала было достаточно хорошим для принятия проектных решений, к решению трудных задач привлекались научные силы отрасли. Несомненным достоинством этого периода мелиорации была организация сети постоянно действующих Гидрогеолого-мелиоративных станций, объединенных в специальную службу при Минводхозе СССР /Д.М. Кац/. Быстро сформировавшись, они собирали и  анализировали множество показателей состояния мелиорированных земель и процессов, на них происходящих, то есть осуществляли мониторинг мелиорированных земель. Недостатком их работы мы видим то, что они не выходили за границы мелиорированных земель.
Не желая ни в коем случае принизить громадный труд мелиораторов, полагаем, что наука должна сделать правильные выводы, выявляя как положительные стороны, так и недостатки широкомасштабной мелиорации.
Общечеловеческим достоянием сейчас является идея создания так называемых культурных ландшафтов, включающих земли разного назначения, в которых деятельность человека оптимизирована на научной основе в интересах человека и природы (Р.М. Орлов). Иными словами, необходимо комплексное обустройство не отдельных земель, но крупных генетически однородных территорий – ландшафтов, водосборов. Это понятие шире комплексной мелиорации отдельных земель, хотя оно ни в коем случае его не отменяет. Комплексные мелиорации отдельных видов земель, в разумных масштабах, являются базисными в этом обустройстве, но не единственными.
Перечень работ по комплексному обустройству территорий по А.Г. Исаченко включает:
Поддержание природного разнообразия, оптимальное сочетание земельных угодий.
Максимум растительного покрова.
Адаптивные природосохраняющие системы земледелия.
Экстенсивно приспособительное использование части земель.
Ликвидация антропогенных пустошей, рекультивация, борьба с эрозией.
Организация охраняемых территорий: заповедников, природных парков и т.п.
Создание развитой экологической инфраструктуры.
Восстановление гидрографической сети, малых рек.
Оптимальная мелиоративная нагрузка.
Внешнее эстетическое благоустройство.
При обустройстве территорий (ландшафтов) затрагиваются земли разного целевого назначения, находящиеся в собственности разных субъектов, а также разные виды хозяйственной деятельности. Это усложняет организационно-правовые аспекты, финансирование и проведение работ не только в период первичного обустройства (создание инженерных систем, выполнение различных мелиоративных, рекультивационных и природоохранных мероприятий), но и в длительный (десятки лет) период их «штатного» функционирования, ремонта, реконструкции. Указанные вопросы должны, прежде всего, регулироваться законодательными актами. Обустройство ландшафтов, учитывая его важность для всего населения страны или субъекта Федерации, а также для увязки порой взаимоисключающих или противоречивых интересов землевладельцев и землепользователей, должно инициироваться государством, его федеральными и региональными органами власти.
В отличие от мелиорации земель конкретного назначения, составляющих обычно часть ландшафтов, создание культурных ландшафтов на обустраиваемых территориях предполагает мероприятия, затрагивающие ряд индивидуальных ландшафтов или речных бассейнов (водосборов). Поэтому, методически важно определиться в способе членении обустраиваемой территории. По ряду соображений, нам представляется целесообразным говорить об обустройстве водосборов.
Главная природная функция речного бассейна – стокообразующая и в этом принципиальная важность такого членения территории. Помимо этого, речные бассейны – это особым образом объединенные геосистемы (принцип объединения здесь – единство гидрогеохимических потоков, имеющих один объект для своей разгрузки), выполняющие важные средообразующие или экологические функции. Наконец, речные бассейны – это пространственный  базис для природопользования (размещения земель разного целевого назначения, в том числе сельскохозяйственных, населенных пунктов, объектов промышленности, транспорта, размещения отходов) и природообустройства. В этом заключается триединство функций речного бассейна. Эти функции определяют научную и практическую целесообразность  членения территории на водосборы разных размеров, в рамках которых открывается возможность комплексной оценки состояния территории и водных объектов, выработки единой программы их улучшения, учитывающей интересы не только отдельных земле- и водопользователей, но и интересы всех людей, на ней проживающих и, что сейчас очень злободневно, восстановление и сохранение природы.
Наложение карты водотоков на ландшафтную показывает, что границы ландшафтов и их совокупностей пересекают трассы водотоков, что говорит о несовпадении границ ландшафтов и речных бассейнов (рис. 1). Эти территории можно представить как пересекающиеся множества по-разному выделенных природных объектов, что существенно усложняет сравнительный анализ при их изучении, затрудняет решение практических задач природообустройства и природопользования. Речные бассейны объективно по-другому организованы для выполнения своей главной функции – стокообразующей и состоят из целого числа других геосистемных групп, в данном случае – фаций и катен.
Открытость фаций предопределяет их взаимосвязь и образование более сложных ландшафтно-геохимических систем. Серия фаций, сменяющих друг друга от местного водораздела к местной депрессии рельефа (к местному постоянному или временному водотоку) и связанных латерально направленными гидрохимическими потоками, образует ландшафтно-геохимическую катену – простейшую каскадную ландшафтно-геохимичес-кую систему в пределах каждого ландшафта и неделимую часть речного бассейна.
Совокупность ландшафтно-геохимических катен, составляющих общий водосборный, а соответственно и солесборный бассейн, называют ландшафтно-геохимическими аренами /М.А. Глазовская/. Надо иметь в виду, что в пределах одного водосбора могут располагаться арены, принадлежащие разным ландшафтам. В зависимости от размера водосборной площади выделяют мега-, макро-, мезо- и микроарены. Гидрогеохимическая структура и потоки усложняются по мере увеличения размеров арен.


Рис. 1. Западный ландшафтный район Верхне-Волжской ландшафтной провинции
в пределах Московской области:
1 – административная граница; 2 – граница района; 3 – гидрографическая сеть;
4 – морфоизографы

Такое видение водосбора важно для схематизации природных условий при разработке моделей функционирования бассейна. Первичные модели, представляющие линейный каскад сопряженных фаций и образующих ландшафтно-геохимическую катену, должны быть как минимум двумерными, учитывающими как вертикальные, так и горизонтальные, в сторону водотока, потоки вещества. Необходимо учитывать разное высотное положение фаций, образующих катену, учитывать поверхностные и подземные потоки и их взаимодействие (впитывание, напорное питание подземных вод).
С помощью таких моделей можно рассчитывать слой годового, паводкового и меженнего слоя стока с единицы площади водосбора (с одной катены) в рамках одного ландшафта или группы однотипных ландшафтов, объединенных в ландшафтные районы, провинции; оценивать влияние хозяйственной деятельности и природоохранных мероприятий на количество и качество стока (подобные модели функционирования катен разработаны А.И. Головановым и Ю.И. Сухаревым). Модели арен должны быть на порядок сложней, чем модели катен, в них нужно учитывать все виды хозяйственной деятельности на водосборе, гидрохимическую миграцию на поверхности и в теле речного бассейна, а также в руслах водотоков (время добегания, аккумулирующую и очищающую роль русла и т.п.). Именно такие модели позволяют отследить динамику расходов воды в водотоках и влияние на них хозяйственной и обустроительной деятельности.
Для таких расчетов необходимо иметь полную информацию о ландшафтах и водосборах: многолетние данные о погодных условиях; геоморфологическую с количественными показателями пластики рельефа: горизонтальной и вертикальной расчлененности, о форме склонов; карту водотоков; геологическую и гидрогеологическую; почвенную; геоботаническую, карту земельных угодий. Совмещение такой информации, ее увязка и схематизация природных условий в настоящее время возможны с применением ГИС-технологий.
Функции водосборов предопределяют цели их обустройства:
улучшение качества речного стока его объема и расходов воды в реке, желаемого распределения стока во времени, качества речных вод, глубин воды в русле;
повышение продуктивности (полезности) земель путем их мелиорации и рекультивации для нужд конкретных землепользователей.
природоохранное обустройство водосбора, поддержание, восстановление, воссоздание экологической инфраструктуры на нем.
Различные цели преобразования водосборов неизбежно вызывают конфликты интересов, например, строительство гидроузлов и создание водохранилищ на равнинных реках и связанное с этим затопление самых плодородных пойменных земель; изменение направления использования земель – распашка или залесение, строительство,  увеличение площади мелиорируемых земель. Поэтому неизбежны оптимизация целей обустройства водосборов, и многовариантность намечаемых мероприятий.
Этапы комплексного обустройства водосборов
Рациональное сочетание угодий на водосборах. На функционирование водосборов наиболее существенно влияет трансформация земельных угодий (сведение лесов, распашка), осуществляемая человеком для решения экономических задач: увеличение запасов продовольствия, добыча полезных ископаемых, строительство. Распашка земель ухудшает структуру водного баланса почв, питание подземных вод и рек, изменяет радиационный баланс, приводит к эрозии почв, обработка полей механизмами ее уплотняет. В этом плане лесонасаждения и луга предпочтительней, но они не решают многие экономические задачи.
Нахождение оптимального сочетания угодий – сложная комплексная задача, ее решение должно основываться на количественном описании взаимосвязанных природных процессов, антропогенных воздействий  и оптимизироваться с учетом социально-экономи-ческих и природосохраняющих  показателей.
В первом приближении можно использовать такие обобщенные показатели, как коэффициент экологической устойчивости (стабильности) техноприродных или кавазиприродных систем на водосборах /В.А. Баранов, Агроэкология, 2000/ и уровень эколого-геохимической устойчивости М.А. Глазовской. Коэффициент экологической устойчивости (стабильности) определяется по формуле

,   
(1)

где  F – площадь водосбора; fi – площадь i-го угодья;   – коэффициент стабильности: для широколиственных лесов – 1,0; болот, водотоков и водоемов – 0,79; смешанных лесов – 0,63; лугов – 0,62; садов, лесных культур, лесополос – 0,43; хвойных лесов – 0,38; пашни в среднем – 0,14; урбанизированные территории (населенные пункты, промышленные зоны и т.п.) резко уменьшают экологическую стабильность водосбора, поэтому для них коэффициент стабильности принимается отрицательным и ориентировочно равным  -1 /И.П. Айдаров/;   - коэффициент, учитывающий геолого-морфологическую устойчивость рельефа, зависит от площади оврагов, крутых склонов, оползней, незакрепленных песков и т.п., он изменяется от 1 для стабильного рельефа до 0,7 – для нестабильного.
Устойчивость природных и техноприродных систем (водосборов) оценивают  по следующей шкале:

Кс

Устойчивость

≤ 0,33
0,34-0,5
0,51-0,66
0,67-1,00

очень низкая
низкая
средняя
высокая.

Наибольшей устойчивостью в России обладала лесостепная зона широколиственных лесов вместе с хорошо развитым многолетним травостоем, для нее Кс = 0,5·1 + 0,5· 0,62 = 0,81.  Распашка  60 % площади земель в этой зоне снизила устойчивость до Кс = 0,2 ·1 + 0,2 ·0,62 + 0,6 ·0,14 = 0,41, то есть устойчивость водосборов стала низкой, и это еще без учета другой нагрузки (загрязнение и т.п.).
Заметим, что в настоящее время водосборы Центрального Черноземного района распаханы на 63,2 %, мелиорированной пашни здесь только 2 % площади водосборов; лугов, сенокосов и пастбищ – 21,8 %, лесов – 12 %, водоемов – 2 %, урбанизированных и нарушенных земель – 2 %. В целом устойчивость водосборов ЦЧР в настоящее время не превышает 0,33, то есть является очень низкой, что подтверждается невысокими урожаями,  продолжающейся деградацией почв и местной речной сети. Если же довести площадь лесов до 24 %, лугов и пастбищ – до 30 %, площадь водоемов – до 2 %, сократить площадь загрязненных и других нарушенных земель до 1 %, сократить площадь пашни до 43 %, то есть в 63,2/43 = 1,47 раза и половину оставшейся пашни орошать, то устойчивость водосборов можно повысить до 0,51 или довести ее до средней. Отсюда видно, как легко можно превратить самые устойчивые водосборы России в деградирующие и насколько трудно их сделать затем приемлемо устойчивыми.
Экологическая инфраструктура. После установления оптимального сочетания угодий на водосборе необходима разработка экологической инфраструктуры, то есть совокупности природосохраняющих природных и антропогенных элементов, повышающих биотическую и абиотическую устойчивость водосбора, улучшающих качество окружающей среды. Схематично ее можно представить в виде экологического каркаса территории, состоящего из трех взаимосвязанных звеньев: биоцентров,  или природно-географических окон, биокоридоров и буферных зон. Биоцентры формируются с целью сохранения на части территории естественных биогеоценозов, их роль выполняют особо охраняемые природные территории - заповедники, заказники,  природные и национальные парки. Биокоридоры формируются вдоль линейных форм рельефа: речных долин, овражно-балочных комплексов: водоохранные зоны, полосы  отчуждения вдоль дорог, лесные полосы.  Буферные зоны располагают вокруг мест активного природопользования (карьеров, шахт, промышленных площадок, населенных пунктов), а также вокруг особо ценных  в природоохранном отношении территорий. В буферных зонах должна вестись экстенсивная хозяйственная деятельность, размещаться сенокосы, многолетние насаждения, зоны отдыха  населенных пунктов. В экологическую структуру включаются колочные  и байрачные леса, нагорные дубравы, сосновые боры, приречные уремы, кустарниково-степные останцово-водораздельные массивы, естественные луга и т.д.
Для обустройства водосборов имеет большое значение улучшение, восстановление и облагораживание местной гидрографической сети: восстановление малых рек, создание водоемов, регулирование поверхностного и подземного стока, улучшение качества поверхностных и подземных вод. Малые реки играют важную роль в функционировании ландшафтов, непосредственно влияют на условия жизни и деятельности людей.  На территории бывшего СССР малые реки составляют около 99 % общего количества рек или 92 % общей протяженности  всех рек. Именно в малых реках начинает формироваться речной сток, от состояния водосбора и первичной реки зависят количество и качество речного стока. С момента поселения людей малые реки были путями сообщения, особенно в лесистых районах,  водяные мельницы являлись важным источником энергии.
Малые реки очень ранимы, их существование слабо контролируется государственными органами. Коллективизация землепользования в СССР не только отстранила крестьян от заботы за землю, но и от сохранения природы в целом, от заботы о малых реках. Землепользование в этот период стало безнравственным. В результате многие реки засорялись человеком, стали сточными канавами, в которых сливаются неочищенные стоки малых городов и поселков, а также стоки животноводческих ферм, в Донбассе естественный меженный сток малых рек соизмерим с объемом соленых шахтных вод. Судьба малых рек особенно печальна в крупных городах, например в Москве, где протекало свыше 50-и малых рек, многие из них загрязнены и засорены.
На водосборе должен быть выполнен комплекс работ по борьбе с оврагами: прекращение их роста, закрепление дна и берегов, создание в ложе закрепленных оврагов прудов и водоемов, залесение, в том числе и в рекреационных целях, для поселения фауны. Необходимы специальные проекты обустройства водосборов с целью прекращения водной и ветровой эрозии, создание полезащитных лесополос.
Природосберегающее земледелие. Состояние водосборов зависит не только от площади сельскохозяйственных земель, но и от способов ведения сельского хозяйства, от системы земледелия, которая включает комплекс взаимосвязанных агротехнических, почвозащитных, мелиоративных, организационно-экономических мероприятий, направленных на эффективное использование земли и агроклиматических ресурсов, повышение плодородия почвы,  защиту ее от эрозии, повышение экологический стабильности водосбора в целом. С этой целью сейчас аграрии разрабатывают экологически более совершенные ландшафтно-адаптивные системы земледелия применительно к конкретным природным условиям, в них входит:
структура посевных площадей, включающая набор культур, наиболее приспособленных к местным  агроклиматическим и почвенным условиям и не требующих, по возможности, коренных преобразований природных условий, то есть необходимо соблюдение принципа сбалансированности хозяйственной деятельности с ресурсными и экологическими возможностями природных систем;
севообороты с оптимальным насыщением интенсивных и почвосберегающих культур, применение совмещенных посевов (поликультура);
почвозащитные приемы обработки почвы, обеспечивающие накопление и сбережение влаги в засушливых регионах, отвод избыточных вод из почвы – в гумидных, борьбу с эрозией; необходима минимизация обработки почвы для сохранения ее структуры, уменьшения уплотнения;
экологически безопасная система удобрений и способов их внесения, преимущественное применение органических удобрений, создание соответствующего водного режима, сокращающего вымыв элементов питания растений; на состояние водосборов и малых рек негативно влияет временное складирование удобрений на полях и смыв их, особенно в период снеготаяния;
биологизация земледелия путем отказа от химических приемов борьбы с вредителями и болезнями растений, стимулированием развития полезной микрофлоры и фауны;
адаптивная, то есть приспособленная к конкретным рельефным и почвенным условиям, к элементам экологической инфраструктуры организация территории: размеры и форма полей, их размещение на соответствующих элементах рельефа, учет по возможности экспозиции склонов и т.п. 
Хозяйственная деятельность на водосборе в сочетании с различного вида мелиорацией земель может приводить к дополнительной нежелательной нагрузке на водотоки и водоемы (реки, озера, водохранилища), вызывать их загрязнение токсичными элементами (тяжелыми металлами, нефтепродуктами, пестицидами, биогенами и мн. др.).  При обустройстве водосборов надо оценивать эти изменения. Загрязнение водных объектов может быть локальным в результате сброса недостаточно очищенных сточных вод и площадным или диффузным – в виде распределенного по площади водосбора.
Диффузное загрязнение в основном вызывается сельскохозяйственной деятельностью, главными загрязнителями при этом являются биогены (элементы питания N, P, K) и ядохимикаты. Биогены в водном объекте вызывают более интенсивное развитие отдельных водных организмов (эвтрофикация, приводящая к «цветению» воды, размножению сине-зеленых водорослей), в результате чего нарушаются сложившиеся трофические (питательные) цепи, соотношение между отдельными видами живых организмов, появляется избыток некоторых из них. Последние, разлагаясь, вторично загрязняют водный объект, при этом уменьшается количество кислорода в воде, что влияет на ее самоочищение, вызывает замор рыб и др.
Существенная роль в обустройстве водосборов принадлежит мелиорации и рекультивации земель. Для достижения необходимого эффекта следует совместное применение доступных видов и способов мелиорации и рекультивации на всех элементах водосбора, несмотря на различное их хозяйственное использование некоторыми землепользователями, то есть комплексная мелиорация и рекультивация.  Совместное применение агромелиоративных, агролесомелиоративных, культуртехнических мероприятий, водных (водосбережение, искусственное увлажнение – орошение, осушение) мелиораций, раскисления, рассоления, рассолонцевания, улучшения теплового режима почв и микроклимата, улучшение физико-механических свойств почв должно дать гораздо больший эффект, чем их разрозненное применение.
При обустройстве водосборов необходима мелиорация и рекультивация земель разного назначения – не только сельскохозяйственных, но и лесного и водного фондов, земель поселений, промышленности, рекреационных и других, строительство природоохранных сооружений. Эти мероприятия должны быть тесно увязаны между собой в рамках гидрогеохимических катен и арен, что позволяет отследить влияние мелиоративных или рекультивационных мероприятий на прилегающие земли, подземные воды и водные объекты.
Количественно оценить влияние орошения и осушения на изменение водного режима, продуктивности сельскохозяйственных культур и вымыв биогенов можно, моделируя совместное передвижение влаги и растворенных в ней веществ, такие модели достаточно хорошо разработаны и апробированы.
Мелиорация и рекультивация земель (водная, химическая, тепловая, геотехническая) должны  повышать экологическую стабильность водосбора, так как они, в первую очередь, оптимизируют тепло- и влагообеспеченность, что ведет к росту биологической продуктивности земель. Они устраняют кислотность, засоленность, осолонцованность, загрязненность почв, и, следовательно, повышают плодородие; восстанавливают нарушенный почвенный и растительный покров. Это, в свою очередь, повышает устойчивость к негативным воздействиям, самоочищаемость и самовосстановление водосборов. Но это достигается только при строго дозированных мелиоративных воздействиях, соблюдении требуемого для данной зоны показателей мелиоративного режима /А.И. Голованов, И.П. Айдаров/. На эффективность мелиораций сильно влияют применяемые технологии. Так, в орошении использование «туземных» приемов орошения (полив затоплением, по бороздам) из каналов в земляном русле ведет к сильной промываемости почв, подъему уровня грунтовых  вод на орошаемых и сопредельных площадях, вторичному засолению, развитию эрозии, растрате водных ресурсов. Естественно, что при таком орошении экологическая значимость поливных земель снижается. При современных технологиях: малоинтенсивном дождевании, капельном орошении, внутрипочвенном увлажнении их значимость существенно повышается по сравнению с неполиваемой пашней (богарой)

,    
(2)

где  - коэффициент стабильности для мелиорированной пашни;   - то же для богары;  η – коэффициент, зависящий от изменения структуры водного баланса в результате водных мелиораций, по предложению И.П. Айдарова

,       
(3)

где ,  – поверхностный сток и влагообмен между почвенными и грунтовыми водами на немелиорированных и мелиорированных землях, мм;  УП, УМП – урожайность сельскохозяйственных культур на немелиорированных и мелиорированных землях.
Например, в сухостепной зоне при выровненном рельефе и отсутствии поверхностного стока летом на богаре промываемость почвы не превышает 15-20 мм, а при поливах по бороздам большими нормами она возрастает до 80-100 мм, урожайность при этом увеличивается в 3-3,5 раза. Для средних значений имеем η = 17,5/90·3,25 = 0,63, то есть стабильность поливных земель ухудшается. Если же применить малоинтенсивное дождевание, строго соблюдать уровень предполивной влажности, промываемость почвы можно понизить до 30-40 мм и при той  же урожайности   η = 17,5/35·3,25 = 1,63, то есть получаем рост коэффициента стабильности орошаемой пашни в 1,63 раза по сравнению с богарой. Выполненные И.П. Айдаровым оценки показывают, что экологическая значимость орошаемых земель  в настоящее время в России изменяется в пределах 0,09-0,15, то есть существующие оросительные системы нуждаются в реконструкции, требуются новые технологии полива.
При нормированном осушении и поддержании в период вегетации скомпенсированного водообмена, то есть когда сумма восходящих токов влаги и нисходящих примерно равны, рост продуктивности осушенной пашни повышает коэффициент стабильности до 0,5-0,7 вместо средней для пашни 0,14. то есть в  3-5 раз.
Утилизация дренажных и сточных вод на водосборе. Поступившие в дренажный сток биогены, ядохимикаты, тяжелые металлы, входящие в состав минеральных удобрений, можно частично перехватить, повторно используя дренажные воды для орошения, то есть применяя водооборотные системы по аналогии с водооборотом на промышленных предприятиях. Оставшаяся часть загрязнений должна извлекаться из дренажных вод специальными мероприятиями и сооружениями. Биогены могут быть использованы водной растительностью в осушительных каналах. Требования очистки каналов от растительности для снижения шероховатости не всегда обоснованы, можно пойти на расширение каналов в угоду защиты природы. Помимо этого сейчас стали применяться в устье каналов биоплато (расширенный по дну канал с медленным течением и с культивируемыми в нем специальными водными растениями-очистителями) и фильтры-сорбенты в виде сменных пакетов, заполненных сорбентами для извлечения пестицидов и тяжелых металлов. По мере насыщения их сорбционной емкости они отправляются на рекуперацию.
При внесении удобрений, особенно навоза, надо выполнять требования по охране природы. Нельзя навоз на поля завозить зимой, хотя это легче сделать. При таянии снега и стоке полых вод он почти полностью смывается и очень загрязняет реки.
При наличии крупных животноводческих ферм образующиеся стоки нужно обязательно очищать перед сбросом их в водные объекты, что сейчас на селе сделать практически невозможно. Эти стоки содержат полезные  вещества: азот, фосфор, калий; в них содержатся микроэлементы: бор, медь, цинк, марганец, молибден, которые также необходимы растениям, а также кальций и магний, улучшающие свойства почв. Поэтому, уже давно эти стоки после соответствующей подготовки широко используют для удобрения почвы, добавляя их в поливную  воду. С этой целью строят  специальные оросительные системы, которые отличаются от обычных оросительных систем, прежде всего, повышенными требованиями к  санитарной безопасности, к размещению, к режиму орошения, наличием дополнительных сооружений и устройств. Такое использование сточных вод надо, прежде всего, рассматривать как природоохранное мероприятие, защищающие компоненты природы, в том числе и водные объекты, от загрязнения. Кроме природоохранного значения,  полив  сельскохозяйственных культур животноводческими стоками снижает затраты на приобретение минеральных  удобрений; доставка животноводческих стоков на поля вместе с поливной водой по сравнению с обычной технологией внесения органических удобрений экономичней из-за  уменьшения затрат на погрузку и выгрузку, на транспорт. Стоки, как удобрения, равномерней распределяются по площади и дают большую прибавку урожая.
Комплексное регулирование факторов роста и развития растений. Следует различать понятия комплексные мелиорации, то есть совместное применение всех необходимых и доступных видов и способов мелиорации на всех элементах (землях) водосбора, и комплексное или совместное регулирование факторов и условий роста и развития культивируемых растений, важность которого постоянно подчеркивал А.Н. Костяков, считая, что только при этом мелиорации дадут должный эффект.
На основании законов земледелия В.В. Шабанов сформулировал требования к комплексному регулированию факторов:
основным критерием эффективности комплексного регулирования является максимум использования растительным покровом фотосинтетически активной радиации Солнца;
все факторы должны регулироваться активно и целенаправленно;
в каждый момент роста и развития растений, в первую очередь, регулируется (приводится внутрь оптимального диапазона) значение лимитирующего фактора, находящегося в относительном минимуме;
оптимальные условия создаются, в первую очередь, в критические моменты роста и развития растений;
ошибка регулирования должна быть значительно меньше ширины оптимального диапазона саморегулирования (адаптации) растения;
оптимальные условия роста и развития должны, в первую очередь, обеспечиваться для того вида растений, который находится в наиболее угнетенном состоянии;
при разработке и функционировании систем комплексного регулирования должна учитываться стохастическая неоднородность распределения свойств почв и запасов питательных веществ в целях учета неравномерности естественного плодородия по водосбору;
комплексное регулирование должно также обеспечивать расширенное воспроизводство плодородия почв на  водосборе, а также недопущение или снижение негативных воздействий на окружающую среду, последнее требование вступает в конфликт с вышеуказанными, поэтому оптимальные значения факторов (влагозапасов, температуры почвы, запасов питательных веществ и др.) должны предварительно оптимизироваться с учетом прибыли от этого регулирования, а также с учетом материальных, энергетических, трудовых затрат на его регулирование, и затрат на компенсационные мероприятия.
Динамика запасов гумуса при мелиорации земель. Гумус образуется в процессе гумификации – сложного, до конца не изученного биохимического процесса, в результате которого часть органических остатков превращается в специфические органические соединения – гумусовое вещество в виде смеси высокомолекулярных азотосодержащих соединений с содержанием углерода 36-62 % в разных фракциях и азота 2,5-5 %. Этот процесс характеризуют коэффициентом гумификации Кгум, равном доле углерода органических остатков, включившихся в состав гумусовых веществ при полном их разложении (табл. 1).

Таблица 1
Доля  углерода и коэффициенты гумификации в растительных остатках /А.М. Лыков/

Культура

Кс

Кгум

Люцерна всех лет

0,405

0,25

Кукуруза на зерно

0,357

0,15

Кукуруза пожнивная

0,370

0,15

Сахарная свекла, картофель

0,397

0,08

Озимая пшеница

0,348

0,25

Озимый ячмень

0,350

0,25

Навоз полуперепревший

0,500

0,30

При мелиорации и последующем использовании земель в сельском хозяйстве надо рассчитывать динамику накопления или сработки запасов гумуса, особенно при распашке, орошении, или осушении, при борьбе с эрозией почвы, приводящей к смыву,  или сдуванию гумуса вместе с почвенными частицами. Изменение запасов гумуса приближенно можно описать дифференциальным уравнением:

  dG/dt=A–BG, т/(га•год);    
  G=A/B + (G0 –A/B)
exp(-Bt), 
(4)
(5)

где G – текущие запасы гумуса, т/га;  А – темпы образования нового гумуса Gнов при минерализации растительных остатков или органических удобрений Gуд, в том числе и сидератов, а также потери гумуса Вым при нисходящих токах влаги  А = Gнов + Gуд – Вым.
Новообразованный гумус можно  рассчитать по эквивалентному содержанию углерода:

Gнов = 1,724KгумКсБро, т/(га•год);
Gуд= 1,724KгумКсКсвДн, т/(га•год),  
    
(6)

где 1,724 – коэффициент, учитывающий долю углерода в гумусе 1/0,58=1,724;  Кгум – коэффициент гумификации растительных остатков или навоза (табл. 1);   Кс – доля углерода в сухой биомассе или в навозе (табл. 1);   Бро – сухая биомасса  растительных остатков, при известном урожае , кг/(га•год),

Бро= UфКсв(1–Кур)/Кур, т/(га·год),  
(7)

где  Ксв –  доля сухой массы в урожае, в навозе или в сидератах;  Дн – ежегодная доза навоза или запахиваемых сидератах, т/(га•год). Для ориентировочных расчетов можно принимать, что 1 т биомассы в среднем дает 120, а 1 т навоза – 50-70 кг нового гумуса.
Вымыв гумуса можно оценить, зная его содержание в почвенной влаге, при этом растворяется подвижная фракция гумуса в виде фульвокислот. Концентрация фульвокислот в почвенной влаге зависит от щелочности почвы или от содержания натрия в почвенном поглощающем комплексе (от степени осолонцевания):


Na в ППК, %

0

2

4

6

8

10

15

20

Растворимость гумуса Сг,кг/м3

0,35

0,42

0,55

0,62

0,70

0,85

1,22

2,15

Вымыв гумуса  

Вым =0,01gСг, т/(га•год),   
(8)

где g – ежегодная промываемость почвы,  мм. При промываемости подзолистых почв южной тайги равной 100-140 мм/год, вымыв гумуса может составить 0,35-0,49 т/(га•год). Это является одной из причин малогумусности этих почв, в которых гумуса в 1 м слое содержится около 100 т/га, тогда как в типичных черноземах – до 700 т/га.
Коэффициент В учитывает разложение или минерализацию гумуса Вмин, а также его потери Вэр при эрозии: В = Вмин + Вэр, год-1. Скорость минерализации гумуса и его потери, кг/(га•год), зависят от наличия гумуса, поэтому эта составляющая баланса гумуса в уравнении (4) имеет вид произведения BG. При постоянстве коэффициента В разложение гумуса со временем затухает.
Скорость минерализации зависит от тепло- и влагообеспеченности территории, предопределяющей интенсивность биохимических процессов. В северных районах разложение идет медленней, чем в южных, на его скорость влияет высокая влажность почвы и низкая температура. При переувлажнении разложение приостанавливается, вместо окислительных идут процессы гниения и консервации растительных остатков, наблюдается торфообразование. На юге в полупустынях и сухих субтропиках гумус почти не накапливается из-за быстрого и глубокого разложения органики, в предгорьях образуются малогумусные плодородные сероземы, очень отзывчивые на орошение. Минерализованный гумус пополняет запасы азота и фосфора в почве, но в большей степени он обогащает почвенный воздух углекислым газом, способствуя развитию микроорганизмов.
В величину В должны также входить смыв и выдувание гумуса при водной и ветровой эрозии, так как количество смытого или вынесенного ветром гумуса зависит от массы удаленной почвы и от содержания гумуса в ней, то есть  В = Вмин + Вэр.
Коэффициент Вэр связан с интенсивностью эрозии

Вэр=0,0001Wэр/(γh), 
(9)

где   Wэр – ежегодный смыв, т/(га•год);   γ – плотность почвы, т/м3;  h – мощность слоя почвы, м.
Наиболее трудно определимым является коэффициент скорости минерализации Вмин. Для его определения проинтегрируем уравнение (4) при начальном условии  t = 0; G = G0

G= A/B + (G0 –A/B)exp(-Bt).   
(10)

Действительно, при  t = 0; |G = G0, а при   G> A/B при любом начальном содержании гумуса, то есть со временем наступает равновесие между приходом новообразованного гумуса и его минерализацией, вымывом, смывом и выносом ветром. О возможности стабилизации запасов гумуса, или хотя бы его подвижной части, говорит А.А. Роде, М.М. Кононова и другие исследователи, время стабилизации исчисляют несколькими сотнями лет, основная сработка гумуса происходит в пахотном горизонте. В таблице 2 приведена оценка значения коэффициента скорости минерализации гумуса Вмин по установившимся запасам гумуса в слое 0-20 см  /по данным И.В. Тюрина/ с учетом его вымывания нисходящими токами влаги. Вынос гумуса вследствие эрозии не учтен, так как предполагается, что при первоначальном накоплении гумуса поверхность почвы защищена растительным покровом. Значения коэффициента Вмин изменяются в соответствии с условиями минерализации гумуса, для  черноземов  он  примерно  равен 0,01 год-1, севернее и южнее его значения уменьшаются. В лесной зоне подзолистых почв при значительном количестве новообразованного гумуса из-за сильной промываемости скорость накопления гумуса мала, так же как и в полупустынной зоне бурых почв из-за малого количества новообразованного гумуса.

Таблица 2
Расчет коэффициента скорости минерализации гумуса Вмин

Зона, почвы

Запасы
гумуса,
т/га

Опад,
т/(га•год)

Новый
гумус,
т/(га•год)

Промы-ваемость, мм

Вымыв
гумуса,
т/(га•год)

А,
т/(га•год)

Вмин=А/G,
год-1

Средняя тайга, подзолистые

53

5

0,60

125

0,438

0,163

0,0031

Южная тайга, дерновоподзолистые

75

8

0,96

114

0,399

0,561

0,0075

Широколиственная, серые лесные

109

12

1,44

97

0,340

1,101

0,0101

Лесостепь, выщелоченные черноземы

192

19

2,28

82

0,287

1,993

0,0104

Степь, типичные черноземы

224

15

1,80

56

0,196

1,604

0,0072

Степь, обыкновенные черноземы

137

14

1,68

45

0,158

1,523

0,0111

Сухая степь, каштановые

99

7

0,84

17

0,060

0,781

0,0079

Полупустыня, бурые

37

2

0,24

6

0,021

0,219

0,0059

Пустыня, серо-бурые

15

0,7

0,08

0

0

0,084

0,0059

Правильность формулы подтверждается столетними данными о работке гумуса черноземов.
По данным Ф.И. Левина, в настоящее время растительные остатки севооборота образовывают новый гумус в подзолистых почвах 0,4 т/(га·год); в дерново-подзолистых 0,6; в серых лесных  – 0,8; в выщелоченных черноземах – 1,0; в типичных – 1,2; в обыкновенных – 1,0; в каштановых – 0,8; в бурых – около 0,3  т/(га·год).
На рисунке 2 приведена динамика накопления гумуса обыкновенных черноземов в 0,20 см слое в естественных условиях степей. При последующей распашке поступление гумуса сократилось и его запасы стали уменьшаться.
На густо населенных и индустриально развитых территориях в настоящее время остро стоит проблема восстановления нарушенных и очистка (реабилитация) загрязненных земель. Жизнь показала, что наш университет правильно включил в сферу интересов мелиораторов и вопросы рекультивации из-за схожести решаемых задач, а также благодаря возможности использования многих хорошо отлаженных технологий для восстановления нарушенных земель и очистки загрязненных. Специалист –  «инженер по мелиорации, рекультивации и охране земель» в настоящее время более востребован на рынке труда. На кафедре мелиорации и рекультивации земель А.И. Головановым и Ф.М. Зиминым предложено понятие «рекультивационный режим» – как совокупность требований, обеспечивающих качественное восстановление земель при экологических и ресурсных ограничениях, обращается внимание на комплексность рекультивационных работ, обязательно предполагающих, помимо технического – биологический этап. На территориях с чрезвычайной экологической ситуацией и в зонах экологического бедствия кафедра предлагает создавать постоянно действующие инженерно-экологические системы, обеспечивающие первичную очистку загрязненных земель, восстановление рельефа и почвенного покрова, а затем – локализацию очагов загрязнения, эксплуатацию инженерных сооружений (скважин, дренажей, насосных станций, увлажнительных систем и пр.), обеспечивающих доочистку земель, развитие биоты, реабилитацию сельскохозяйственных земель.


Рис. 2. Накопление гумуса в обыкновенных черноземах при естественных условиях и
последующей распашке и эрозии

   Таким образом, предлагается различать комплексное обустройство территорий в рамках ландшафтов или водосборов, комплексную мелиорацию и рекультивацию земель конкретного целевого назначения и комплексное регулирование факторов и условий роста и развития возделываемых растений.


 
 
Вернуться к Оглавлению...