Глобальное потепление климата, активное проявление засух и эрозии почв, приводят к деградации территорий, разрушению почвенного покрова и загрязнению окружающей среды. Это определяет необходимость разработки новых ресурсосберегающих технологий и технических средств по рациональному использованию почвенного покрова и водных ресурсов, повышению продуктивности пашни и сохранению окружающей среды. Проблема имеет мировую значимость, так как она весьма актуальна и в других странах мира с эрозионно-опасными землями, где ведутся исследования по вопросам ресурсосбережения и защите почв с помощью полосовой и гребневой обработки почвы типа «Стрип-Тилл» и «Ридж-Тилл».
По многолетним исследованиям [1, 2] в Поволжье ежегодно, в результате эрозионных процессов теряется более 50 % зимних осадков и от 1,5 до 10 тонн почвы с гектара, что приводит к деградации почвенного покрова, проявлению засухи, и загрязнению водоемов. Процессы эрозионного разрушения почв и загрязнения окружающей среды наиболее опасны на склоновых землях, которых в Поволжье более 50 %.
В НИИСХ Юго-Востока разработаны способы основной обработки почвы (пат. РФ № 2315455, 2443093) и почвообрабатывающие орудия для их реализации (пат. РФ 2294070, 2310297, 2318303). На рис. 1 представлено орудие для мелкой гребне-кулисной обработки почвы [3, 4, 5].
Суть разработанных способов заключается в том, что на поверхности склоновых полей, при основной обработке почвы, создается противоэрозионный микрорельеф в виде чередующихся гребне-стерневых кулис с высокой водопоглощающей способностью, разделяющих склон на множество элементарных замкнутых участков, позволяющих предотвратить внутри каждого замкнутого участка появление лавинообразного стока воды и эрозии [6].
Рис. 1. Орудие ОП-3С в работе
Рис. 2. Схема гребне-стерневой кулисы (поперечный разрез): 1 – пахотный слой; 2 – верхняя часть гребне-стерневой кулисы; 3 – нижняя часть кулисы; 4 – стекающая по склону вода; 5 – мелкозем
Гребне-стерневые кулисы формируются из пожнивных остатков и почвы одновременно с отвальной или безотвальной обработкой. На рис. 2 представлена схема гребне-стерневой кулисы. Она состоит из верхней (2) и нижней (3) частей, при этом верхняя часть кулисы размещается на обработанной поверхности поля, а нижняя часть заделана в почву (борозду). В таком виде выступающая на поверхности поля верхняя часть кулис, служит препятствием для стекающей по склону воды, способствует снижению дефляции и лучшему снегозадержанию, а нижняя их часть, расположенная в борозде, обеспечивает необходимую водопроницаемость почвы и служит дополнительным препятствием для стекающей по склону воды. При этом мелкозем, как более тяжелая фракция, оседает в нижней части кулис.
Сформированные при обработке почвы гребне-стерневые кулисы располагают строго поперек склона или по горизонталям. Такое расположение кулис, на всем регулируемом участке склона фиксирует базис эрозии для нижерасположенных участков и тем самым предотвращает появление лавинообразного стока воды и эрозии.
С целью обоснования оптимального количества пожнивных остатков, необходимого для создания гребне-стерневых кулис и расстояния между ними проводилась серия лабораторно-полевых опытов. Исследования проводились на поле после уборки озимой пшеницы. Почва чернозем обыкновенный, величина уклона, составляла 4…5 °, запас воды в снеге, перед весенним снеготаянием, был равен 87…94 мм.
Рис. 3. Гребне-стерневые кулисы, созданные при обработке почвы
Рис. 4. Зависимость скорости инфильтрации воды от порозности почвы в кулисах: 1 – исходная влажность почвы W = 17,8 %; 2 – исходная влажность почвы W = 26,9 %
Общий вид обработанного участка, с созданными противоэрозионными гребне-стерневыми кулисами представлен на рис. 3.
Анализируя полученные результаты (рис. 4) видно, что скорость впитывания воды, в зависимости от концентрации стерни в кулисе (порзности почвы) изменяется по параболической зависимости. При количестве пожнивных остатков 800… 1200 грамм на погонный метр кулисы, скорость впитывания воды возрастает на 67…137 % и составляет 0,45…0,64 мм/с. С повышением исходной влажности почвы в кулисах с 17,8 до 26,9 % скорость впитывания воды снижается, но также остается выше чем у почвы без пожнивных остатков, в 1,8…2,9 раза и составляет 0,28…0,47 мм/с. Снижение скорости впитывания объясняется тем, что при повышении исходной влажности почвы в пахотном слое, происходит набухание почвы и заполнение мелких пор мелкоземом и другими включениями.
Таким образом, при высокой концентрации стерни в кулисах, скорость впитывания воды в них значительно увеличивается, за счет перемещения воды, через полости хаотично расположенных соломин и вокруг них. При этом полости пожнивных остатков, оставаясь свободными от воды, обеспечивают необходимую водопроницаемость и регулирование стока даже на мерзлой почве при высокой исходной влажности пахотного слоя.
При этом, чрезмерно большое количество стерни находящейся в кулисах, затрудняет работу почвообрабатывающих и других сельскохозяйственных машин, забивая их рабочие органы. Поэтому стерневые кулисы располагают с некоторым интервалом друг от друга, чередуя их с полосами почвы свободной от стерни. Такое размещение кулис, позволяет повысить почвозащитную эффективность основной обработки почвы, и не препятствует проведению последующих полевых работ.
Кроме того, как показали опыты пожнивные остатки, сформированные в кулисы, оказывают влияние на водопроницаемость почвы в течении 2…3 лет, до полного их разложения.
Представленные в таблице результаты лабораторно-полевых исследований показывают, что при количестве пожнивных остатков 300 грамм на погонный метр кулисы, изменение интервала между кулисами, практически не влияет на сток воды и смыв почвы. Это объясняется тем, что невысокая концентрация пожнивных остатков в кулисах незначительно изменяет их порозность.
Влияние интервала между гребне-стерневыми кулисами и массы пожнивных остатков в кулисах на сток воды и эрозионные процессы (склон южной экспозиции, уклон участка 4–5 °)
|
Масса пожнивных остатков в одном пог. метре кулисы, г. |
Сток талой воды, мм / Смыв почвы, т/га |
|||||
|
Интервал между кулисами, м |
||||||
|
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
4,0 |
|
|
300 600 900 1200 1500 |
5,6/2,0 2,6/0,8 ** ** ** |
5,4/2,2 3,7/1,3 2,1/0,6 ** ** |
5,9/2,4 3,5/1,6 2,0/0,7 2,2/0,7 ** |
6,5/2,4 4,9/2,0 3,7/1,3 2,9/0,8 ** |
6,2/2,0 6,7/2,3 4,4/1,3 3,1/1,0 2,6/0,7 |
7,7/3,1* 8,2/3,3* 5,6/2,1*3,9/1,4* 3,4/1,3 |
Примечание. *При интервалах между кулисами более 3,5 м, образуются водяные блюдца площадью более 1 м2. ** Для формирования кулис с указанными интервалами пожнивных остатков, на поверхности поля, было недостаточно.
При доведении массы пожнивных остатков в кулисах до 900…1200 грамм на погонный метр кулисы и интервалом между кулисами равным 2,0…3,0 м, величина поверхностного стока при снеготаянии, снижается на 114…157 %, а смыв почвы в 3…3,6 раза.
Увеличение интервала между кулисами более 3,5 м, в большинстве опытов, приводило к скоплению воды и образованию водяных блюдец. Это затягивало сроки проведения полевых работ в результате неравномерного созревания почвы.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
– На сокращение поверхностного стока воды и эрозионные процессы, наибольшее влияние оказывают количество пожнивных остатков в гребне-стерневых кулисах и интервал между ними.
– При формировании гребне-стерневых кулис, количество пожнивных остатков в них должно составлять 800…1200 грамм на погонный метр кулисы. Такое количество пожнивных остатков повышает порозность почвы в кулисах и увеличивает скорость впитывания воды в 1,8…2,9 раза.
– Увеличение массы пожнивных остатков в кулисах, более 1200 грамм на погонный метр кулисы, затрудняет проведение покровного боронования и предпосевной культивации, в следствии возможного забивания рабочих органов сельскохозяйственных орудий.
– Гребне-стерневые кулисы, создаваемые одновременно с обработкой почвы, должны располагаться поперек склона, с интервалом равным 1,5…3,5 м.