Лесомелиорация территории, подверженной водной эрозии

Использование лесных насаждений для защиты почвы от водной эрозии основано на их почвозащитных свойствах поглощать поверхностный сток воды и уменьшать скорость ветра. Для правильного понимания и обоснования приемов противоэрозионного использования леса необходимо иметь представление о его почвозащитных свойствах.

В лесу поверхностный сток воды практически отсутствует (коэффициент стока около 0,02), поэтому там нет и эрозии почвы. Почвозащитные свойства леса обусловлены: 1) наличием рыхлого слоя (3-5 см) лесной подстилки, 2) повышенной водопроницаемостью почвы под лесом, 3) особенностью микроклимата леса. Рассмотрим влияние этих факторов на поверхностный сток воды.

Лесная подстилка при объемном весе 0,1-0,2 г/см3 обладает влагоемкостью 500-700% ее веса, поэтому она способна быстро задерживать большое количество воды, отдавая ее затем постепенно почве. Особенно важно то, что при насыщении водой подстилка не теряет водопроницаемости и дождевые и талые воды свободно фильтруются сквозь нее. Подстилка предохраняет комочки почвы от разрушения дождевыми каплями, поэтому почвенные поры во время дождя не заиливаются и вода беспрепятственно впитывается почвой. В случае притока воды в лес с поля вода, фильтруясь сквозь подстилку, очищается от взвешенных глинистых частиц и не заиливает поры почвы, сохраняя ее водопроницаемость.

Водопроницаемость характеризуется скоростью впитывания почвой слоя воды и зависит от скважности и влагоемкости почвы. Под лесом почва обладает повышенной скважностью вследствие наличия ходов землероев (черви, грызуны и пр.) и сгнивших корней, а также рыхлящего действия корневых систем древесных растений. Влагоемкость почвы под лесом обычно меньше, чем в поле. Вследствие этих причин почва под лесом имеет повышенную водопроницаемость по сравнению с почвами других угодий, она способна быстро поглощать воду. Поэтому в лесу не образуется поверхностный сток воды и нет эрозии почвы. В таблице 30 приведены данные исследований, подтверждающие эти выводы.

Микроклиматы леса и поля значительно различаются, что отражается на термическом режиме почвы. Поверхность почвы в лесу утеплена слоем лесной подстилки и рыхлым слоем снега, поэтому она промерзает на меньшую глубину, чем в поле, и быстрее оттаивает весной. Эта особенность оказывает решающее влияние на водопроницаемость почв.

Ранней весной замерзшая почва на поле не может впитывать талую воду, так как ее поры заполнены льдом и вода в большом количестве стекает с полей, создавая высокий подъем воды в реках. В лесу и на его опушках под сугробами снега почва к началу снеготаяния оттаивает и хорошо впитывает талую воду, которая проникает глубоко в грунт и пополняет подземные воды. Весенний поверхностный сток в лесу практически отсутствует. Поэтому наличие леса на водосборах рек уменьшает весенние половодья. На рисунке 35 видно, что с увеличением лесистости водосборной площади с 5 до 65% объем весеннего стока (в процентах от годового) снижается с 70 до 40.

Весеннее половодье в реках зависит в основном от поступления в них талой воды, стекающей с поверхности водосбора. Поэтому уменьшение объема весеннего стока в реках с увеличением лесистости их водосборов объясняется водорегулирующей способностью леса. В действительности влияние леса на уменьшение поверхностного стока воды даже больше, чем показано на рисунке 35, потому что в реку поступает вода не только с поверхности водосбора, но и вследствие притока подземных (грунтовых) вод. Грунтовое питание рек весной усиливается за счет так называемой верховодки, т. е. грунтовой воды из верхних горизонтов. Верховодка образуется весной под лесом при обильном поглощении талых вод. Поэтому оценка водорегулирующей роли леса по учету величины половодья в реках получается несколько заниженной, поскольку уменьшение весеннего поверхностного стока в лесу возмещается сильным увеличением грунтового стока.

Свойством водорегулирования обладает не только естественный лес, но и искусственно созданные лесные насаждения. На рисунке 36 показана зависимость коэффициента весеннего поверхностного стока воды от облесенности водосборов балок лесными полосами. С увеличением лесистости от 0 до 18% коэффициент поверхностного стока умень­шается с 0,6 до 0,1, т. е. в 6 раз. Интересно, что водорегулирующая роль лесных полос оказалась значительно больше, чем лесных массивов. Объясняется это тем, что в лесных полосах поглощается вода не только от накопленного в них снега, но и притекающая к ним с находящихся выше полей. Кроме поглощения воды, лесные полосы оказывают еще и косвенное влияние на уменьшение стока воды с прилегающих полей посредством изменения микроклимата. Под влиянием лесных полос снег полностью задерживается на полях и более равномерно распределяется по площади, поэтому почва меньше промерзает, быстрее оттаивает весной и больше поглощает талой воды

.

Подобно лесным полосам такое же влияние на прилегающие поля оказывает и лес, растущий по берегам балок. Так, по наблюдению Г. А. Харитонова (1950), в Орловской области коэффициент весеннего стока воды с поля на водосборе безлесной балки был равен 0,48, а с поля у балочного леса — 0,05. Сходные результаты получены и другими исследователями.

Итак, естественные и искусственные леса в виде лесных полос спо­собны уменьшать поверхностный сток воды. Это дает основание использовать лесные полосы для защиты почвы от водной эрозии, поскольку с уменьшением поверхностного стока прекращается и водная эрозия почвы. Такие лесные полосы называют водорегулирующими.

Эффективное использование лесных полос для регулирования поверхностного стока воды возможно лишь при соблюдении ряда условий. При проектировании необходимо правильно разместить лесные полосы по отношению направления стока воды, определить максимально возможное расстояние между ними и минимально допустимую ширину лесной полосы.

На землях, подверженных водной эрозии, лесные полосы надо размещать поперек направления линий стока, чтобы рассеянные струи воды входили в лесное насаждение под прямым углом и не могли стекать вдоль опушки (рис. 38). Если лесные полосы будут размещены под острым углом к линии стока, то рассеянные струи воды при малейшем препятствии на опушке насаждения изменят направление и потекут вдоль опушки. В результате произойдет концентрация небольших струй в большой поток воды, что вызовет линейную эрозию почвы вдоль лесной полосы. Препятствием для входа воды в лесное насаждение обычно является напашь, которая в виде небольшого валика земли образуется при пахоте с отвалом пласта земли вниз по склону. Для нормальной работы лесной полосы необходимо систематически распахивать и разравнивать напашь в верхней (по отношению к склону) части опушки насаждения.

На сложных склонах, пересекаемых ложбинами, кроме основного уклона, от линии водораздела к бровке балки имеются боковые уклоны к ложбинам. Лесные полосы, размещенные поперек основного склона, пересекут ложбины и на отдельных участках будут иметь продольные уклоны. Вдоль опушек таких участков вода стекает в ложбины, а по ним в виде концентрированного потока входит в лесную полосу. При этом большая часть воды не сможет впитаться в лесном насаждении и пройдет сквозь полосу, так как лес способен поглощать только рассеянный сток воды. В таких случаях для усиления водорегулирующей роли лесных полос рекомендуется устраивать простейшие земляные сооружения: валики-распылители на верхних опушках для направле­ния стока воды в насаждение и водозадерживающие валы и канавы по верхней и нижней опушкам в местах пересечения лесными полосами ложбин. Опытная проверка этих рекомендаций, проведенная Г. П. Сурмачем в Волгоградской области, показала их высокую эффективность. На обвалованных участках лесных полос, на склоне до 3°, было задержано и поглощено 1100-1200 мм талой воды, а без валов — 150-200 мм.

Значение водорегулирующей лесной полосы состоит в поглощении основной массы поверхностной воды, стекающей с вышележащего поля, и недопущение смыва почвы на участках поля не только ниже, но и выше лесной полосы. Поскольку масса стекающей воды увеличивается по мере движения вниз и тем быстрее, чем больше уклон поверхности, то склон нужно разделить лесными полосами на участки такой ширины, чтобы масса воды, стекающая по их поверхности, не могла достигнуть критической величины, вызывающей смыв почвы. Теоретически рассчитать оптимальные расстояния между леснымиполосами пока нельзя, так как нужно учесть слишком много переменных величин: крутизну склона, противоэрозионную стойкость почв, характер стока воды и пр. Ответ на этот вопрос обычно дает проверка на опытных участках.

В настоящее время рекомендуются следующие наибольшие расстояния между водорегулирующими лесными полосами: а) на склонах крутизной менее 4° (уклон 0,070) — на серых лесных почвах и оподзоленных черноземах степи до 350 м, на выщелоченных, обыкновенных и южных черноземах до 400 м, на каштановых почвах до 300 м; б) на склонах крутизной более 4° расстояние уменьшается до 200 м.

С учетом этих рекомендаций при размещении лесных полос на территории необходимо стремиться совместить их с различными естественными рубежами: линиями перегиба склона от меньшей к большей крутизне, бровками балки и оврага.

Лесные полосы, размещенные вдоль лощины или балки, называют прибалочными. Они выполняют те же функции, что и водорегулирующие, расположенные выше их на пахотных склонах. Прибалочные лесные полосы закладывают вдоль крутых берегов по границе пашни, отступя от бровки на 3-5 м, а вдоль пологих берегов, где бровка ясно не выражена, ниже границы пашни по берегу балки для большей экономии площади пашни (рис. 39). Такое размещение не будет снижать мелиоративного влияния лесной полосы. Как показали наблюдения, лес, расположенный по берегам балки, оказывает положительное влияние не только на поглощение стока воды, но и на микроклимат вышележащего склона.

Для поглощения стока воды большое значение имеет ширина лесной полосы. Чем она шире, тем полнее будет поглощать воду, притекающую с расположенного выше поля и тем надежнее будут защищены от эрозии поля, находящиеся по склону ниже лесной полосы. Однако при большой ширине лесные полосы займут много пахотной земли. Поэтому очень важно установить минимально необходимую ширину лесных полос, достаточную для полного поглощения стока воды. В этом направлении ведутся исследования в разных почвенно-климатических, зонах. Для примера приведем результаты исследований на стоковых площадках в опытном хозяйстве Научно-исследовательского института сельского хозяйства центрально-черноземной полосы им. В. В. Докучаева. Стоковые площадки расположены на пахотном прибалочном склоне в направлении от водораздела до взрослой лесной полосы, вдоль берега балки. Площадки оканчиваются в лесной полосе и проникают в нее на разное расстояние: 0, 10, 20, 30 и 45 м. В концах площадок установлены водосливы для учета стекающей воды. Таким образом, в сравнимых условиях можно учитывать водопоглощение в лесных полосах разной ширины. В таблице 31 приведены результаты таких, исследований за 1948-1958 гг. (рис. 37).

Из данных таблицы 31 видно, что коэффициент стока резко снижается по мере увеличения ширины лесной полосы. В полосе шириной 20-30 м остается непоглощенной лишь 15-8% (т. е. коэффициент стока 0,15-0,08) общего объема талой воды, что не может оказать существенного влияния на развитие эрозии почвы. Аналогичные результаты получены А. А. Молчановым, Б. И. Логгиновым и др. Эти данные могут служить основанием для установления минимально необходимой шири­ны лесных полос, предназначенных для поглощения и регулирования стока воды.

Для теоретических расчетов ширины лесной полосы требуется учитывать крутизну и длину склона, водопроницаемость почв, изменчивость стока воды. Величина и интенсивность стока воды меняются по годам и зависят как от длины и крутизны склона, так и от погодных условий. Повторяемость какой-либо величины стока воды по годам, выраженную в процентах, принято называть обеспеченностью стока. Например: 10%-ная обеспеченность означает, что такой сток может наблюдаться один раз в 10 лет, а в остальные 9 лет величины стока будут меньше; 50%-ная обеспеченность означает, что принятая величина стока в пяти случаях из десяти будет больше, а в пяти — меньше фактической. Чем больше величина стока, тем реже она повторяется, например величина стока 10%-ной обеспеченности будет значительно больше величины 50%-ной обеспеченности, и для поглощения такого стока потребуется большая ширина лесной полосы.

Для расчета ширины лесных полос предложен ряд формул. В ка­честве примера приведем формулу И. П. Сухарева (1968):

где Вр — ширина водорегулирующей лесной полосы, в м;

К — коэффициент, учитывающий регулируемую обеспеченность стока и водопроницаемость почв. Для центрально-черноземной полосы при задержании стока 20, 30, 50 и 70%-ной обеспеченности значение коэффициента соответственно равно: 0,42; 0,38; 0,27; 0,18 (эти величины получены опытным путем);

i — средний уклон полевого склона выше лесной полосы;

l — длина полевого склона (в м).

Приведем расчет для длины склона 400 м при среднем уклоне 4° (т. е. 0,070) и 50%-ной обеспеченности максимального стока:

В качестве общей придержки при проектировании принимают ширину водорегулирующих лесных полос равной 15-20 м, а прибалочных — 20-30 м. В последнем случае большую ширину выбирают, если берега изрыты промоинами или по дну образовался овраг, что указывает на большое количество воды, стекающей в балку.

Кроме уменьшения поверхностного стока воды, водорегулирующие и прибалочные лесные полосы, как и полезащитные, защищают поля от суховеев и черных бурь и улучшают микроклимат.

Лесные полосы регулируют сток воды на площади водосбора гидрографической сети. При этом не весь сток поглощается в лесных полосах. Часть его достигает и концентрируется в гидрографической сети. Для задержания этого, так называемого

остаточного стока по лощинам и балкам устраивают пруды, имеющие большое значение не только как регуляторы стока, но и как источники водоснабжения. Для защиты прудов от заиления твердым стоком и большого испарения воды вокруг них создают лесные полосы типа прибалочных (рис. 40).

Прибалочные полосы размещают вдоль кромки воды с оставлением промежуточной зоны залужения шириной 20-40 м. Для прохода скота к местам водопоя в лесной полосе делают разрывы шириной 20-30 м. По ложбинам, впадающим в пруд, создают илофильтры в виде густой посадки кустарниковых ив по дну и берегам на расстоянии до 100 м вверх от впадения ложбины в пруд. Илофильтры задерживают (кольматируют) твердый сток и предохраняют пруд от заиления.

По кромкам гребня плотины садят ряды тополя или ветлы (ивы белой). По мокрому откосу (между весенним и летним уровнем зеркала воды) высаживают кустарниковые ивы (корзиночную, серую, козью и др.) для защиты откоса от волнобоя. При необходимости также обсаживают и берега пруда. Сухой откос плотины засаживают более засухоустойчивыми кустарниками — вишней, смородиной золотистой и др. Ниже плотины по дну балки сажают тополя, древовидные ивы, ольху черную.

Водорегулирующие и прибалочные лесные полосы являются важным звеном в системе лесомелиоративных насаждений. При правильном их размещении значительно сокращается поверхностный сток воды, прекращается плоскостная эрозия и рост оврагов по дну гидрографической сети.