Питання методики кількісної оцінки ефективності протиерозійних заходів

Здатність грунтозахисних заходів запобігати ерозійному руйнуванню земель – їх протиерозійна ефективність – має виключно важливе значення при проектуванні системи заходів щодо захисту грунтів від ерозії або, розглядаючи питання більш широко, оптимізації використання ерозійно-небезпечних земель. Без обгрунтованих кількісних показників ефективності протиерозійних заходів неможливе впровадження в практику об'єктивних кількісних методів розв'язання цих проблем.

Оскільки будь-який протиерозійний захід впливає на один або кілька чинників ерозійного процесу, можлива оцінка протиерозійної ефективності грунтозахисних заходів на основі численних експериментів з моделлю ерозійного процесу, що враховує всі основні чинники наносоутворення, транспортування і відкладення наносів. Принципи такої оцінки обговорювалися ще наприкінці 70-х років минулого століття (Швебс, Светличный, 1979). У подальшому були зроблені досить успішні спроби проведення оцінки окремих протиерозійних прийомів з використанням методу імітаційного моделювання (Світличний, 1995; Сухановский, 2000).

Проте широке застосування цього методу до цього часу стримується відсутністю надійних динамічних моделей ерозійно-акумулятивного процесу відповідної детальності. Тому сьогодні практично єдиним методом оцінки ефективності протиерозійних прийомів і їх поєднань (комплексів) є польовий дослід.

Саме на основі багаторічних польових дослідів, проведених за єдиною програмою і методикою на стоково-ерозійних стаціонарах США (більш ніж на 8000 ділянках у 36 районах у 21 штаті), одержані великі статистичні дані, що дозволили ерозіознавцям цієї країні провести детальну оцінку протиерозійної ефективності різних грунтозахисних прийомів і їх сполучень.

У колишньому Радянському Союзі, не зважаючи на велику кількість досліджень з експериментальної перевірки окремих протиерозійних заходів і їх комплексів, проведених різними установами та організаціями, так і не була розроблена єдина методика постановки польових дослідів і подання одержаних результатів, яка дозволяла б об'єктивно їх інтерпретувати. Протиерозійна ефективність того чи іншого прийому на практиці оцінювалася за одним або декількома суб'єктивно вибраними показниками: за величиною стоку води, його каламутності, змиву грунту, запасів грунтової вологи, винесення з грунту живильних речовин, врожайності сільськогосподарських культур та ін.

Найбільш часто як показник протиерозійної ефективності грунтозахисних прийомів і їх комплексів використовувалася врожайність сільськогосподарських культур. Мабуть, це пов'язано з тим, що врожайність є основним критерієм стандартних польових дослідів у землеробстві і завжди визначається при їх проведенні для всіх варіантів і контролю. Проте вважати зміну врожайності на варіанті досліду з протиерозійним заходом порівняно з контролем як прямий показник протиерозійної ефективності прийомів захисту грунтів від ерозії принципово неправильно. Дійсно, при змиві грунту навіть у розмірі 10 т/га на рік («дуже сильний» змив за М.М. Заславським (1983)), загальні втрати грунту за чотири-п'ять років, протягом яких, як правило, проводиться польова перевірка протиерозійного прийому, становитимуть близько 5 мм. Таке зменшення потужності гумусного горизонту в більшості випадків не може чинити помітного впливу на родючість грунту. Тобто відмінність у врожайності на оцінюваному варіанті і контрольному, обумовлена саме ерозійними процесами протягом періоду польових досліджень (2-4 і навіть 7-10 років), знаходиться в межах помилки польового досліду. Приріст врожайності, що знаходиться різними авторами при проведенні тих чи інших протиерозійних заходів, є, як правило, проявом їх непрямого впливу – внаслідок збільшення запасів грунтової вологи, поліпшення водно-фізичних властивостей та ін.

Теоретичні дослідження проблеми кількісної оцінки ефективності протиерозійних заходів (Швебс, 1981; Швебс, Светличный, 1981; Герасименко, 1983; Светличный, Швебс, 1984 та ін.) показали, що найбільш інформативним показником протиерозійної ефективності грунтозахисних заходів є відношення величини змиву грунту на варіанті досліду з оцінюваним заходом до змиву грунту на контролі:

Показник К_е фактично є коефіцієнтом зменшення протиерозійним заходом змиву грунту і теоретично змінюється від 1,0 (зниження немає і протиерозійна ефективність дорівнює 0) до 0 – ерозія грунту повністю попереджена і протиерозійна ефективність прийому є абсолютною.

Така форма критерію протиерозійної ефективності зручна ще тим, що у випадку, коли контроль польового досліду обраний методично правильно, тобто відмінність від контролю умов проведення досліду на оцінюваному варіанті пов'язана тільки з протиерозійним прийомом, виключається вплив на нього інших факторів схилового ерозійного процесу, насамперед, таких, як довжина та ухил схилу, а також протиерозійної стійкості грунту. При цьому застосування інших показників, зокрема, врожайності сільськогосподарських культур, вологості грунту тощо в цілому бажано, але тільки як додаткових до критерію (6.1).

Безперечною є також теза про те, що вплив окремого протиерозійного прийому значною мірою залежить (за інших рівних умов) від інтенсивності розвитку ерозійного процесу, тобто від забезпеченості року ерозійно-небезпечними опадами. Дійсно, практично будь-який протиерозійний прийом досить «ефективно» зменшує змив грунту від малоінтенсивного дощу або від млявого сніготанення при невеликих запасах снігу. Однак цей навіть неодноразово зафіксований у процесі польових дослідів факт жодним чином не може бути гарантією того, що даний прийом здатний запобігти ерозійним втратам грунту в процесі випадання зливи рідкої повторюваності або інтенсивного сніготанення при великих запасах снігу і зниженій вбираючій здатності грунту.

У зв'язку з цим оцінка ефективності того чи іншого протиерозійного прийому або їх поєднання не може зводитися до розрахунку величини критерію К_е за даними 1-5-річних польових досліджень. Для одержання обгрунтованих середньобагаторічних (або заданої забезпеченості) значень показника протиерозійної ефективності певного заходу необхідна побудова кривих забезпеченості коефіцієнта К_е за даними багаторічних польових досліджень. З огляду на надзвичайно високу мінливість і асиметричність розподілу річних значень модуля змиву грунту період польових дослідів щодо вивчення протиерозійної ефективності певного прийому має бути досить великим. Навіть протягом 10-15 років може не спостерігатися на контролі значного змиву грунту, який би дозволяв оцінити реальну ефективність протиерозійного прийому.

З метою одержання статистично значущих оцінок показника протиерозійної ефективності К запропонований метод об'єднання даних, отриманих у межах регіонів з однорідними умовами формування водної ерозії у єдині просторово-часові статистичні ряди (Светличный, Швебс, 1984). В основі методу лежить гіпотеза про ергодичність рядів К_е, отриманих за даними польових досліджень протиерозійних заходів, тобто припущення про те, що всі вони статистично незалежні і належать одній генеральній сукупності, а отже, мають однакові середні значення і дисперсії.

Статистична однорідність критерію К_е за кліматичними умовами формування змиву грунту повинна визначатися його відносною структурою. Проте при об'єднанні значень К_е, отриманих за даними різних польових дослідів, у єдиний просторово-часовий ряд повинна бути дотримана така умова об'єднання, як однотипність формування ерозійного процесу. Тобто не можуть бути об'єднані в один ряд дані щодо ефективності протиерозійних заходів, які були отримані в районах, де основний змив грунту формується талими водами, з даними, що були отримані в районах, де переважає зливова ерозія. Ця умова обмежує розміри території, для якої можливе об'єднання даних польових дослідів з метою вивчення протиерозійних заходів, що, у свою чергу, може зумовити порушення умов незалежності рядів, що об'єднуються. Однак аналіз багаторічних рядів гідрометеорологічного фактора зливового змиву та поверхневого змиву грунту при сніготаненні для Степу та Лісостепу України показав, що остання небезпека є малоймовірною і ряди річних сум гідрометеорологічного фактора змиву, розраховані навіть для близько розташованих метеорологічних станцій, є статистично незалежними.

Неоднорідність грунтово-геоморфологічних умов ділянок спостережень може бути усунута шляхом приведення наявних різнорідних даних до деяких стандартних умов за допомогою математичних моделей змиву грунту, які адекватно відбивають вплив відповідних факторів на процес грунтової ерозії.

Оскільки навіть об'єднані ряди наявних даних щодо ефективності окремих протиерозійних заходів, як показав досвід, у кращих випадках нараховують 15-20 членів, формування на їхній основі варіаційних рядів шляхом простого ранжування є недоцільним. Необхідне визначення забезпеченості кожного члена ряду незалежним образом. Оптимальним є використання значень гідрометеорологічного фактора змиву, розрахованих за даними метеорологічних станцій, максимально близько розташованих до місця проведення польових досліджень. У випадку відсутності можливості розрахунку гідрометеорологічного фактора забезпеченість періоду польових дослідів може бути оцінена за забезпеченістю сезонного стоку малих річок. Однак точність такої оцінки буде нижчою.