Бонітет. Оптимізація використання ерозійно-небезпечних земель на основі моделі раціонального використання поновлюваних ресурсів

Усі природні ресурси умовно поділяються на ті, що можуть поновлюватися, таті, що не поновлюються. Останні, як правило, утворилися у віддалену геологічну епоху і не можуть бути створені знову в доступний для огляду історичний період. Поновлювані ресурси (грунт, деревина, тварини, прісна чиста вода тощо) формувалися не тільки в минулі геологічні епохи, але й продовжують утворюватися і сьогодні. У сучасний період відтворення більшості ресурсів цього класу стало умовним, а іноді – без керування цим процесом з боку людини – просто неможливим.

Формалізацію будь-якого природного ресурсу залежно від поставленої мети можна провести по-різному. Наприклад, можна виразити його через бонітет (Б). Ця величина визначається двома основними інтегральними показниками: Р – характеристикою ресурсу як фізичного тіла (розмір, маса тощо) і П_с – показником його ресурсоформуючих властивостей.

Для облікового простору F в цілому

 (7.1)

де Р_і – величина ресурсно-однорідного обсягу (для грунту – шар з показником властивостей П_сі),
а Р та П_с – загальний обсяг і середнє значення показника властивостей розглянутого ресурсу в обліковому просторі (Швебс, 1981).

Важлива здатність поновлюваних природних ресурсів – мінливість у часі їхніх розмірів і властивостей. У процесі розвитку може змінюватися кількість Р та якість П_с ресурсу або один з цих показників.

Зміна поновлюваного ресурсу в часі як результат зміни його властивостей у загальному вигляді можна виразити залежністю:

 (7.2)

При цьому зміни Б за час від t₁ до t₂ (ΔБ_t) будуть виглядати як

 (7.3)

Змістовне тлумачення формули (7.3) таке: ресурсоформуючий процес – це зміна в часі розмірів ресурсу dP/dτ із властивостями П_с та специфічних його властивостей dП_с/dτ (наприклад, для грунтових – родючості) розміром P.

Замінивши у формулі (7.3) інтегрування підсумовуванням по розрахункових інтервалах часу спростимо її до вигляду

 (7.4)

де ΔП_с – зміна показника властивостей ресурсу,
а ΔР – його розміру (за розрахунковий інтервал часу Δt).

Стосовно кількісного показника грунтових ресурсів зазначимо, що грунт у визначених природних умовах, досягнувши клімаксного стану, як правило, не збільшує потужності гумусового горизонту. У той же час, якщо відбулося його скорочення, наприклад унаслідок ерозії, то процес створення гумусового горизонту інтенсифікується знову. Отже, у визначений період грунтові ресурси на ерозійно-небезпечних територіях можна витрачати з інтенсивністю, що трохи перевищує ймовірну інтенсивність їхнього поновлення. Але відмінність між цими процесами, тобто між витратою і відтворенням, повинна мати в часі згасаючий характер, що забезпечить у перспективі можливість збереження якоїсь оптимальної величини ресурсу. Останньою є така «кількість» грунтового ресурсу, використання якою не приводить до видимого зниження продуктивності грунтів.

Можна уявити і протилежний випадок, коли вихідні запаси грунтового ресурсу (розмір або якість) недостатні для використання. У цих умовах перед використанням ресурсу або в процесі його використання проводиться поліпшення ресурсу – збагачення, або меліорація грунту. У цьому випадку поліпшення (збагачення) ресурсу слід спрямувати до деякої оптимальної величини, обумовленої економічними показниками. З урахуванням безперервного та практично безмежного в часі використання розглянутого ресурсу сума значень вихідної оцінки ресурсу Б_вих і її зміна в часі (при витраті, збагаченні або одночасно і першого, і другого) Б_t повинна бути близькою до оптимальної величини Б_опт.

Записуючи Б_вих через (7.1), a ΔБ_t через (7.3), можна одержати модель раціонального використання природного ресурсу в загальному вигляді (Швебс, 1981):

 (7.5)

Зобразимо тепер нашу задачу графічно. Для цього на осі ординат відкладемо значення ресурсу П_сР, а на осі абсцис – час t і уявимо собі можливу зміну П_сР в часі (рис. 7.1). У верхній частині рисунка (а) ця зміна показана для першого випадку, коли Б_вих > Б_опт і певний час ресурс можна витрачати зі швидкістю, що трохи перевищує поновлення. У нижній частині (б) інший випадок, коли раціональне використання ресурсу пов'язане з його збільшенням (нарощуванням).

Рис. 7.1. Схема доцільно припустимих змін П_сР у часі

Як у першому, так і в другому випадках криві починаються від значення (П_сР)_вцх а в процесі зміни асимптотично наближаються до (П_сР)_опт. Слід мати на увазі, що (П_сР)_опт для першого і другого випадків можуть не збігатися, набуваючи значення (П_сР)′_опт – для випадку можливого виснаження ресурсу і (П_сР)″_onm – його нарощування. Такі залежності можна описувати рівнянням

 (7.6)

де е – основа натурального логарифма,
b – параметр.

Далі слід знайти різницю між поточною і вихідною характеристиками ресурсу, що з урахуванням (7.6) можна записати як

 (7.7)

Величина Δ(П_сР) = ΔБ, а тому наведене рівняння з урахуванням (7.3) можна записати у вигляді

 (7.8)

У рівнянні (7.8) (П_сР)_опт – де оптимальне значення прийнятої форми оцінки ресурсу, при якій використання його в даний період і в перспективі відповідає науково обгрунтованому уявленню про оптимально припустиму величину П_сР. Параметр b розкриває характер залежності П_сP = f(t), тобто інтенсивність зміни П_сР в різні періоди використання ресурсу. Величина b також може змінюватися згодом, однак мотивами цієї зміни, скоріше, будуть економічні, а можуть бути соціальні або навіть політичні аспекти. З урахуванням викладеного параметр b названий декретним.

Таким чином, ліва частина рівняння (7.8) демонструє фактичну, а права – припустиму зміну ресурсу. Оптимізація використання конкретного ресурсу полягає в досягненні певного співвідношення цих двох значень – фактичної і допустимої зміни. Найчастіше фактична зміна не відповідає допустимому розрахунковому зміненню ресурсу, а це служить показником нераціонального його використання. У такому випадку повинні проводитися зміни в лівий частині рівняння (7.8) таким чином, щоб вона не перебільшувала праву. Для досягнення цієї мети, очевидно, необхідно змінювати методи або інтенсивність використання ресурсу. Інший шлях – зміна інтенсивності відновлення ресурсу (Р або П_с, або того й іншого разом).

Кожну зі складових лівої частини рівняння (7.8) можна представити певним набором показників, що характеризують зміну ресурсу як фізичного тіла (ΔР) або його ресурсоформуючих властивостей (ΔП_с). Стосовно грунтових ресурсів в умовах прояву ерозії грунтів рівняння (7.8) після розкриття основних складових записується (Швебс, 1981) в такому вигляді:

 (7.9)

де Н_Г – потужність гумусового горизонту (характеристика ресурсу як фізичного тіла);
П_с – характеристика грунтової родючості (ресурсоформуючих властивостей);
П_с(0-10) – показник властивостей грунту верхнього шару, який підлягає ерозії;
ΔП_с і ΔН_Г – зміни П_с і Н_Г за один рік, причому ΔП_с(е) і ΔН_Г(е) – зміни П_с і Н_Г, які обумовлені ерозією, а ΔП_с(П) і ΔН_Г(П) – природними грунтоутворюючими процесами.

Крім того, ΔП_с може змінюватися в результаті внесення добрив ΔП_с(д) та інших прийомів меліорації грунтів ΔП_с(М).

Ліва частина рівняння (7.9) представляє фактичні (або проектні) зміни грунтових ресурсів у часі, права – так звані доцільно припустимі – Δ(Н_Г П_с)_{t(д.прип.)}.

Залежно від співвідношення між фактичними (вихідними) і оптимальними грунтовими ресурсами можливі три сценарії їх раціонального використання – регульованого витрачання, простого відтворювання і розширеного відтворювання відповідно:

 (7.10)

 (7.11)

і  (7.12)

Практична реалізація моделі (7.9) для цих трьох сценаріїв потребує вирішення низки проблемних питань, з яких перша – ідентифікація показника грунтової родючості П_с.

Визначення повного переліку грунтових властивостей, які визначають родючість, пов'язане з подоланням низки труднощів. По-перше, для кожної сільськогосподарської культури об'єктивно повинен існувати свій перелік таких властивостей, що адекватно відповідають на біологічні особливості конкретної сільськогосподарської культури, по-друге, цей перелік буде мати різну просторову репрезентативність у межах одного типу грунтоутворення (Полупан та ін., 2001).

У той же час природний потенціал грунту (без застосування додаткових ресурсів у вигляді добрив та меліорантів) усе-таки може бути оцінений за допомогою кінцевого переліку параметрів родючості. Тому, наприклад, для незрошуваних умов при степовому (дерновому) типі грунтоутворення різні дослідники виділяють від 2 до 9 значущих показників, що так чи інакше характеризуют родючість грунтів (Гаврилюк, 1974; Тюменцев, 1975; Лисецкий, 2000; Полупан та ін., 2001). З огляду на певні труднощі при аналізі великої кількості показників, а також виходячи з канонів генетичного грунтознавства, яке вважає, що родючість грунтів тісно пов'язана з умовами формування грунтів, можна звузити такий перелік до якогось мінімуму. Традиційно при визначенні бонітету грунтів пріоритетне значення має вміст (запаси) гумусу, запаси азоту та інших поживних речовин, ємність катіонного обміну тощо. У той же час різні дослідники наводять високі коефіцієнти кореляції між вмістом (запасом) гумусу та урожайністю сільськогосподарських культур. Це стосується й України, де для грунтів степового (дернового) типу грунтоутворення коефіцієнт кореляції між вмістом гумусу і багаторічною врожайністю в стаціонарних польових дослідах у варіантах без добрив становить 0,90-0,95 для культур з тривалим вегетаційним періодом (соняшник, цукровий буряк, кукурудза на зерно) і 0,75-0,85 для культур з більш коротким вегетаційним періодом (озима пшениця, горох, ячмінь) (Полупан та ін., 2001). Таким чином, у рамках проблеми, що розглядається, вміст (запаси) гумусу може бути в першому наближенні єдиним показником в оцінці бонітету степових і лісостепових грунтів, що зазнають ерозії.

Отже, значення величини грунтових ресурсів ерозійно-небезпечних земель має включати такі параметри:

1. потужність родючого шару грунту, яка забезпечує за інших рівних умов певні рівні врожаїв для різних груп сільськогосподарських культур з різним типом кореневої системи;
2. вміст гумусу, що забезпечує сприятливі поживні фізичні, фізико-хімічні, водні та фітосанітарні властивості грунтів.

Такий підхід до формалізації грунтових ресурсів дозволив на основі моделі (7.9) одержати (Швебс, 1981; Каштанов и др., 1994; Светличный и др., 2004) розрахункові формули для кожного з трьох зазначених вище сценаріїв раціонального використання ерозійно-небезпечних земель, які в сукупності можна розглядати як основу оптимізації використання грунтових ресурсів ерозійно-небезпечних територій.

Перший сценарій регульованої витрати грунтових ресурсів реалізується в тому випадку, коли вихідні запаси грунтового ресурсу перевищують оптимальні ((П_сР)′_опт).

Перевищення вихідних запасів грунтового ресурсу над оптимальними дозволяє протягом контрольованого періоду часу допускати незбалансованість між грунтоутворенням і результатами прояву ерозійних процесів. Щорічні припустимі втрати ресурсів грунтової родючості (втрати запасів гумусу) у грунті можуть бути розраховані за формулою:

 (7.13)

де Δ(НГ)_(прип) – щорічні середні за інтервал часу (t₂ - t₁), роки, припустимі зміни грунтових ресурсів, т/га,
Н_г – потужність гумусового горизонту, см;
Г – середній вміст гумусу в межах гумусового горизонту, %;
γ – щільність грунту в межах гумусового горизонту, г/см³;
b' – параметр, який залежить від соціально-економічних і екологічних обмежень, який у першому наближенні дорівнює 0,005.

Знаючи Δ(НГ)_(прип), з рівняння балансу гумусу в грунті, що враховує основні статті його втрати (при мінералізації, з урожаєм, з ерозією) і надходження (з пожнивними та кореневими залишками, з органічними добривами), може бути визначена величина припустимих (доцільно припустимих) ерозійних (а в разі дефляції – ерозійно-дефляційних) втрат грунту за формулою:

 (7.14)

де ΔН_{Г(e)прип} – припустима норма ерозійних втрат грунту, т/га/рік;
Г_0-10 ^_ вміст гумусу у верхньому десятисантиметровому шарі грунту, %;
р – коефіцієнт, що показує на перевищення вмісту гумусу в схилових наносах порівняно з вихідним значенням, безр. (табл. 7.1);
ΔН_Г(П) – зміни потужності гумусового горизонту в результаті грунтоутворення, мм/рік;
k″_Г – коефіцієнт гуміфікації органічних добрив, безр., у Лісостепу і Степу України дорівнює 0,075-0,08, у Поліссі – 0,06-0,065 (Справочник по землеустройству, 1989);
α – коефіцієнт перерахування різних видів органічних добрив в еквівалентну кількість підстилкового гною;
Д – кількість органічних добрив, т/га/рік;
А – кількість рослинних залишків, що надходить у грунт, т/га/рік, А = k_вУ, де k_в – коефіцієнт виходу пожнивних і кореневих залишків, безр. (табл. 7.2), У – урожай основної продукції, т/га/рік;
k′_Г – коефіцієнт гуміфікації рослинних залишків, безр. (табл. 7.2);
k_p – коефіцієнт винесення гумусу з урожаєм, безр. (табл. 7.2);
t₂ - t₁ – період ротації сівозміни, роки.

Другий сценарій раціонального використання ресурсів грунту – простого відтворення реалізується, коли бонітет грунту близький до його оптимального значення. При цьому припустимі ерозійні втрати грунту можуть бути отримані за формулою (7.14) при припущенні, що зміна ресурсів грунтової родючості (запасів гумусу в грунті) не відбувається, тобто Д(НГ) _п) = 0.

Нарешті, третій сценарій – сценарій розширеного відтворення, який забезпечує відновлення грунтових ресурсів малопотужних, у першу чергу, еродованих грунтів. Припустимий змив грунту призначається мінімально можливим на основі еколого-економічних критеріїв, а розраховується кількість органічних добрив, що компенсує при заданій структурі сівозміни і запланованій врожайності сільськогосподарських культур втрати якості грунтових ресурсів, що забезпечує, таким чином, необхідні темпи гумусонакопичення.

Розрахунок доцільних темпів гумусонакопичування виконується за формулою:

 (7.15)

де Δ(Н_ГГ)_нак – величина гумусонакопичування, т/га/рік;
b" – параметр, що показує граничні швидкості гумусонакопичення (для чорноземів та каштанових грунтів він дорівнює 0,029-0,030 (Каштанов и др., 1994)).

Кількість органічних добрив, необхідна для забезпечення темпів гумусонакопичування, що задаються виразом (7.15), визначається на основі балансу гумусу орного шару за формулою:

 (7.16)

де ΔН_е – змив грунту, який задається на основі еколого-економічних розрахунків, мм/рік;
Н_орн – потужність орного шару, см;
Г* – вміст гумусу в орному шарі, %.

Оптимальні значення запасів грунтового ресурсу (Н_ГГ)′_опт та (Н_ГГ)″_опт отримані на основі спеціальних досліджень (Лисецкий, Белов, 1990) з визначення оптимальних потужностей гумусового горизонту і вмісту гумусу, наведені в табл. 7.3.

Значення (Н_ГГ)″_опт характеризує бажану величину запасу грунтових ресурсів при відновленні зруйнованих земель і в економічному сенсі має бути меншим за (Н_ГГ)′_опт. Розбіжність між (Н_ГГ)′_опті (Н_ГГ)″_опт мабуть, може дорівнювати величині, що відрізняє повнопрофільний грунт від слабкозмитих (або слабкодефльованих) грунтів.