Проблема определения интенсивности водной эрозии почв в Сибири

И.А. Голубев

ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ В СИБИРИ

Автором анализируются существующие методики определения интенсивности эрозиоционных процессовпочв Сибири. Указывается на необходимость акцентрирования внимания при разработке и уточнения методик расчета и измерения водной эрозии почв.

Водная эрозия представляет собой смыв верхнего плодородного слоя почвы под действием талых вод или ливневых дождей. Она является давней и серьезной угрозой для всех типов почв. Особенно вредна эрозия на пашне, так как земля является главным средством производства, источником сельскохозяйственной продукции; смыв почвы на территории пахотных земель ведет к уменьшению верхнего плодородного слоя почвы - гумусового горизонта, выносу из почвы важнейших микроэлементов, необходимых для растений - азота, калия, фосфора и др. Важнейшее свойство почвы - плодородие, и именно оно утрачивается при развитии эрозионных процессов. На территории сельскохозяйственной зоны Красноярского края и всей территории Сибири эта проблема стоит очень остро. Получающая все большее развитие эрозия почв приносит огромный вред природе и сельскому хозяйству. В настоящее время существует способы расчета и методы борьбы с эрозионными процессами. Но проблема состоит в том, что методики измерения и расчета эрозии почв недостаточно апробированы в условиях климата Сибири и требуют доработки и уточнения для широкого практического использования на данной территории.

Ключевые слова: эрозия, эрозионные процессы, смыв, почва, плодородие, гумусовый горизонт, микроэлементы, средство производства, методы, методика.

I.A. Golubev

THE ISSUE OF THE SIBERIAN WATER SOIL EROSION INTENSITY DETERMINATION

Water erosion represents washout of the top fertile layer of ground under the action of thawed snow or storm rains. It is ancient and serious threat for all types of soil. Erosion harms an arable land as the ground is the main mean of production, a source of agricultural production harmful; washout of ground in the territory of arable lands conducts to reduction of the top fertile layer of ground - humus horizon, to carrying out from ground of the major microcells necessary for plants - nitrogen, potassium, phosphorus, etc. the Major property of ground - fertility, and it is lost during development of erosive processes. In territory of an agricultural zone of Krasnoyarsk region and all territory of Siberia this problem is set very seriously. Soil erosion receiving the increasing development brings huge harm to the nature and an agriculture. Now there are ways of calculation and methods of struggle against erosive processes. But the problem is known that techniques of measurement and calculation of erosion ground are insufficiently approved in conditions of Siberian climate and completion and specification for wide practical use in this territory are demanded.

Keywords: erosion, erosive processes, washout, ground, fertility, humus horizon, microcells, means of production, methods, a technique.

На пахотных землях Сибири очень серьезной проблемой является распространение и развитие эрозионных процессов, что вызывает острую потребность в проведении специальных противоэрозионных мероприятий.

Развитию эрозионных процессов территории данного региона способствует благоприятное сочетание геоморфологических, климатических, почвенных и геоботанических факторов.

В общей сложности различным видам эрозии в Красноярском крае подвергается 783,4 тыс. га пашни, всем видам эрозии подвержено 500,4, в т.ч. в слабой степени 324,8, средней 157,2, в сильной 18,4. Основ-

ные площади эродированной пашни страдают от ветровой эрозии (369 тыс.га, из них в слабой степени 247, в средней 105,7, в сильной 16,4). Ветровая эрозия наносит ущерб на 27% площади пашни края [1].

Для рассматриваемой территории характерна неоднородность рельефа. Так, на склонах крутизной 03° расположено 466,4 га, 3-5° - 199,2 га, 5-7° - 97,7, более 7° - 20,1 тыс. га, или 39,2% пахотных земель. Именно особенности рельефа определяют достаточно активное развитие водной (38,1 тыс.га) и особенно совместной эрозии (93,3 тыс. га). Все эти факторы создают предпосылки для возникновения склонового смыва талыми и дождевыми водами. Потребность в таких мероприятиях почти на половине всей используемой пахотной площади в Красноярском крае.

В настоящее время существует ряд эффективных методов выявления эрозионных процессов, таких, как использование аэрокосмических снимков, которое значительно облегчает почвенное картографирование, делает его более детальным. Данный метод обладает высокой производительностью, большим охватом территории и быстротой получения информации [5].

Подверженность почвенного покрова эрозии четко выявляется по цвету (тону) и рисунку изображения. Дефлированные почвы имеют более светлый тон. Для них характерны развитые микроформы эолового рельефа. Смытые почвы представлены на снимках также в более светлых тонах, а намытые - в темных [5].

Работы по составлению почвенно-эрозионных карт на основе аэрокосмических снимков проводят в три этапа. На первом, предполевом этапе, собирают и анализируют литературные и картографические материалы, а также материалы аэро- или космической съемки для изучаемой территории. На втором (полевом) этапе составляют подробные почвенно-эрозионные карты ключевых участков. На третьем - формируют таблицы и картотеки дешифровочных признаков, на основе которых и составляют методом экстраполяции почвенно-эрозионную карту [5].

По данным аэрофотосъемки в ряде случаев можно не только определить степень смытости почвы, но и количество смытого материала. Если мутность временных водных потоков во время снеготаяния превышала 20-100 кг/м3, то значения коэффициентов интегральной яркости изображений образованных ими русел и конусов выноса обычно выше, чем у почв склона [5]. Такие русла и конусы выноса легко опознаются на аэрофотоснимках.

Согласно физико-географическому районированию, сельскохозяйственные районы Красноярского края находятся на территории Южно-Минусинской, Назаровской, Чулымо-Енисейской, Канско-Рыбинской котловин [2]. В Южно-Минусинской котловине распространение получили обыкновенные, выщелоченные и южные черноземы, а также каштановые почвы; на территории Назаровской и Чулымо-Енисейской котловин преобладают черноземы южные и обыкновенные; в различных районах Канско-Рыбинской котловины преобладают черноземы выщелоченные, обыкновенные, маломощные и хрящеватые, дерново-подзолистые и темно-серые лесные [3]. В северных районах Красноярского края преобладают светло-серые лесные, дерново-подзолистые почвы, земледелие в них мало развито.

Теперь рассмотрим методики, необходимые для расчета и измерения водной эрозии. Базовой, классической методикой расчета водной эрозии является американская схема. Для количественной оценки показателя интенсивности водной эрозии используется величина потенциального смыва, под которой понимается модуль смыва почвы в условиях чистого пара, выраженный в тоннах на один гектар в год. Наиболее распространенный метод прогнозирования потенциального смыва базируется на использовании универсального уравнения, имеющего вид

Эп = Е П Р,

где Эп - потенциальный смыв от дождевых (Э=Эд) или талых (Э=Эт) вод;

Е - эрозионный индекс осадков, (Е=Ед - для дождей, Е=Ед - для талых вод);

П - эродируемость почв, т/га на единицу эрозионного индекса осадков;

Р - эрозионный потенциал рельефа.

Данное уравнение считается универсальным, так как оно свободно от частных, географических и климатических ограничений.

Вышеприведенная методика является базовой для схемы расчета Г.А. Ларионова, который взял ее и фактически доработал применительно к российским условиям, сделал упор на основные расчетные характеристики - эрозионный потенциал осадков, расчет кинетической энергии дождя, его продолжительности и интенсивности, смываемости почв.

Эрозионный потенциал дождя вычисляется как

Ед= 0,01 DIзo ,

где D - кинетическая энергия дождя, т/м/га;

1зо - максимальная 30-минутная интенсивность дождя, коэффициент 0,01 вводится для того, чтобы эрозионный потенциал не представлялся большими числами. В расчет принимались дожди со слоем осадков 10 мм и более. Кинетическая энергия дождя выражается как сумма

D = £ ¡24 ,73 + 894^ 2,3641]

+

1=1

где I) - интенсивность дождя за ]-й интервал времени, мм/мин;

^ - слой осадков, выпавший за ]-й интервал времени, мм;

п - число интервалов, в продолжении которых интенсивность дождя оставалась постоянной.

Поскольку расчет кинетической энергии - работа чрезвычайно сложная и трудоемкая, то для этих целей было разработано специальное уравнение регрессии эрозионного потенциала дождя

Ед=0,258Х1зо-0,149, или Ед=0,258 Езо - 0,149.

В данном уравнении Х - слой дождя, мм; 1зо - максимальная интенсивность дождя за 30-минутный интервал. Во втором варианте уравнения Езо представляет собой произведение Х1зо. Как видно, еще одной особенностью разработки Ларионова является введение как максимальной -30-минутной интенсивности дождя, поскольку эрозионно-опасными дождями являются высокоинтенсивные ливни, которые, как правило, имеют небольшую продолжительность. Водная эрозия в наибольшей степени проявляется в течение 10-20минутного периода выпадения наиболее эффективной части дождя.

Смываемость почвы (П) зависит от процентного соотношения в почве фракций различной величны (песка, глины, пыли и т.д.), количества гумуса, а также от влажности почвы, температурного режима и степени ее уплотнения. Чем выше в почве процентное содержание мелких фракций (глинистых частиц, ила), тем противоэрозионная устойчивость почв ниже, а смываемость - выше, и наоборот; также чем выше в почве содержание гумуса, тем ниже смываемость, поскольку гумус повышает устойчивость почв к смыву.

Расчет эрозионного потенциала рельефа (Р) осуществляется по предложению американских ученых следующим образом:

Т ~\т

Р = ------- (0,065 + 0,0451 + 0,006512 ),

_ 22,13 ] у ’

где L - длина склона или участка склона, м;

i - уклон, %;

т - параметр, величина которого зависит от крутизны склона (от 0,2 до 0,5).

Для уточнения и применения данной методики в условиях Красноярского края автором были произведены замеры и расчеты показателей эрозионного индекса Е15 и Е30 для пунктов метеорологических наблюдений сельскохозяйственной зоны Красноярского края в различных административных районах.

Региональный вариант методики расчета потенциального смыва основан на универсальном уравнении. Расчетная формула имеет тот же вид, что и в случае ливневых вод:

Эд = 4*Кт* П*По *Р* F,

где Кт = Sxа - эрозионный потенциал талых вод;

П - смываемость почв (т/га в год на единицу эрозионного потенциала талых вод) для стандартной почвы (выщелоченный чернозем, сильно эродированный, развитый на лессах и лессовидных суглинках);

По - коэффициент относительной смываемости почвы в зависимости от типа почв, механического состава и степени смытости;

Р - эрозионный потенциал рельефа;

F - коэффициент, учитывающий влияние формы склона [4].

В настоящее время в Красноярском крае экспериментальных данных о смыве почв очень мало. Приведенные выше методики, как правило, не используются, что не дает возможность сказать, насколько они точны в определении параметров водной эрозии почв, и определить, насколько они подходят для применения на данной территории при всех ее климатических, геологических, почвенных особенностях.

Необходимы серьезные обширные экспериментальные исследования на территории Сибири (в частности - Красноярского края) данных методик, которые позволят проверить и откорректировать рассмотренные методики применительно к местным условиям Красноярского края [6].

В приведенной методике следует уделять больше внимания климатическим особенностям территории Сибири, которые характеризуются, в частности, сезонно-мерзлотным режимом почв. Эти особенности создают факторы, которые косвенно, через другие факторы, снижают или увеличивают величину поверхностного стока талых вод и смыва ими твердой фазы почвы. К числу таких относятся температура и глубина промерзания почв.

Одним из основных факторов, определяющих глубину и продолжительность промерзания почв, является температура воздуха в холодный период года. Кроме этого, существенное влияние оказывает количество выпадающих осадков - чем меньше мощность снежного покрова, тем сильнее и глубже промерзает почвенный профиль. Снежный покров оказывает огромное влияние на температуру почв своими особенными физическими свойствами - он представляет собой промежуточную среду, затрудняющую тепломассообмен между почвой и приземным слоем атмосферы и припятствующую, таким образом, понижению температуры почвы. Снежная прослойка как бы разрывает теплооборот в системе «почва - воздух» на два независимых фрагмента: чем мощнее снежный покров, тем больше начинают отличаться друг от друга в температурном отношении воздух и почва. Все это оказывает влияние на величину, глубину и продолжительность по времени промерзания почвенного покрова [6].

Почвенный покров Сибири вне зависимости от снежности гидрологического года находится в промерзшем состоянии около полугода (5-6 месяцев), что существенно ограничивает впитывание талых вод мерзлыми почвами и стимулирует значительный поверхностный сток. Повышенный объем снеготалых вод и проявление эрозионных процессов на пахотных почвах склонов обуславливается не только объемом снего-запасов и интенсивностью снеготаяния, но также и высокой водонасыщенностью пахотного и промерзанием подпахотного слоев почвы в период таяния снега. На всем этом следует акцентировать особое внимание при разработке и уточнении методик расчета и измерения водной эрозии почв на территории Сибири [6].

Литература

1. Научные основы защиты почв от эрозии в Восточной Сибири. - Красноярск, 1978. - 154с.

2. Антипов, А.Н. Географические аспекты гидрологических исследований / А.Н. Антипов, Л.М. Корыт-ный. - Новосибирск: Наука, 1981. - 177с.

3. Защита почв от ветровой эрозии в условиях открытой степи Причулымья (рекомендации). - Новосибирск, 1983. - 63с.

4. Актуальные вопросы эрозиоведения. - М.: Колос, 1984. - 256 с.

5. Кузнецов, М.С. Эрозия и охрана почв: учеб. - 2-е изд., перераб и доп. / М.С. Кузнецов, Г.П. Гпазунов. -М.: КолосС, 2004. - 352 с.

6. Танасиенко, А.А. Специфика эрозии почв в Сибири / А.А. Танасиенко. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. - 176 с.