Поверхностный сток и эрозия почв во время дождей в нарушенных горных лесах Северо-Западного Кавказа

ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

УДК 630.116.23

ПОВЕРХНОСТНЫЙ СТОК И ЭРОЗИЯ ПОЧВ ВО ВРЕМЯ ДОЖДЕЙ В НАРУШЕННЫХ ГОРНЫХ ЛЕСАХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО КАВКАЗА

В.М. Ивонин, А.В. Тертерян

Леса, измененные под влиянием хозяйственной деятельности человека и стихийных сил природы, называют производными. При формировании производных лесов меняется состав, строение, продуктивность древостоев, лесорастительные условия и другие признаки коренных лесов [1].

Некоторые исследователи под производными понимают "вторичные леса" - новые поколения, естественно возникшие на вырубках с лесосечной формой хозяйствования.

На Северо-Западном Кавказе производные (вторичные) леса формируются после заготовок древесины при главном и промежуточном пользовании и проведения других хозяйственных мероприятий, приводящих к деградации лесной подстилки, почв, живого напочвенного покрова и других компонентов лесных экосистем. В таких лесах при ливнях высокой интенсивности спорадически формируется поверхностный сток, что подтверждено результатами многолетних наблюдений на гидрологических стационарах НИИгорле-сэкол [2].

При этом активизируется эрозия горных почв, особенно по технологическим коридорам, волокам и лесовозным дорогам, а также - по трассам нефтепроводов, газопроводов, ЛЭП и других линейных сооружений. Эрозия почв способствует заилению горных водо-

Ивонин Владимир Михайлович - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры лесоводства и лесных мелиораций Новочеркасской государственной мелиоративной академии, заслуженный деятель науки, 346400, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111;

Тертерян Ашот Владимирович - государственный инспектор отдела государственного лесного контроля и государственного пожарного надзора Департамента лесного хозяйства ЮФО, соискатель той же кафедры.

токов, что усиливает опасность паводочного разлива горных рек при выпадении интенсивных ливней.

Так, в горной части Туапсинского района, на водосборе реки Пшиш (приток Кубани), занятого в основном производными лесами, во время сильных ливневых осадков в октябре 2010 г. были подтоплены территории многих населенных пунктов, повреждены мосты и местами размыты участки автомобильных дорог (Справка Гидрометеорологического бюро Туапсе от 04.12.12 № 29/264). Такое подтопление было вызвано сбросом мутного стока в реку с территории водосбора.

Это определило цель наших исследований - изучить условия формирования поверхностного стока и эрозии почв при ливнях в производных лесах на водосборе реки Пшиш.

На территории Пшишского лесничества были подобраны типичные участки для закладки вариантов площадок искусственного дождевания при проведении экспериментов по методике [3]. Дождевание проводили с помощью исследовательской капельно-струй-ной установки, изготовленной в мастерских ООО "Пшишский лесхоз" и обеспечивающей неизменность критерия эродирующей способности искусственного и натурного ливней.

На каждом варианте дождевания устраивали по две стоковых площадки-близнеца размером 1,43^0,7 м (1 м2) каждая, размещая

Vladimir Ivonin - Doctor of Agriculture, Professor of the Department of Forestry and Forest Melioration at the Novocherkassk State Melioration Academy, 111, Pushkins-kaya Street, Novocherkassk, 346400;

Ashot Terteryan - Degree Seeker at the Same Department, State Inspector of the Department of State Forest Control and State Fire Supervision Department of Forestry of the Southern Federal District.

их длинной стороной вдоль склона. Одна из площадок предназначалась для искусственного дождевания, вторая - для отбора образцов лесной подстилки (ЛП), живого напочвенного покрова (ЖНП) и слоя почв 0-20 см.

Мутность стока находили при фильтровании проб стока, отобранных на водоприемном лотке стоковой площадки, в три срока: начало стока, его середина и окончание. Определив среднюю мутность и зная объем стока, находили смыв почвы, выражая его в т/га.

В грунтоведческой лаборатории города Туапсе в отобранных образцах почв определяли: гранулометрический состав - по ГОСТ 12536 - 79; естественную влажность, плотность и пластичность, водно-физические характеристики - по ГОСТ 5180-84. Содержание органики находили при прокаливании образцов.

Свойства почв (пород) и характеристики напочвенного покрова на различных вариантах исследований представлены данными таблицы 1, а результаты наблюдений за стоком и эрозией почв при искусственном дождевании - в таблице 2.

Поверхностный сток при искусственном дождевании формировался следующим образом: на участке 1.1 ручеек воды на лотке стоковой площадки возник на 5-й минуте после начала дождя; сразу же после возникновения стока на поверхности площадки стали спорадически образовываться и прорываться мелкие лужицы (микропрудки) в понижениях нанорельефа. Время добегания воды после окончания дождя составило 1 мин 10 с, слой стока - 36,1 мм, коэффициент стока - 0,401.

На участке 1.2 (рабочий волок) сток с высокой мутностью на водосливе появился через 2 мин после начала дождевания. В течение всего периода стока мутность оставалась высокой. Во второй половине дождевания по центру стоковой площадки на тракторной колее образовались два ручья воды, текущие параллельно друг другу. На 20-й минуте дождевания перемычка между ручьями была размыта, и вода у водослива сосредоточилась в едином потоке. Это сопровождалась оползанием почвы. Время добегания воды после окончания дождевания равнялось 2 мин, слой стока равнялся 39,6 мм, коэффициент стока - 0,440.

Участок 1.3 (грабово-ясеневый дубняк) характеризовался поврежденной подстилкой.

Несмотря на поврежденную подстилку стока на этом варианте был минимален.

Часть выпадающих осадков попала на водоприемный лоток стоковой площадки при разбрызгивании капель дождя. Ориентируясь на точность измерения стока объемным способом, полагаем, что не учтенный объем сток составил 0,009 мм, а коэффициент стока - 0,0001.

На участке 2.1 (трасса нефтепровода) сток на водоприемном лотке появился через 2 мин от начала дождевания. На 3-й мин от начала дождя на поверхности площадки стали отмываться щебень и скальные обломки в виде мульчи, защищающей поверхность от ударного воздействия капель дождя. Сток по поверхности площадки проходил относительно равномерно. Лишь к окончанию дождевания вдоль левого борта стоковой площадки образовалось русло стока, чему способствовал сучок, лежащий на поверхности площадки, изменяющий направление течения струек стока.

После окончания дождевания добегание воды продолжалось в течение 48 с. Слой стока равнялся 40,6 мм, коэффициент стока - 0,451.

На участке 3.1 (двухлетние культуры дуба под пологом насаждения) сток начался через 1,5 мин после начала эксперимента. До 10-й мин сток оставался практически прозрачным. В дальнейшем по центру площадки возник каскад прудков, которые прорвались. При этом возникло русло водотока, которое огибало стволики саженцев.

После окончания дождевания время добегания воды составило 50 с. Слой стока равнялся 25 мм, коэффициент стока - 0,272.

На участке 3.2 (двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 г.) начало капельного стока зафиксировано через 5 мин после начала дождя. Ручеек с небольшим расходом на водосливе возник еще через 2 мин. Через 9 мин дождевания установился постоянный небольшой расход стока. К окончанию дождевания расход воды уменьшился до минимума и ее добегания не зафиксировано. Слой стока на участке 3.2 оказался равным 34 мм, коэф-фициет стока - 0,378.

Участок 3.3 представляет лес с поврежденной лесной подстилкой вблизи вырубки. Поверхностный сток здесь сформировался через 15 мин после начала дождевания. Небольшой расход стока на участке 3.3 характеризовался малой мутностью воды. К окончанию стока на водосливе сформировался ручеек

Таблица 1

Свойства слоя 0-20 см почв, воздушно-сухая масса лесной подстилки и живого напочвенного покрова и содержание органического вещества

на вариантах исследований

№ участка Вариант Плотность, г/см3 Коэффициент пористости Содержание глинистых фракций в составе, % Воздушно - сухая масса ЛП + ЖНП, т/га Органика, %

1.1 Лесная поляна, используемая под верхний склад 1,49 0,819 20,5 0,86 6,1

1.2 Рабочий волок 1,33 1,038 22,8 0,87 8,3

1.3 Грабово-ясеневый дубняк (проба 1) 1,32 1,045 3,9 3,26 6,3

2.1 Строящаяся трасса нефтепровода "Тихорецк - Туапсе" 1,68 0,595 17,0 0 3,6

3.1 Двухлетние культуры дуба под пологом грабово-букового дубняка 1,08 1,472 23,8 1,49 7,5

3.2 Двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 г. 1,14 1,351 21,3 1,34 7,3

3.3 Грабово-буковый дубняк вблизи вырубки (проба 2) 1,13 1,381 22,4 4,00 7,4

3.4 Двухлетние культуры дуба на выровненном волоке 1,14 1,351 24,6 1.10 7,2

3.5 Порослево-семенное насаждение, восстановившееся на вырубке (проба 3) 1,34 0,993 15,8 17,09 7,5

Таблица 2

Смыв почвы по вариантам исследований

№ участка Вариант Крутизна склона, градус Средняя мутность, г/л Сток, мм Коэффициент стока Смыв, т/ га

1.1 Лесная поляна, используемая под верхний склад 11 6,1 36,1 0,401 2,2

1.2 Рабочий волок 7 14,8 39,6 0,440 5,9

1.3 Грабово-ясеневый дубняк (проба 1) 18 0 0,009 0,0001 0

2.1 Строящаяся трасса нефтепровода "Тихорецк - Туапсе" 7,5 84,9 40,6 0,451 34,5

3.1 Двухлетние культуры дуба под пологом грабово-букового дубняка 6 5,6 25,0 0,272 1,4

3.2 Двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 г. 6,5 5,3 34,0 0,378 1,8

3.3 Грабово-буковый дубняк вблизи вырубки (проба 2) 7 0,1 8,7 0,097 0,1

3.4 Двухлетние культуры дуба на выровненном волоке 3 7,5 16,9 0,188 1,3

3.5 Порослево-семенное насаждение на вырубке (проба 3) 28 0 0,009 0,0001 0

прозрачной воды. Время добегания воды после окончания дождевания равнялось 1 мин, слой стока - 8,7 мм, коэффициент стока - 0,097.

На участке 3.4 (двухлетние культуры дуба на выровненном волоке) сток сформировался через 5 мин после начала дождя. На 20-й минуте дождевания на площадке перед водоприемным лотком возник прудок, после прорыва которого расход стока увеличился. После окончания дождевания время добегания воды равнялось 1 мин. Слой стока на этом варианте составил 16,9 мм, а коэффициент стока - 0,188.

На участке 3.5 (лес в возрасте 60 лет, восстановившийся на вырубке) с мощной лесной подстилкой, густым подлеском и разновозрастным подростом, выпавшие при дождевании осадки полностью впитывались почвой. Однако часть выпадающих осадков при разбрызгивании капель дождя попадала на водоприемный лоток. Точно учесть этот объем осадков не удалось. Условно считаем слой таких осадков равным 0,009 мм (менее 0,01 л - предел точности определения).

Проведенный нами регрессионный анализ данных экспериментов позволил получить экспоненциальное уравнение связи коэффициента стока (к) с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова (т1, т/га):

к = 0,2272 в~°,503т при г2 = 0,572

По уравнению (1) коэффициенты стока равны нулю (стока нет) при воздушно-сухой массе лесной подстилки и живого напочвенного покрова, равной 10 т/га и более. При уменьшении этой массы до нуля коэффициенты стока увеличиваются до 0,23 - 0,45, в зависимости от свойств верхнего слоя нарушенной бурой лесной почвы, в частности от содержания глинистых частиц. Связь коэффициентов стока с содержанием глинистых частиц в составе бурых лесных почв представлена зависимостью:

к = 0,00000008 Ж46224 при г2 = 0,568,

где: Ж - содержание глинистых фракций в слое почв 00-20 см, %.

При анализе уравнения (2) заключаем, что на бурых лесных почвах супесчаного гранулометрического состава (Ж < 12 %) коэффициенты стока равны нулю (выпадающие осадки полностью поглощаются почвой). На суглинистых и тяжелосуглинистых почвах

(глинистые фракции в слое почв 0-20 см увеличиваются от 12 до 25 %) коэффициенты стока возрастают до 0,25-0,45. Возрастание стока при дождевании происходит за счет снижения интенсивности впитывания осадков по мере утяжеления гранулометрического состава верхнего слоя почв.

На этот процесс может оказать влияние содержание органики в почве, за счет образования водопрочной структуры. Однако в наших экспериментах не удалось установить тесную связь между коэффициентами стока при дождевании и содержанием органики в почве (г2 = 0,076).

Не обнаружена также тесная связь коэффициентов стока с плотностью верхнего слоя почв (г2 = 0,03) и коэффициентов стока с коэффициентами пористости (г2 = 0,03).

Из литературы известно, что при дождевании смыв почвы на вырубках находится в прямой линейной зависимости от уклона местности [4].

При регрессионном анализе данных таблицы 2 не удалось получить тесной связи между эрозией почв при дождевании и крутизной склонов (г2 = 0,043). Это объясняется решающим влиянием на смыв почвы воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова. Уравнение связи между эрозией (Э, т/га) и воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова (т, т/га) имеет вид:

Э = -3,1831п

Решение уравнения (3) показывает, что эрозия может принимать отрицательные значения при величине воздушно-сухой массы ЛП+ЖНП более 3,25 т/га. Это означает, что эрозия почв во время ливней полностью отсутствует при т > 3,25 т/га.

При обработке данных экспериментов получили связь между эрозией и содержанием органики в верхнем слое почв 0-20 см (О, %):

Э = -6,178О + 50,924 при г2 = 0,683.

При анализе данных уравнения (4) заключаем, что при содержании органических веществ в верхнем слое почв, равном О > 7,6 %, ливневая эрозия практически отсутствует.

Вопрос о влиянии плотности верхнего слоя почв на эрозию остается открытым. Одни исследователи считают, что уплотнение верхнего слоя почв приводит к сокращению

эрозии за счет возрастания сцепления между почвенными частицами [5]. Другие авторы полагают, что уплотнение приводит к сокращению водопроницаемости и увеличению поверхностного стока, тем самым активизируя эрозию почв [4].

Регрессионный анализ полученных данных, не обнаружил тесной связи между эрозией и плотностью слоя почв 0-20 см (г2 = 0,063). Но при этом обнаружилась связь между эрозией и коэффициентами пористости верхнего слоя почв (в):

Э = -27,141п

При анализе обратной логарифмической зависимости (5) заключаем, что при значениях коэффициентов пористости верхнего слоя почв более 1,33 эрозия почв при ливнях практически отсутствует.

Содержание глинистых фракций в гранулометрическом составе слоя почв 0-20 см не влияет на их эрозию при ливнях (г2 = 0,003). Числа пластичности также не влияют на эрозию почв (г2 = 0,0008). Однако верхний предел пластичности (Ж %) тесно связан с эрозией почв. Уравнение, характеризующее эту связь, имеет вид:

Э = -60,891п

Как следует из уравнения (6), чем выше верхний предел пластичности, тем больше почва сопротивляется водной эрозии при дождевании. При значениях Ж > 53 % эрозия под пологом производных лесов отсутствует. Это граница влажности, при увеличении которой почва (порода) теряет свои пластические свойства и переходит в текучее состояние.

Сцепление агрегатов друг с другом считают важнейшим показателем, определяющим эрозию грунтов [6]. Наилучший способ определения межагрегатного сцепления - это измерение сопротивления разрыву, так как в этом случае граница раздела проходит через контакты между почвенными агрегатами [5].

Применяя этот метод (по ГОСТ 1224896), мы не обнаружили связи между эрозией почв и сцеплением почвенных агрегатов (г2 = 0,0008). Полагаем, что это обусловлено влиянием деформаций уплотненной почвы на волоках, возникших под гусеницами трелевщика, в виде поперечных (послойных) трещин расхождения. В этом случае сопротивление сдвигу определялось, в основном, не сцеплением, а зацеплением и трением поверхностей.

Это подтверждается полученной нами логарифмической связью между эрозией и углами внутреннего трения между агрегатами в слое почв 0-20 см:

Э = -43,321п

По зависимости (7) с возрастанием углов внутреннего трения между почвенными агрегатами уменьшается эрозия почв при дождевании. При ф > 22° показатели эрозии принимают отрицательные значения, т.е. она отсутствует.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. На водосборах горных рек Северо-Западного Кавказа в производных лесах поверхностный сток и эрозия во время интенсивных ливней определяются степенью деградации лесной подстилки и живого напочвенного покрова, а также свойствами поверхностного слоя нарушенных бурых лесных почв.

2. Получены уравнения связи, позволяющие прогнозировать условия формирования поверхностного стока и ливневой эрозии в производных лесах, в зависимости от деградации лесной подстилки и живого напочвенного покрова и изменения свойств верхнего слоя нарушенных почв и пород.

3. Воздушно-сухая масса лесной подстилки и живого напочвенного покрова, равная 3,25 т/га, является критической, превышение которой обеспечивает при ливнях предотвращение эрозии почв под пологом производных лесов. Определены также критические значения содержания органики в верхнем слое почв (G > 7,6 %), коэффициентов пористости (в > 1,33), верхнего предела пластичности (W < 53 %) и углов внутреннего трения между почвенными частицами (ф < 22°).

ЛИТЕРАТУРА

1. Лесная энциклопедия: В 2 т. Т. 2. М.: Советская энциклопедия, 1986. 632 с.

2. Коваль И.П., Битюков Н.А., Шевцов Б.П. Экологические основы горного лесоводства. Сочи: ФГБУ НИИгорлесэкол, 2012. 566 с.

3. Ивонин В.М., Пеньковский Н.Д. Лесомелиорация ландшафтов: научные исследования. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. 150 с.

4. Ивонин В.М., Тертерян В.А., Водяной С.М. Эрозия почв на вырубках горных склонов. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. 150 с.

5. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв: учебник. М.: МГУ, 1995. 334 с.

6. Мирцхулава Ц.Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. М.: Колос, 1970. 180 с.

11 февраля 2013 г.