К оценке эрозионной опасности почв (по данным Крымского района Краснодарского края)

УДК 632.125

DOI: 10.21685/2307-9150-2017-2-9

Е. А. Киселева, А. В. Погорелов

К ОЦЕНКЕ ЭРОЗИОННОЙ ОПАСНОСТИ ПОЧВ

Аннотация.

Актуальность и цели. Разрушение почвенного покрова для территории Краснодарского края остается одним из главных источников потерь почвенного плодородия, снижения урожайности, негативных изменений ландшафтов. В связи с этим разработка методики оценки эродируемости почв с учетом некоторых физико-химических свойств почв является актуальной.

Материалы и методы. Геоинформационные технологии являются неотъемлемой частью современных исследований почв и анализа эрозионных процессов. В качестве исходных данных при картографировании почв, их свойств и факторов использовалась почвенная карта Краснодарского края, включающая типы и подтипы почв, механический состав почв, почвообразующие породы. Исходные материалы структурированы в базе геоданных в программном комплексе ArcGIS. Построение карт свойств почв осуществлялось с применением инструмента «картографическая алгебра» (map algebra).

Результаты. Почвы Краснодарского края на основании степени их эродируемости были объединены в пять классов. Авторами предложен способ оценки интегрального показателя эрозионной опасности почв, опирающийся на балльную оценку. Создана карта эродируемости почв для территории Крымского района.

Выводы. На основании данных, полученных для территории Крымского района Краснодарского края, проанализирован аспект эрозионной опасности почв. При оценивании полученной карты установлено, что на исследуемой территории 41,7 % площади почв (земель) относятся к среднеэродируемым, 22,5 % - к сильноэродируемым.

Ключевые слова: эрозия почв, картографирование почв, эродируемость почв, почвы Краснодарского края, геоинформационные технологии.

E. A. Kiseleva, A. V. Pogorelov

ON EVALUATION OF SOIL EROSION RISK

Abstract.

Background. The destruction of soil cover in the territory of Krasnodar region remains one of the main causes of soil fertility loss, yield reduction and negative landscape changes. In connection with this, the development of methodologies for assessing soil erosion taking into account some physical and chemical properties is an urgent task.

Materials and methods. Geographic information technologies are an integral part of the contemporary studies and analysis of soil erosion processes. We used the soil map of Krasnodar region as a database for soil properties and factors mapping. This map includes the information on the soil types and sub-types, soil composition and rocks formation. The initial data are structured in geodatabase of ArcGIS software. The soil properties data mapping was carried out via the map algebra.

Results. The soils of Krasnodar region were merged into five classes on the basis of the extent of their erosion. The authors have proposed a method for evaluating the integral soil erosion risk indicator based on scores. The authors have created an erosion map of Krimsk district.

Conclusions. The aspect of soil erosion risk has been analyzed on the basis of the data collected in the territory of Krimsk district of Krasnodar region. It is established that 41,7 % of soils in the studied territory are medium erosional, 22,5 % are highly erosional.

Key words: soil erosion, soil mapping, soil erodibility, soils of Krasnodar region, GIS technology.

Введение

Деградация почв на территории Краснодарского края остается одним из главных источников потерь почвенного плодородия, снижения урожайности, ухудшения качества ландшафтной среды. Особого внимания заслуживает фонд черноземных почв Краснодарского края, на которых производится подавляющая часть земледельческой продукции региона. Наиболее значимые природные факторы деградации почвенного покрова - его разрушение под действием поверхностного стока и ветра. Известно, что хозяйственная деятельность зачастую усиливает эрозионные процессы. Исследования эрозии почв представлены рядом направлений, из которых нас интересуют оценки водной эрозии.

Современное исследование свойств почв и ее эрозии (включая местные факторы) предполагает, кроме традиционных подходов, вовлечение в анализ геоинформационных технологий. Очевидные преимущества последних заключаются не только в создании баз геоданных на основе ГИС, но и в возможности интегральной оценки состояний и эрозионной опасности почвенного покрова посредством операций с растровыми изображениями.

Постановка проблемы

Для предотвращения возможной деградации почв необходима оценка потенциальных факторов возникновения эрозионных процессов с учетом местных условий. Детальных исследований эрозионной опасности земель и сопутствующих показателей для предгорных районов Краснодарского края с применением ГИС-технологий, облегчающих, в частности, процедуры объективной классификации почв по ряду признаков, до настоящего времени не проводилось. В своем анализе авторы опирались на характеристики почв, которые определяют подверженность почвенного покрова эрозии (эродируе-мость). На примере Крымского района, отражающего характерные и весьма разнообразные географические условия предгорий Краснодарского края и Северо-Западного Кавказа, целесообразно разработать соответствующую методику и представить результаты классификации почв по показателям эроди-руемости, уделив особое внимание предпосылкам водной эрозии. Изменение стойкости почв к водной эрозии, как известно, определяется морфологией земной поверхности, типом почв, механическим составом почв, глубиной залегания почвообразующих пород, а также агропроизводственной деятельностью человека.

Объект, материалы и методы исследования

Объект исследований - почвенный покров Крымского района. Исследуемый район площадью 1,6 тыс. км2 расположен в юго-западной части Краснодарского края; на севере граничит с р. Кубанью, на юго-западе граница проходит по хребтам в осевой части западной оконечности Кавказа. Согласно работе [1] территория относится к геоморфологической провинции Большого Кавказа и входит в области предгорных равнин (Прикубанская наклонная аллювиальная равнина) и низкогорного и холмистого рельефа на неогеновых складчатых структурах (низкие горы и возвышенности). На большей части территории абсолютные высоты не превышают 40 м, максимальные отметки приближаются к 500 м. Местный рельеф с высокой густотой эрозионного расчленения (1,2...3,5 км/км2) осложняет сельскохозяйственное использование территории в южной части района. Условия влаго-обеспечения варьируют от полувлажных до полузасушливых. Относительно большое количество осадков (650-700 мм в год) в условиях горного рельефа способствует регулярному проявлению водной эрозии.

Морфология поверхности, большое разнообразие почвообразующих и подстилающих пород, растительных формаций способствуют формированию широкого спектра почв. Здесь представлено семь типов и более 20 подтипов почв [2, 3] (рис. 1). По площади наиболее представительны луговые, пере-гнойно-карбонатные, черноземы выщелоченные мощные и сверхмощные, перегнойно-глеевые, бурые лесные почвы. В равнинной части Крымского района в основном преобладают луговые и перегнойно-глеевые почвы, в горной части - перегнойно-карбонатные почвы. Вдоль долины р. Адагум представлены черноземы выщелоченные с различной степенью плодородия и мощностью гумусовых горизонтов. На юге и юго-востоке черноземы вытесняются бурыми лесными почвами.

Физико-химические свойства почв анализировались посредством известных методов [4]. При картографировании почв, их свойств и факторов влияния на эрозионную стойкость почвенного покрова мы опирались на источники [2, 3, 5, 6, 7].

В качестве исходных данных использована почвенная карта Краснодарского края [2], на которой, кроме типов и подтипов почв (всего 120), указаны механический состав почв, почвообразующие и подстилающие породы. Свойства почв Краснодарского края анализировались на основе классификации и диагностики почв СССР, разработанной Почвенным институтом им. В. В. Докучаева [8]. Источниками уточняющих данных и дополнительных сведений о содержании гумуса послужили работы [8, 9].

Полученные материалы обобщены в базе геоданных в программе ArcGIS (Esri) и реализованы при построении соответствующих карт с применением инструментов ГИС-анализа, включая картографическую алгебру (map algebra).

Эрозионные характеристики почв. Подверженность почв эрозии зависит от ряда переменных, среди которых в нашем случае наиболее значимы: генетический тип почв, механический состав, вид почвообразующих и подстилающих пород, содержание гумуса в почве. Для каждого из указанных факторов построена карта, использованная в анализе эродируемости почвенного покрова.

с

-ч (Л

о го'

о (/>

С) го

О

<о

-ч

о 43 3-

ю N0

оо

N0 О 1-1 N1

00

Рис. 1. Почвы Крымского района

гп о

3

ГО

0

3 <»

ГО

1 I о; го

I

О ^

С

о

со 43 о

-8-§

С почвообразующими породами связаны генетические признаки почв, их минералогический и гранулометрический состав, водно-физические и многие важнейшие свойства. Как известно, почвообразующая порода - эта та часть коры выветривания, из которой образовалась почва. Рыхлые осадочные породы на исследуемой территории объединяют лёссы, лёссовидные суглинки, глины. Литология заметно влияет на эрозионную стойкость почв и другие важнейшие ее свойства [10]. Почвы в большей или меньшей степени заимствуют водно-физические свойства почвообразующих и подстилающих пород. На песках и галечниках формируются высокопроницаемые, невлагоемкие почвы, на лёссовидных породах - почвы с оптимальной водопроницаемостью и влагоемкостью, на озерных глинах - слабопроницаемые влагоемкие почвы.

Внутри крупных генетических таксонов эродируемость почв зависит от их гранулометрического состава. Она снижается с уменьшением в почвах содержания фракций крупной пыли и увеличением количества илистых фракций, т.е. с утяжелением гранулометрического состава почв, который они наследуют от почвообразующих пород [11].

В Крымском районе в равнинной его части в качестве почвообразую-щих пород доминируют аллювиальные глины и суглинки; в предгорьях и долине р. Адагум распространены лессовидные глины; в горной части преобладают элювиальные отложения известняков и мергелей (рис. 2).

Степень проявления водной эрозии во многом зависит от способности почвы противостоять смывающему действию водного потока. Ключевыми характеристиками, определяющими противодействие водным эрозионным процессам, являются содержание физической глины и гумуса в почве. Уровень их содержания отражает прямую зависимость смыва почвы: чем выше содержание физической глины и гумуса в почве, тем устойчивее будет почва к водным эрозионным процессам. О содержании физической глины в почве можно судить по ее механическому составу, который зависит не только от состава материнской породы, но и от процессов почвообразования, происходящих в почве [12]. В почвоведении распространена классификация почв по механическому составу, согласно которой почвы делятся на категории в зависимости от содержания в них физической глины, т.е. частиц размером менее 0,01 мм [13]. Около 75 % площади Крымского района занято глинистыми почвами (35-45 % глины) (рис. 3). Из этого следует, что почвы района по показателю механического состава можно охарактеризовать как весьма устойчивые к водной поверхностной эрозии.

Количественная сторона гумусообразования в почвах и интегральная оценка степени эродируемости почв в зависимости от содержания гумуса и водопрочных агрегатов показана в работе [14]. Почвы Крымского района в целом имеют относительно низкое содержание гумуса (2-4 %) (рис. 3). Судя по построенной карте, в соответствии с показателем содержания гумуса почвы на площади 1057 км2 (около 65 % площади района) имеют определенные предпосылки к водной эрозии.

Для оценки эродируемости почвенного покрова Крымского района авторами применен метод балльных оценок (числового шкалирования), опирающийся на сочетание разнокачественных показателей (табл. 1). Предлагается группировка почв по степени эродируемости, основанная на учете ключевых свойств почв - содержании гумуса, механическом составе и почвооб-разующих породах. Почвообразующие породы классифицированы авторами по степени эродируемости исходя из их характеристик: мощности и плотности породы.

с

о го'

0

01

С) пэ о «5

"л О "С 3-

00 ш

37'30'Е

38'0'Е

37"30'Е 38"0'Е

Рис. 2. Механический состав почв и почвообразующие породы Крымского района

Механический состав лочв

Глинистые Среднесуглинистые ~  Легкосуглинистые Почвообразующие породы Аллювиальные глины Аллювиальные и озерно-лиманные глины Аллювиальные суглинки Делювиальные глины Лессовидные глины Лёссовидные и аллювиальные глины Лёссовидные суглинки Оэерно-лиманные глины Плотные породы и и к делювий Элювий известняков и мергелей

МО город-герой Новороссийск

МО город-курорт Анапа

Абинский район

-45=0Ъ1

ГП

О

3

ГО

0

3

01 I I а

5

I

а

с ?

о

Г\> 43 С!

"в-§

00

I

П>

тз

-ч

о

о п>

П>

о. §

<5" о

П>

о'

3

Содержание гумуса

в почве, %

- 3

5

4,3

3,5

2,5

1,3

45"0'М

5

<»

П> о

3 §

<»

о;

0

Е

§

П> 0\

1 о-й (и

0 <»

П> О, П>

1 С Сс

О <»

§ N

о *

с Сс

п> со с

0

1

Рис. 3. Содержание гумуса в почве на территории Крымского района

Таблица 1

Классификация почв по степени эродируемости

Степень эродируемости почв Содержание гумуса, % [14] Механический состав [15] Почвообразующие породы [2, 10] балл признака

балл признака балл признака

Минимально эродируемые <8 Т глинистые 1 плотные породы, глинистые плотные породы и их делювий, элювий известняков и мергелей, третичные глины 1

Слабо-эродируемые 6-8 тяжело суглинистые делювий глинистых сланцев и песчаников

2 2

Средне-эродируемые 4-6 средне суглинистые 3 аллювиальные глины, делювиальные глины, делювиальные оглееные глины, оглееные глины 3

Сильно-эродируемые 2-4 Т~ супесчаные и песчаные 4 аллювиальные и озеро-лиманные глины, озеро-лиманные глины, лёссовидные глины, лёссовидные и аллювиальные глины, супеси

4

Чрезвычайно эродируемые >2 т легко суглинистые 5 аллювиальные легкие суглинки, аллювиальные суглинки, лёссовидные суглинки и аллювиальные суглинки, лёссовидные легкие суглинки, лёссовидные суглинки 5

Действенность каждого из приведенных факторов эродируемости почвенного покрова (см. табл. 1) нельзя считать равнозначной. Для оценки эродируемости с учетом заключений, представленных в работах [10-14], авторами был учтен вес факторов в значениях соответствующих коэффициентов по формуле

„ о,4£+о,зо+о,зр

E =-,

3

где Е - степень эродируемости почвы, - содержание физической глины в почве (механический состав), О - содержание гумуса в почве, Р - почвооб-разующая порода.

Результаты

Результаты расчетов с учетом балльных оценок представлены на карте (рис. 4). Наибольшую площадь (41,7 %) в Крымском районе занимают сред-неэродируемые почвы; сильноэродируемые распространены на площади 22,5 % (табл. 2). Минимально и слабоэродируемые приходятся на оставшуюся территорию.

00 СП

37°30'Е -I

I

П>

тз

-ч

о

о

те

П>

о. §

<5" о

-ч П>

о'

3

5

го те

о

3 §

го а

0

Е §

*

те о\

1 О" й (и

0 ГО

те о, те

1 с Сс

о

го §

N

о *

с Сс

тз те

со С

0

1

37°30'Е 38°0'Е

Рис. 4. Эродируемость почв на территории Крымского района

Таблица 2

Эродируемость почв Крымского района

Степень эродируемости Площадь земель

км2 %

Минимально эродируемые 403,6 25,2

Слабоэродируемые 171,4 10,6

Среднеэродируемые 668,5 41,7

Сильноэродируемые 360,9 22,5

Выводы

Предлагаемый способ оценки эродируемости почв по данным Крымского района Краснодарского края, базирующийся на балльной оценке, учитывает основные эрозионные свойства почв (почвообразующие породы, механический состав, содержание гумуса). При картографировании данный способ позволяет использовать преимущества операций в среде ГИС с картами самостоятельных показателей почв в виде растровых изображений.

На исследуемой территории в соответствии с полученными результатами средне- и сильноэродируемые почвы занимают 64,2 % площади, что указывает на необходимость повышенного внимания к комплексу противо-эрозионных решений.

Библиографический список

1. Сафронов, И. Н. Геоморфология Северного Кавказа / И. Н. Сафронов. - Ростов н/Д : Изд-во Ростовского ун-та, 1969. - 219 с.

2. Почвенная карта РСФСР. Масштаб 1:2 500 000 / под ред. В. М. Фридланда. - М. : Фабрика № 10, 1988.

3. Почвенная карта Краснодарского края. Масштаб 1:400 000. - Волгоград, 1990.

4. Агрофизические методы исследования почв / под ред. И. С. Долгова. - М. : Наука, 1966. - 259 с.

5. Богданова, М. Д. Почвенно-геохимическое картографирование / М. Д. Богданова, И. П. Гаврилова, М. И. Герасимова. - М. : АПР, 2008. - 168 с.

6. Заславский, М. Н. Эрозиоведение / М. Н. Заславский. - М. : Экология, 1992. -354 с.

7. Кашанский, А. Д. Составление и использование почвенных карт / А. Д. Ка-шанский. - М. : Агропромиздат, 1987. - 273 с.

8. Почвы Краснодарского края, их использование и охрана / В. Ф Вальков, Ю. А. Штомпель, И. Т. Трубилин, Н. С. Котляров, Г. М. Соляник. - Ростов н/Д : Изд-во СКНЦ ВШ, 1996. - 192 с.

9. Кириченко, К. С. Почвы Краснодарского края / К. С. Кириченко. - Краснодар : Крайгосиздат, 1953. - 236 с.

10. Самойлова, Е. М. Почвообразующие породы / Е. М. Самойлова. - М. : Изд-во Московского ун-та, 1983. - 172 с.

11. Кирюхина, З. П. Эродируемость пахотных почв России в период ливневого стока / З. П. Кирюхина, З. В. Пацукевич // Почвоведение. - 2001. - Вып. 9. -С. 1140-1146.

12. Добровольский, В. В. География почв с основами почвоведения / В. В. Добровольский. - М. : Высш. шк., 1989. - 320 с.

13. Качинский, Н . А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения / Н. А. Качинский. - М. : Сельхозгиз,1958. - 162 с.

14. Русанов, А. М. Комплексная оценка противоэрозионной устойчивости почв / А. М. Русанов // Почвоведение. - 2006. - Вып. 8. - С. 977-982.

15. Савич, В. И. Охрана почв : учеб. / В. И. Савич, В. А. Седых, М. М. Гераськин. -М. : РГАУ - МСХА им. К. А. Тимирязева, 2016. - 391 с.

References

1. Safronov I. N. Geomorfologiya Severnogo Kavkaza [Geomorphology of the North Caucasus]. Rostov-on-Don: Izd-vo Rostovskogo un-ta, 1969, 219 p.

2. Pochvennaya kartaRSFSR. Masshtab 1:2 500 000 [Soil map of RSFSR. Scale 1:2 500 000]. Ed. by V. M. Fridland. Moscow: Fabrika № 10, 1988.

3. Pochvennaya karta Krasnodarskogo kraya. Masshtab 1:400 000 [Soil map of Krasnodar region. Scale 1:400 000]. Volgograd, 1990.

4. Agrofizicheskie metody issledovaniya pochv [Agrophysical soil research methods]. Ed. by I. S. Dolgov. Moscow: Nauka, 1966, 259 p.

5. Bogdanova M. D., Gavrilova I. P., Gerasimova M. I. Pochvenno-geokhimicheskoe kar-tografirovanie [Soil geochemical mapping]. Moscow: APR, 2008, 168 p.

6. Zaslavskiy M. N. Eroziovedenie [Erosion studies]. Moscow: Ekologiya, 1992, 354 p.

7. Kashanskiy A. D. Sostavlenie i ispol'zovanie pochvennykh kart [Creation and application of soil maps]. Moscow: Agropromizdat, 1987, 273 p.

8. Val'kov V. F., Shtompel' Yu. A., Trubilin I. T., Kotlyarov N. S., Solyanik G. M. Pochvy Krasnodarskogo kraya, ikh ispol'zovanie i okhrana [Soils of Krasnodar region, their usage and protection]. Rostov-on-Don: Izd-vo SKNTs VSh, 1996, 192 p.

9. Kirichenko K. S. Pochvy Krasnodarskogo kraya [Soils of Krasnodar region]. Krasnodar: Kraygosizdat, 1953, 236 p.

10. Samoylova E. M. Pochvoobrazuyushchieporody [Soil-forming rocks]. Moscow: Izd-vo Moskovskogo un-ta, 1983, 172 p.

11. Kuyukhina Z. P., Patsukevich Z. V. Pochvovedenie [Pedology]. 2001, iss. 9, pp. 1140-1146.

12. Dobrovol'skiy V. V. Geografiya pochv s osnovami pochvovedeniya [Soil geography with basic pedology]. Moscow: Vyssh. shk., 1989, 320 p.

13. Kachinskiy N. A. Mekhanicheskiy i mikroagregatnyy sostav pochvy, metody ego izu-cheniya [Mechanical and microaggregate composition of soil, study methods thereof]. Moscow: Sel'khozgiz,1958, 162 p.

14. Rusanov A. M. Pochvovedenie [Pedology]. 2006, iss. 8, pp. 977-982.

15. Savich V. I., Sedykh V. A., Geras'kin M. M. Okhrana pochv: ucheb. [Soil protection: textbook]. Moscow: RGAU - MSKhA im. K. A. Timiryazeva, 2016, 391 p.

Киселева Елена Александровна аспирант, Кубанский государственный университет

E-mail: lenakovaleva66@gmail.com

Погорелов Анатолий Валерьевич доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой геоинформатики, Кубанский государственный университет

E-mail: pogorelov_av@bk.ru

Kiseleva Elena Aleksandrovna Postgraduate student, Kuban State University

Pogorelov Anatoly Valer'evich Doctor of geographical sciences, professor, head of sub-department of geoinformatics, Kuban State University

УДК 632.125 Киселева, Е. А.

К оценке эрозионной опасности почв (по данным Крымского района Краснодарского края) / С Е. А. Киселева, А. В. Погорелов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. -2017. - № 2 (18). - С. 78-89. БОТ: 10.21685/2307-9150-2017-2-9