Деградация почвенного покрова 2010 Одна из проблем

Деградация почвенного покрова
2010
Одна из проблем современности - хватит ли земельных ресурсов нашей планеты, для
удовлетворения потребности в сельскохозяйственных продуктах населения Земли, которое
постоянно увеличивается. В среднем, площадь пашни для производства сельскохозяйственной продукции на одного человека в год, при существующем уровне урожая, составляет 0,4
га. Прирост населения нашей планеты за последние десятилетия составляет в среднем 50
млн. человек в год, таким образом, в сельскохозяйственное производство должно вводится
около 20 млн. га новых земель.
Однако земельные ресурсы не безграничны. И в настоящий момент все земли пригодные для обработки, распаханы. Поэтому начинают обрабатывать склоновые земли, а так же
вовлекать в сельскохозяйственное производство засушливые и переувлажненные территории, за счет проведения мелиоративных работ.
Общий баланс земель планеты Земля.
(по М.В.Андриишину, П.Ф.Лойко,1980)
Категория земель
Площадь,
%
к
млн.га.
площади земельного
фонда
Земельный фонд в
13 392
100
целом
Сельскохозяйст4553
33,9 %
венные земли (угодья):
1. Пашня
1417
10,5
2. Сады и план90
0,7
тации
3. Луга и паст3046
22,7
бища
Лес и кустарник
4055
30,2
Малопродуктивы2778
20,8
ные земли:
1.
земли под на402
3,0
селенными
пунктами,
промышлен.
предприятиями, дороги путепроводы.
2.
озера,
реки
317
2,4
водохранилища
3.
Тундра и ле734
5,5
сотундра
400
3,0
4.
Болота
925
6,9
5.
Пустыни
Непродуктивные
земли:
1.
Нарушенные
человеком земли
2.
Пески и овраги
2006
15,1
450
378
1178
3,4
2,8
8,9
1
3.
Ледники
и
снежники
Антарктида
Суша в целом
Мировой океон
Поверхность планеты
1523
14915
36105
51020
10,2
Структура земельного фонда Российской Федерации.
(на 01,01.1995)
Земельные угодья
щадь
Млн.
га
Весь земельный фонд Р.Ф.
1
709,8
В том числе:
Сельскохозяйственные угодья
2
Из них пашня
21,8
Леса и кустарник
1
Болота
30,7
Под водой
7
Пастбища
84,7
Под дорогами, населенными пунк1
тами, путепроводами
02,2
Прочие земли (горы, болота, ледни7
ки и др.) включая нарушенные
1,8
3
28,0
1
3,4
Пло%
100
12,97
7,64
45,89
5,97
4,19
19,18
0,78
10,63
1
81,9
В настоящее время пахотные земли планеты занимают 1,5 млрд. га, т. е. 1/10 часть суши. По оценке различных экспертов, потенциально пригодные для интенсивного сельскохозяйственного использования земли в мире составляют 3-5 млрд. га (не так уж много), если
принять во внимание, что в большинстве случаев для освоения их потребуются мелиоративные работы и соответственно крупные капиталовложения.
Поэтому почвенный покров является общенародным достоянием, главным природным
богатством страны. Ценность почв определяется плодородием, и важнейшей ролью ее в жизни биосферы и географической оболочки земного шара в целом.
Действительно к настоящему времени убедительно показано, что почва является не
только основным средством сельскохозяйственного производства, но и важнейшим компонентом наземных биоценозов, мощным аккумулятором энергии на Земле, регулятором состава атмосферы и гидросферы, надежным барьером на пути миграции загрязняющих ве-
2
ществ. Однако, этот незаменимый компонент биосферы претерпевает значительную деградацию в результате антропогенного воздействия.
В документах Конференции ООН по окружающей среде и развитию, проходившей в
Рио-де-Жанейро в 1992 г., приведены следующие цифры по степени деградации почвенного
покрова Земли: Наибольшая степень деградации – 1%; сильная-15%; умеренная-46%; легкая38%.
По соотношению наиболее распространенных видов деградации: водная зрозия-56%;
ветровая (дефляция)-28%; химическая деградация 12%; физическая – 4%.
Таким образом, на долю водной и ветровой эрозии почв приходится 84% деградированных земель, в силу этого основное внимание данного курса лекций будет посвящено этим
процессам.
Слово «эрозия» имеет иностранное происхождение от латинского «erodere»-разъедать.
Понятие «эрозия» многозначно. Оно используется в почвоведении, геологии, медицине, технике и т.д. В почвоведении это понятие также многозначно, встречаются термины: эрозия
структуры почв, военная эрозия, химическая эрозия, водная и ветровая эрозия.
Под эрозией почвы мы понимаем совокупность взаимосвязанных процессов отрыва,
переноса и отложения почвы (иногда почвообразующей материнской породы) поверхностным стоком временных водных потоков и ветром.
Водная эрозия происходит под влиянием стока дождевых, талых, поливных и сбросных
вод. Эрозия (абразия) берегов морей рек, озер и водохранилищ сюда не входит, поскольку в
этих случаях потоки воды имеют постоянный, а не временный характер. Присутствие слова
«поверхностный» в определении эрозии почвы позволяет отделить ее от суффозии.
Ветровую эрозию почвы часто называют дефляцией почвы. Процессы водной и ветровой эрозии наряду с различиями имеют много общего, как в механизме процессов, так и во
внешних формах их проявления, а также в методах защиты почв. Именно поэтому курс лекций основ охраны почв от эрозии охватывает проблемы защиты почв, как от водной, так и от
ветровой эрозии, а также от совместного их проявления.
Необходимым условием возникновения водной эрозии почвы является сток поверхностных вод и наклон земной поверхности.
Различают три вида стока: ливневой сток, сток при снеготаянии и сток поливной воды.
Им соответствует три вида эрозии почв:
1. Ливневая (дождевая) эрозия;
2.Эрозия при снеготаянии;
3.Ирригационная эрозия.
Указанные виды эрозии различаются не только по источнику сноса, но и по механизму
процесса, а также по величине причиняемого ими ущерба. В различных регионах может преобладать смыв почв от талого или ливневого поверхностного стока. Так, например, в республике «Молдова» ярко выражен ливневой смыв почв.
В западной Сибири преобладает смыв снеготалыми водами. Обусловлено это в первую
очередь продолжительным холодным периодом и накоплением больших запасов снега к моменту весеннего снеготаяния. Процесс снеготаяния и эрозионное воздействие талых вод на
почву, в Сибири обычно составляет 15-25 дней. Продолжительность воздействия ливневых
осадков измеряется минутами, а за весь теплый период часами. Однако в южных районах
при высокой интенсивности ливней за это время смыв может достичь десятков тон с гектара.
Ирригационная эрозия, т.е. эрозия почв при орошении, делиться на подвиды в зависимости от способов орошения: эрозия при поливе напуском по бороздам, по полосам, по чекам; при дождевании. Наибольший смыв почв до 100 т/га происходит при поливе по бороздам.
3
Основные негативные последствия эрозии заключаются в разрушении (смыве) гумусового горизонта почв, т.е. разрушении динамического и экологического равновесного состояния почвенного покрова.
Вместе со смывом плодородного, гумусового горизонта почв, выносятся питательные
вещества, количество которых превышает производство удобрений всех химических заводов
мира (Карпачевсий Лев Оскарович, 2003).
Необходимым условием для формирования стока является уклон земной поверхности.
Поэтому крутизна склонов, их протяженность и расчлененность рельефа, как вертикальная,
так и горизонтальная, является одной из важнейших характеристик, определяющих потенциальную опасность проявления эрозионных процессов.
Большое значение в развитии эрозионных процессов имеет состояние естественной и
культурной растительности, коэффициент проективного покрытия, наличие дернины, длительностью защитного воздействия фитоценозов на почву.
Эрозия почв по форме проявления подразделяется на линейную и плоскостную эрозию.
В результате линейной или овражной эрозии в рельефе появляются борозды - промоины овраги, причем при развитии последних полностью уничтожаются все почвенные горизонты
и обнажаются материнские почвообразующие породы. Экономический ущерб при этом определяется стоимостью площади разрушенных земель и полосой отчуждения по бровкам оврагов.
При плоскостной эрозии формируются смытые в различной степени почвы на значительных площадях. По классификации М.Н.Заславского (1979) .
Категория
%
Снижение
смытости
уменьшения
урожая зерногумуса в слое
вых культур,
почв (0-30 или
ц/га
0-50 см)
Слабосмытые
10-20
10-30
Среднесмытые
20-50
30-50
Сильно смытые
Более 50
50-80
За эталон несмытых почв обычно берется профиль нераспаханного склона одного гипсометрического уровня или почвы на водоразделе.
Новосибирской области из 3 910 тыс. га пашни, эродированные в разной степени почвы занимают площадь 202 тыс. га, на которых ежегодно недобирается десятки тысяч центнеров зерна.
Смыв гумусового горизонта,
Поэтому необходимо дальнейшее изучение эрозионных процессов и выработка комплекса мероприятий, направленных на снижение интенсивности эрозионных процессов и сохранения плодородия почв для будущих поколений.
ЭРОЗИЯ ПОЧВ
Механизм и закономерности проявления процесса.
На земной поверхности наряду с процессами почвообразования протекают различные
процессы денудации, связанные с отделением, переносом и отложением поверхностного
слоя почвы и горных пород, ледниками, талыми и дождевыми водами, ветром и другими
агентами денудации.
Естественные природные процессы денудации протекают очень медленно. Так, например, если со склонов, покрытых девственным лесом, в год с 1 га смывается 5-10 кг почвы, то
при такой интенсивности процесса для смыва слоя почвы в 20 см слоя потребуется 200-400
4
тыс. лет. В то же время ежегодно формируется 1-5 т почвы на 1 га. В этом случае на формирование 20 см слоя почвы в различных почвенно-климатических зонах потребуется от 400 до
2 тыс. лет. Таким образом, в естественных условиях при хорошем растительном покрове
почвы со склонов смываются значительно медленнее, чем формируется.
И.П.Герасимов (1937)высказал мнение, что постепенное обновление верхнего слоя
почвы в результате сноса поверхностных слоев и приближения к поверхности подстилающих пород (т.е. геологическая, нормальная, эрозия) – для многих территорий полезный процесс обновления почвы. Однако этот положительный процесс, приобретает резко негативный характер, когда уничтожается растительный покров и неправильно используется земля.
В этом случае создаются условия для чрезвычайно интенсивного проявления природных
процессов, т.е. возникает антропогенная или ускоренная эрозия, которая приводит к быстрому и сильному разрушению почвенного покрова. В этом случае величина смыва почв, намного превышает величину естественного накопления гумусового горизонта.
Для возникновения как естественной, так и ускоренной эрозии необходим расчлененный рельеф и наличие поверхностного стока дождевого, ирригационного или от снеготаяния.
Поверхностный сток возникает в случае, когда интенсивность поступления воды на
определенную территорию, превышает водопоглотительную способность почвенного покрова этой территории. Поэтому водно-физические свойства почв во многом определяют величину поверхностного стока. В первую очередь фильтрационные свойства почв зависят от их
механического (гранулометрического) состава и объемной массы. Почвы с легким механическим составом и меньшей объемной массой обладают большей инфильтрационной способностью, по сравнению со средними и тяжелыми почвами, и поэтому формируют меньший
поверхностный сток, при прочих равных условиях.
Огромное значение для формирования поверхностного стока имеет растительный покров. Естественный ненарушенный лугово-степной покров и лес во многих случаях полностью поглощают выпадающие осадки и снеготалые воды. При этом даже в случае возникновения поверхностного стока, при выпадении катастрофических (крупных) ливней, естественная растительность с хорошо развитой дерниной предохраняет почву от размыва. Поэтому в естественных условиях, протекают медленные геологические процессы денудации, как
мы уже отмечали выше.
Культурная растительность в разной степени защищает почву от размыва и смыва.
Наибольшей защитной способностью обладают однолетние и многолетние сеяные травы.
Зерновые и пропашные культуры обладают значительно меньшей защитной способностью.
Обусловлено это, прежде всего технологией их возделывания, нахождением почвы в оголенном состоянии, и необходимостью ежегодной предпосевной вспашки.
В начале лета в момент всходов и кущения зерновые культуры обладают малым проективным покрытием почвы, а корневая система очень слабая. При выпадении ливней с большой интенсивностью и значительным слоем (более 20 мм), формируется поверхностный
сток. В этом случае зачастую посевы повреждаются, вымываются с корнями, концентрированными временными ручьями в тальвегах ложбин стока. В связи с тем, что выращивание
зерновых и пропашных культур происходит на основной территории распаханных площадей,
и является насущной необходимостью, для производства продуктов питания, проблема проявления эрозионных процессов остается открытой. В настоящее время уже выработано много противоэрозионных комплексных мероприятий, но полностью предотвратить смыв почв с
полей пока не представляется возможным. Поэтому в настоящее время речь идет о сокращения смыва почв до предельно допустимых значений, не приводящих к деградации почвенного покрова.
Расчлененный рельеф возделываемых полей является основным фактором приводящий
поверхностный сток в движение, и придающий ему ту или иную эродирующую способность.
Идеальными условиями для возделывания зерновых являются плоские водораздельные про-
5
странства с уклонами до 1 градуса. Однако в ландшафтах такие территории занимают ограниченные площади, основную часть занимают склоновые земли. В сельскохозяйственном
производстве допускается распашка склонов с углами до 5-6 . На склоновых землях формируется поверхностный сток, причем, чем круче склон, тем большей энергией обладает водный поток, и тем большую эродирующую работу он совершает. В результате смыва почв на
склонах формируются смытые в различной степени почвы. Степень смытости почвы зависит
от многих факторов, но в первую очередь определяется крутизной и длиной склона. Чем
длиннее и круче склон, тем большую степень смытости имеют почвы. Соответственно степени смытости почв происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур.
Другим видом проявления эрозионной деятельности водных потоков является линейная или овражная эрозия почв. Название линейная отражает многочисленные линейно вытянутые эрозионные формы, возникающие при этом: эрозионная борозда, промоина, канава,
овраг. Характерной особенностью всех этих форм является наличие крутых и обрывистых
незадернованных склонов, невыработанный продольный профиль тальвега. Глубина оврагов
измеряется от нескольких до первых десятков метров.
По генезису овраги подразделяются на склоновые (береговые) первичные и донные.
Склоновые овраги разрушают крутые первичные склоны и берега гидрографической сети.
Донные прорезают днища древней суходольной–балочной сети. Овраги, как склоновые, так
и донные, разрушают не только почвенные горизонты, но и рыхлые почвообразующие породы и полностью выводят земли из сельскохозяйственного оборота.
В эродированных районах непосредственно под оврагами находится от 0,8 до 2% площади земель (Сурмач,1976). Скорость прироста вершин оврагов составляет от 2-3 до 10-15 м
в год. В отдельные годы экстремальный прирост может достигать 22-33 м в год. Необходимо
отметить, что использование заовраженных земель в сельском хозяйстве возможно лишь
только после проведения ре-культивационных работ.
Ветровая эрозия или дефляция в отличие от водной эрозии может проявляться не
только на склоновых землях, но и на совершенно ровных территориях. Основным фактором
при этом служит ветер. Дефляционно-опасными являются обширные равнинные, безлесные
территории. Для Западной Сибири это большая часть Омской области и юго-западные территории Новосибирской области и Алтайского края. Так в Новосибирской области площадь
дефлированных почв 245,2 тыс. га, Омской –1294,4 и Алтайском крае – 2365,7 тыс.га. Всего
– 3905,3 га.
Необходимым условием, при котором возникает дефляция является уничтожение естественной лугово-степной растительности. В СССР вспышка ветровой эрозии наблюдалась в
1956-60 гг. после широкой распашки целинных и залежных земель. Тогда громадные площади были распаханы отвальной зябью, в результате несколько лет наблюдались пыльные бури, причем пыль доходила до Новосибирска и Томска. В результате было дефлированы тысячи гектаров пашни. Последующие работы по внедрению плоскорезной обработки почвы с
оставлением стерни на поверхности, посадка ветроломных и полезащитных лесополос и другие мероприятия позволили существенно сократить интенсивность дефляционных процессов
на этой территории. Однако дефляционные процессы в той или иной мере продолжают проявляться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭРОЗИИ ПОЧВ
Закономерности движения жидкости и газа
Основные гидравлические характеристики потока
Живым сечением потока называется поперечное сечение водного потока и выражается в см или м. Длина линии контакта живого сечения потока с ложем потока называется
периметром смоченности - x и измеряется в м или см. Отношение площади живого сечения
6
к периметру смоченности называется гидравлическим радиусом - R, имеющим размерность
длины.
Для достаточно широких русел периметр смоченности мало отличается от ширины потока, поэтому гидравлический радиус примерно равен глубине потока - H.
Объем воды, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени, называется расходом потока Q , и выражается в м3/с; или л3/с.
Длина пути, проходимого водой в единицу времени, называется скоростью потока и
измеряется в м/с или см/с.
В реальных условиях скорость воды в потоке в разных точках живого сечения не постоянна. В открытых потоках (имеющих поверхность раздела вода - воздух) максимальная
скорость потока наблюдается вблизи поверхности, а минимальная – у дна. Поэтому для реальных потоков вводится понятие средней скорости -V, определяемой как фиктивная постоянная для всех точек живого сечения потока, при которой расход воды такой же, как и при
истинном распределении скоростей. Тогда можно записать, что расход потока в данном сечении равен произведению площади живого сечения на среднюю скорость в этом сечении:
Q= V . Отсюда средняя скорость -V будет равна расходу Q деленному на живое сечение .
Режимы потока.
Ламинарный режим – характеризуется упорядоченным параллельно-струйным движением без образования вихрей.
Турбулентный режим – характеризуется беспорядочным движением, когда струи постоянно отклоняются и пересекаются друг с другом. Скорость в турбулентном потоке непрерывно пульсирует, изменяясь как по величине, так и по направлению. Однако, несмотря на
это, направление поступательного движения потока остается неизменным.
Скорость в каждый данный момент времени в заданной точке называется мгновенной
скоростью. Пульсация продольных составляющих скорости потока в различных его частях
неодинакова. В придонных областях малых потоков она уменьшается.
Следует отметить, что непосредственно у твердой стенки даже в турбулентных потоках
существует весьма тонкий слой, в котором скорости, в том числе и пульсационные, равны
нулю. Выше расположен тонкий пристеночный слой, так называемый вязкий подслой потока, который отличается по своим свойствам от основной толщи потока, называемой турбулентным ядром. Долгое время считали, что в пределах этого слоя движение является ламинарным, и пульсация скорости в нем отсутствуют, однако в настоящее время установлено,
что пульсации скоростей и давления все же передаются и в вязкий подслой.
Показателем степени турбулентности является безразмерное число Рейнольдса Re, определяемое по формуле Re = VH
; где: H- глубина потока, м, V- средняя скорость м/с; кинематическая вязкость ( при t- 20 оC для воды, = 10 –6 м2/с). Плотность жидкости и ее вязкость уменьшается при повышении температуры.
Для потоков с открытой водной поверхностью ламинарный режим наблюдается при Re
300, а турбулентный – при Re 600. При значении числа Re от 300 до 600 поток может
быть либо турбулентным, либо ламинарным в зависимости от шероховатости и характера
русла.
Турбулентность потока имеет большое значение для развития эрозионных процессов.
Частицы почвы отрываются от поверхности в результате воздействия струй воды с высокими
мгновенными значениями скорости, соответствующими максимальным пульсациям скорости
потока. Кроме того, под действием длительной пульсирующей нагрузки со стороны потока
на почвенные частицы происходит постепенное ослабление внутри- и меж агрегатного сцепления, которое в результате приводит к снижению противоэрозионной стойкости почвы или
7
грунта. Пульсацию скорости в турбулентных потоках учитывают путем введения соответствующего коэффициента в уравнение критической скорости потока. Следует добавить, что
большую роль в переносе частиц играют вихри, которые также формируются в турбулентных потоках.
В природных условиях ламинарные потоки могут встречаться лишь на хорошо задернованных склонах, где вода течет ровным слоем малой глубины с небольшими скоростями, а
также на распаханных склонах в начальной фазе снеготаяния, когда талая вода испытывает
на своем пути сопротивление снега. Фильтрационные потоки в почве также характеризуются
ламинарным режимом ввиду малого диаметра пор и незначительной скорости. Турбулентное
же движение преобладает в текущих водах и в атмосфере, с ним связаны процессы водной и
ветровой эрозии.
Закономерности движения жидкости.
Значительная роль в ламинарном движении жидкости принадлежит ее вязкости. Именно благодаря вязкости формируется непрерывное скоростное поле потока. Основное уравнение теории вязкого потока жидкости, показывает, что при стационарном движении потока
действующая сила- уравновешивается силами внутреннего трения жидкости.
Следовательно, можно записать: средняя скорость
-V = gIH2
3 ;
где g – ускорение силы тяжести I- Sin ( -угол наклона днища русла к горизонту), Hглубина потока,
- кинематическая вязкость(м2/c). Полученная зависимость носит имя
французского ученого Пуазейля.
При турбулентном режиме потока жидкости используется знаменитая формула французского инженера Шези, разработанная им для определения скорости движения воды в каналах в 1768 году.
V= C RI, которая при R ~ Н принимает вид: V= C HI
Где V- средняя скорость потока, м/с; С – коэффициент Шези, м 0,5/c; R-гидравлический
радиус, м; Н – глубина потока, м; I- Sin , - угол наклона водной поверхности, который при
равномерном движении равен углу наклона склона.
Для расчета коэффициента Шези используют ряд эмпирических формул. Наиболее
простая из них – формула Маннинга: С = R 1/6
nм
где nм – коэффициент шероховатости. Более сложная формула Павловского (сокращенная): С = R 1/6 nп
nп
при R 1 м, где nп коэффициент шероховатости.
Применительно к склоновым потокам, у которых ширина значительно больше глубины, гидравлический радиус R потока в формулах можно заменить на его глубину H.
Коэффициент шероховатости поверхности
Величина коэффициента шероховатости определяется величиной выступов на дне и
стенках русла, формой русла в плане, наличием в нем растительности и других источников
местных сопротивлений. Значение коэффициента шероховатости можно рассчитать по формулам, измерив среднюю скорость потока, гидравлический радиус и уклон водной поверхности. Для прямых и незаросших русел коэффициент шероховатости (nп), связан тесной зависимостью с величиной выступов шероховатости. Эта зависимость имеет вид: nп = 0,044 1/6,
где – высота выступов шероховатости в м. Коэффициент шероховатости характеризует
шероховатость, создаваемую равно- или разнозернистыми грунтами, формирующими ложе
потоков, равномерно распределенную по их длине. Для потоков на склонах актуальным является вопрос о дополнительных или так называемых » местных» сопротивлениях. В при-
8
родных условиях источники местного сопротивления в большинстве случаев рассредоточены в русле беспорядочно. К ним относятся: массивные выступы, донные гряды, растения.
Именно растения являются основным источником местных сопротивлений и причиной увеличения коэффициента шероховатости. При этом большое значение имеет густота растительности и высота растительности по отношению к глубине потока воды.
Коэффициент шероховатости поверхности склонов в формуле Павловского nп.
Характеристика поверхности склонов
Поливные борозды с прямым, чистым и гладким ложем.
Такие же борозды, недостаточно спланированные; сравнительно
прямые и ровные русла водотоков
Борозды в междурядьях пропашных культур вдоль склона; ровные склоны без дернины; сравнительно ровные и прямые промоины
на склонах и по дну оврага
Пашня после культивации; промоины на склонах и по дну оврагов с неровным дном, извилистые, засоренные породой и растительностью; русла балок, заросшие растительностью, без промоин
Заросшие борозды в междурядьях пропашных культур вдоль
склона; выгон с редкой травой
Выгон со скошенной травой средней густоты; зерновые
Выгон с нескошенной травой средней густоты
Выгон с густой травой; двухлетняя густая трава
Кочковатая заросшая поверхность, очень густая трава
Nп
0,025
0,030
0,033
0,040
0,050
0,067
0,080
0,100
0,133
Более высокие значения коэффициента шероховатости при малых скоростях потока
обусловлены, тем что в этом случае каждый выступ в полной мере проявляет свое тормозящее действие, тогда как при больших скоростях часть из них попадает в «гидравлическую
тень» более крупных выступов. Данные по коэффициентам шероховатости реальных склоновых потоков весьма немногочисленны, часть из них представлена в таблице 1.
Распределение скоростей водного и ветрового потоков
по вертикали
Ламинарный и турбулентный потоки различаются по характеру вертикального распределния продольных скоростей потока. При ламинарном режиме движения скорость постепенно уменьшается от поверхностных слоев к глубинным за счет трения слоев жидкости
друг о друга. В турбулентных потоках распределение продольной скорости Uh определяется
криволинейной зависимостью, причем максимальные скорости потока наблюдается вблизи
поверхности потока , а минимум – у дна. Однако в турбулентном потоке, в отличие от ламинарного, происходит выравнивание скоростей в значительной толще потока, и лишь в нижних слоях скорость его резко падает.
Выступы геометрической шероховатости высотой на дне потока. Скорость потока на
уровне выступов шероховатости называется донной скоростью и обозначается U .
Для практических расчетов, связанных с распределением продольных скоростей
водного потока по вертикали, используются формулы степенного и логарифмического вида.
В реальных склоновых потоках профиль скоростей часто бывает деформирован в
результате местных сопротивлений, однако соотношение донных и средних скоростей при
этом сохраняются.
В потоках с песчаным дном величина выступов шероховатости обусловлена диаметром
частиц. Если представить, что песчинки одного и того же диаметра лежат ровным слоем,
тесно соприкасаясь друг с другом, то величина выступов шероховатости окажется равной
9
половине диаметра частиц. Однако в природных условиях для дна рек справедливо следующее соотношение: = 0,7 d, где d – средний диаметр песчинок.
Для русел потоков, текущих по поверхности почвы, шероховатость обусловлена диаметром водопрочных агрегатов почвы, так как, неводопрочные – быстро разрушаются в потоке воды. При этом выполняется подобное же соотношение:
= 0,7 d1, где d1 – средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов, найденный по результатам структурного анализа почвы по методу Саввинова ( «мокрое» просеивание).
Для ветровой эрозии
В основу практических расчетов, связанных с распределением усредненных продольных скоростей воздушного потока (далее просто - скоростей) по вертикали, применяют логарифмическую зависимость Z o - расстояние от поверхности почвы, на котором скорость воздушного потока предполагается равной нулю, м. Оно связано с высотой неровностей на поверхности: чем выше неровности, тем сильнее тормозится воздушный поток, тем больше zo.
В связи с этим величину zo назвали параметром шероховатости почвенной поверхности для
ветрового потока.
Поскольку параметр шероховатости является характеристикой аэродинамического сопротивления поверхности, то он зависит от величины и состояния неровностей этой поверхности, т.е. от величины выступов на поверхности почвы, представленных почвенными агрегатами, гребнями борозд и выбросами землероев, при условии отсутствия растительности.
При наличии растительности величина Zo в 7 – 300 раз меньше средней высоты растений. Такой большой разброс значений коэффициента указывает на то, что параметр шероховатости зависит не только от высоты растений или леса. Он, обусловлен очевидно, от полноты насаждений, его формы, биологическим видом растительности, ее возрастом или фазой
развития.
Формирование стока поверхностных вод
Понятия – водораздельная линия, водосборная площадь, бассейн.
Для понимания данного раздела необходимо иметь общее представление о водосборном бассейне.
Водораздельной линией (или водоразделом) называется линия проходящая по наивысшим абсолютным точкам местности. От водораздела поверхностные воды стекают в разные
стороны. Площадь ограниченная водораздельной линией, называется водосборной площадью
или водосбором. Грунтовые воды, как и поверхностные, стекают в данный водоем с определенной площади, называемой водосбором грунтовых вод. Он также ограничен водораздельной линией, проходящей по наивысшим точкам водоупорного слоя грунта, однако выявить
ее бывает очень трудно. В связи с этим в гидрологии введено понятие «бассейн», под которым понимают площадь, с которой стекают поверхностные и грунтовые воды. Эта площадь
приравнивается к площади водосбора поверхностных вод, при этом пренебрегают несовпадением водораздельных линий этих водосборов.
Чтобы очертить на топографической карте водосбор оврага, балки или реки, необходимо провести линнию водоразделв из их устья замыкающего створа, перпендикулярную горизонталям и проходящую между одноименными горизонталями, и замкнуть ее на другом
конце замыкающего створа.
Элементы баланса воды для бассейна
Уравнение водного баланса для бассейна за данный промежуток времени можно записать:
X = y + a + b,
Где x – объем выпавших осадков, y - объем поверхностного стока, b – объем воды пошедший на изменение запаса воды в бассейне (изменения уровня грунтовых вод, объема водоемов, влажности почвы).
10
Отношение объема поверхностного стока к объему выпавших осадков называется коэффициентом стока :
= y/x.
При одинаковом количестве осадков коэффициент стока зависит главным образом, от
водопроницаемости почв и грунтов. Обычно тяжелые по гранулометрическому составу почвы имеют меньшую водопроницаемость по сравнению с легкими. Почвы с уплотненными
горизонтами также обладают низкой водопроницаемостью.
Большое значение для водопроницаемости почв имеет водопрочность их структуры,
зависящая от содержания и качественного состава гумуса, состава обменных оснований и
других факторов.
Растительность также оказывает многообразное влияние на водопроницаемость. Надземная часть растений предохраняет поверхность почв от разрушения прямыми ударами дождевых капель, а корневая система повышает водопрочность структуры почвы, и после отмирания оставляет в почве пустоты и микропустоты, по которым вода быстро проникает
вглубь почвенного профиля. Поэтому естественные лугово-степные ландшафты и лес, обладают исключительно высокой водопроницаемостью и, следовательно, малыми объемами поверхностного стока.
Для обрабатываемых почв большое значение имеет глубина, направление и вид обработки.
Таблица. 3
Коэффициент стока при дождях
Почвы
Суточный слой осадков, мм
100
1
1
1
120
140
160
Дерново-подзолистые и серые
0
0
0
0
0
лесные; черноземы суглинистые
0, 35
0,37
0,40
0,47
0,51
Черноземы обыкновенный и юж0
0
0
0
0
ный, каштановые почвы на лессах
0,20
0,24
0,28
0,33
0,37
Бурые и серо-бурые почвы серо0
0
0
0
0
земы супесчаные и песчаные
0,15
0,19
0,23
0,31
0,34
Величина коэффициента стока зависит также от крутизны склона. Чем круче склон, тем
больше скорость стекания и, следовательно, меньше время взаимодействия почвы с данной
порцией воды. Поэтому с увеличением крутизны склона коэффициент стока возрастает.
Величина коэффициента стока зависит и от длины склона. Ее увеличение, при прочих
равных условиях, приводит к уменьшению (редукции) стока прежде всего в связи с увеличением доли поверхности занятой водой и участвующей во впитывании.
Коэффициент стока при весеннем снеготаянии зависит от водопоглотительной способности мерзлых почв, которая определяется количеством свободных не занятых льдом пор.
Последнее зависит от исходной пористости почв, сложения пахотного горизонта, осенней
влажности, степени и глубины промерзания почв. Кроме этого объем весеннего стока обуславливается запасами воды в снеге, характером погоды при снеготаянии.
Таблица 4
Коэффициент весеннего стока для некоторых районов России
Районы
Угодье
Озимые
Зябь
Мн.
Травы
Центральный
0,5 - 0,8
0,4 – 0,6
0,6 - 0,85
Центрально0,5 – 0,75
0,3 – 0,5
0,6 – 0,8
черноземный
Поволжский
0,4 – 0,6
0,1 – 0,3
0,5 – 0,7
80
11
Западно0,5 – 0,6
0,45–0,6
0,7 – 0,85
Сибирский
Многофакторная зависимость коэффициента поверхностного стока весной отражена в
цифровых показателях таблицы.
Поверхностный сток с определенной водосборной площади за какой-либо промежуток
времени, называется суммарным объемом стока обозначается – М и выражается в литрах,
кубических метрах или км.
Сток с бассейна за одну секунду называется расходом стока обозначается – Q.
Слой стока h – это суммарный объем стока М (м3) разделенный на площадь водосбора
F (км2), измеряется в мм;
Величина стока с единицы водосборной площади называется модулем стока и обычно
измеряется в литрах в сек. с 1 га ( л/ [с.га]) обозначается q.
Среднее многолетнее значение стока называется его нормой и может выражаться его
средним расходом, слоем и модулем. Поскольку наиболее удачным для картографирования
является модуль стока, его величину, отнесенную к центру тяжести водосборной площади,
наносят на карту и вычерчивают карту изолиний норм стока. По такой карте легко можно
определить средний многолетний объем годового стока с определенной территории.
Изменчивость стока.
При проектировании противоэрозионных сооружений и мероприятий недостаточно
знать средние показатели стока, так как при расчете гидросооружений на средние значения
объемов стока, они не справятся с безопасным сбросом стока при выпадении более крупных
ливней, чем средние. Поэтому противоэрозионные сооружения рассчитывают на максимальный сток, который может встретиться один раз в некоторое число лет, т. е. вводится понятие
обеспеченности стока (или вероятности превышения). Обеспеченностью сока называется
частота появления стока расчетной величины ( или превышающей расчетную) на протяжении длительного отрезка времени. Обеспеченность принято выражать в процентах. Если сток
бывает не менее заданной величины десять раз в 100 лет, то обеспеченность составляет 10%;
если 5 раз в 100 лет, то 5% и так далее.
Для проектирования гидротехнических противоэрозионных сооружений и мероприятий выбирается обеспеченность 5-10%, а для лесомелиоративных и агротехнических – 1025%. Очевидно, что чем меньше выбранная обеспеченность, тем большая гарантия сохранности созданных сооружений.
Критические скорости водного и воздушного потоков.
Пусть на дне потока лежит частица со средним диаметром d . Рассмотрим силы действующие на эту частицу. На переднюю ее грань поток оказывает положительное давление,
как на любое препятствие встречающееся на пути потока. На тыльную - отрицательное , за
счет образования за частицей зоны завихрений и циркуляций. Сумма сил, обусловленных
положительным давлением на переднюю грань частицы и отрицательным давлением на заднюю, называется лобовой силой Pл. Кроме этого, на частицу действует подъемная сила Рп,
обусловленная положительным давлением потока на нижнюю грань передней части частицы
и отрицательным давлением на верхнюю грань, возникающим при обтекании ее потоком.
В результате совокупного воздействия этих сил при достижении определенной скорости, частица отрывается и перемещается путем перекатывания. Та наименьшая скорость потока, при которой еще не происходит перемещение частиц называется неразмывающей
скоростью. V н
При дальнейшем увеличении скорости потока, число частиц почвы или грунта, вовлеченных в движение, увеличивается. При этом некоторые частицы начинают передвигаться
не только перекатыванием, но и скачками. Подскакивают частицы по очень крутой траектории, а снижаются по пологой. Высота скачка прямо пропорциональна отношению плотности
12
среды к плотности частицы. Поэтому при одинаковом силовом воздействии потока на частицу почвы высота скачка в воздушном потоке примерно в 800 раз больше, чем в водном. Скорость водного потока, при которой начинается скачкообразное движение частиц, называется
скорость начала скачка V2. При скоростях потока в интервале между Vн V2, происходит
формирование гряд на дне потока, которые движутся к устью потока. При скорости выше V2
наблюдается размывание гряд и их полное исчезновение.
Дальнейшее увеличение скорости водного потока приводит к появлению в потоке
взвешенных частиц, называется скоростью начала взвешивания частиц - Vв.
Предположим далее, что скорость потока несущего взвешенные наносы, начинает
уменьшаться. Тогда по достижению некоторой величины этой скорости начинается оседание
взвешенных частиц на дно. Минимальная скорость потока, при которой этого не происходит,
называется незаиляющей скоростью V нез.
Перечисленные выше скорости потока имеют определенный физический смысл, и важны для познания процесса формирования русла водного потока. Для процесса эрозии почв
наибольшее значение имеет так называемая размывающая скорость потока V р, под которой понимается та наименьшая скорость, при которой наступает непрекращающийся
срыв почвенных частиц, приводящий к заметной эрозии почв.
Размывающая и неразмывающая скорости потока связаны соотношением: Vр = 1,41
Vн.
Определение размывающей скорости водного потока для конкретных почвенных условий представляет довольно сложную задачу. Так формула размывающей скорости
М.С.Кузнецова (1981) включает следующие показатели:
Vpw- донная размывающая скорость потока для почвы исходной влажности w, м/с;
g- ускорение силы тяжести;
m1-коэффициент, зависящей от типа наносов в потоке;
m2 -коэффициент, характеризующий связывающее действие корневых систем растений
и зависящий от содержания корней диаметром менее 1 мм;
- o -соответственно, плотность твержой фазыпочвы и воды, т/м3;
1
n -коэффициент, характеризующий пульсацию скоростей в потоке и принимаемый равным 2,3 для потоков на склонах;
P- порозность почвенных агрегатов,%;
d w-средневзвешенный размер водопрочных агрегатов после мокрого просеивания;
- угол наклона потока, град;
Cну- нормативная усталостная прочность почвы на разрыв, характеризующая межагрегатное сцепление, т/м2.
К- коэффициент однородности почвы по сцеплению. Таким образом использование
этой формулы позволяет довольно точно определить размывающую (критическую) скорость
водного потока для любой почвы, исходя из показателей некоторых ее свойств и растительности. Знание критических (размывающих)скоростей необходимо для оценки потенциальной
опасности развития эрозии и для расчета противоэрозионных мероприятий. В процессе экспериментальных работ выявлено, что величина смыва почв не превышает допустимых пределов, если скорость потока оказывается ниже или равной так называемой допустимой скорости потокаVдоп., составляющей 0,8 размывающей скорости:
Vдоп., =0,8Vр.
Для расчета размывающих скоростей потока существует целый ряд более сложных
формул, в которых применяются трудно определяемые показатели почв, грунтов, растительности, тальвега водотока и др.
Транспорт и аккумуляция наносов.
Для водного потока
13
Для правильного понимания процесса эрозии важно учитывать не только размывающую, но и транспортирующую способность потока. Под транспортирующей способностью
потока понимают наибольший возможный при данном гидравлическом режиме потока расход наносов.
Поток может переносить частицы либо перекатыванием и волочением по дну, либо во
взвешенном состоянии. Скачкообразное перемещение (сальтация) является переходной формой движения частиц. Перекатывание и волочение частиц происходит преимущественно под
действием лобового усилия при сравнительно малых скоростях потока. При увеличении скорости подъемное усилие, вызывает скачкообразное движение частиц. При еще более высоких скоростях оторванные частицы уже не возвращаются на дно, а подхватываются вихрями,
возникающими в придонной области, и поднимаются в толщу потока. По мере приближения
к поверхности потока энергия вихря уменьшается, и частица под действием силы тяжести
движется по пологой кривой вниз, однако новый вихрь подхватывает ее и снова выносит
вверх. Чем крупнее частица тем труднее подняться ей до поверхности потока. Поэтому
крупные частицы концентрируются преимущественно в придонной области, а тонкие – относительно равномерно распределены в толще потока. Это приводит к увеличению суммарной
концентрации наносов (мутности) от поверхности к дну.
Увеличение скорости потока сопровождается увеличением его транспортирующей способности и выражается формулой Эри: P=AV6;
Где Р- вес переносимой частицы; А- коэффициент, зависящий от уклона дна, формы и
плотности частицы и глубины потока; V- средняя скорость потока.
Расчет твердого расхода производится раздельно для влекомых и взвешенных наносов.
Расход наносов связан прямой зависимостью со скоростью потока и обратной – с гидравлической крупностью влекомых частиц. Гидравлической крупностью частиц называется скорость осаждения частиц в неподвижной воде. Расчет скоростей падения механических частиц почвы обычно проводят по формуле Стокса, в которой учитываются:
r – эффективный радиус падающей частицы; 1- удельный вес частицы; - удельный
вес жидкости, в которой ведется анализ; g - ускорение силы тяжести при свободном падении
тела; - вязкость жидкости.
Эта закономерность положена в основу методики проведения механического анализа
почв. Для примера частица диаметром 0,5 мм имеет гидравлический радиус или скорость падения 52,8 мм/с; d- 0,05мм – 1,25 мм/с и d-0,005мм – 0,01 мм/с.
При дефляции (ветровой эрозии).
Для ветровой эрозии, как и для водной, характерными являются не только процесс отрыва частиц, но и процессы их переноса и аккумуляции. В каждом явлении ветровой эрозии
почв наблюдается четыре стадии: дефляции, трансформации, аккумуляции и стабилизации,
которые закономерно сменяют друг друга в пространстве и во времени. Каждой из стадий
соответствует свой тип нарушения почвенного покрова.
На начальной стадии дефляции, под действием пульсирующего воздушного потока
происходит ослабление и нарушение связей между отдельными частицами поверхностного
слоя почвы, сопровождающееся их отрывом и переносом. На этой стадии начинается формирование двух фазного потока воздух-почва. Твердая фаза этого потока представлена катящимися по поверхности, скачущими или взвешенными в воздушном потоке частицами. Разделение частиц на скачущие и летящие достаточно условно. Тип движения каждой частицы в
конечном итоге определяется ее размерами и скоростью ветра, а эти характеристики периодически их меняются. Если вертикальная составляющая скорости ветра, направленная вверх,
превышает аэроразмер частицы (аналог гидравлической крупности), то частица будет перемещаться во взвешенном состоянии, причем высота, дальность и продолжительность полета
обратно пропорциональны размеру частиц.
14
Характерной особенностью стадии дефляции, является то. Что число отрывающихся от
поверхности частиц превышает число возвращающихся на поверхность за то же время. В результате формируются зоны выдувания и участки дефлированных почв. Со временем интенсивность выдувания в наветренной части местности начинает уменьшаться вследствие самоотмостки или падения скорости ветра и стадия дефляции переходит в стадию стабилизации.
Явление самоотмостки обусловлено селективностью выдувания, в первую очередь выносятся наиболее подвижные частицы, а менее подвижные и крупные остаются на месте. И со
временем при постоянном ветровом потоке, сдувание почвы прекратиться. Однако известны
случаи, когда ветровая эрозия прекращалась только после сдувания (выноса) всего пахотного
слоя и выхода на поверхность плужной подошвы.
Если длина поля достаточна для насыщения ветрового потока твердой фазой, стадия
дефляции сменяется стадией трансформации. При которой двухфазный поток и почва находятся в стадии, близкой к динамическому равновесию; т.е. число частиц покинувших почвенную поверхность в единицу времени, равно числу частиц, выпавших из ветрового потока
за это же время.
Большинство авторов моделей насыщенного переноса сходятся на том, что расход
твердой фазы почвенно-воздушного потока пропорционален кубу скорости ветра. Для стадии трансформации характерно формирование комплекса свеянно-навеянных почв представленных в виде микродюн на поверхности почвы.
Стадия трансформации сменяется стадией аккумуляции для которой характерно преобладание процессов отложения твердой фазы из потока над процессами отрыва и выноса.
Причиной этого служит снижение транспортирующей способности ветра, которое обусловлено снижением его скорости. Чаще всего это происходит либо в результате встречи потока
с каким либо препятствием (выступающими формами рельефа, растениями, деревьями, инженерными сооружениями и др.), либо в результате резкого увеличения живого сечения потока (при пересечении долины реки, балки, оврага и т.п.). Моделирование ветроэрозионного
процесса имеет большие трудности и разработано в меньшей степени.
ФАКТОРЫ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ.
Климатические факторы.
Непосредственное влияние на размах эрозионных процессов, оказывают суммарное количество осадков, их вид, продолжительность, интенсивность, а также время выпадения.
Опосредованно на развитие эрозионных процессов влияют температура, влажность воздуха,
а так же скорость и продолжительность ветра.
Эрозия почвы во время дождя происходит при совместном воздействии потока воды и
падающих капель. Капли дождя разрушают структуру почвы, создают в потоке добавочную
турбулентность, повышающую ее размывающую и транспортирующую способность. Капли
дождя несут большую энергию, однако большая ее часть (2/3) расходуется на уплотнение
почвы и меньшая на отрыв и перемещение частиц почвы. Удары капель дождя заставляют
подниматься в воздух тонны почвы на одном гектаре, но только небольшая часть ее выносится потоками воды. Само по себе разбрызгивание почвы также может привести к некоторому перемещению частиц с верхней части склона на нижнюю, если уклон достаточно выражен. Это связано с тем, что траектория движения частиц при всплесках вниз по склону
длиннее, чем вверх.
Энергия дождевой капли, определяющая размер причиняемых почве разрушений в
месте ее падения, зависит от размера капли (т.е. от ее массы) и ее скорости. Известно что при
движении капли в воздухе скорость ее падения становиться постоянной, а численное ее значение зависит от состояния атмосферы и от размера капли. Vк= 13 dк ,
Где Vк – скорость падения дождевой, м/с; dк - диаметр капли, см. Для практических целей можно использовать следующие соотношения, dк 0,5мм-2,06 м/с; -1мм-4,03; 2-6,49;38,06;4-8,83; 5- 9,09; 6- 9,30. Постоянная скорость падения крупной капли достигается при па-
15
дении ее с высоты около 20 м. Это обстоятельство необходимо учитывать при прогнозе эрозии почв от ливней и при орошении.
По размеру капель дожди неоднородны, поэтому можно говорить лишь о преобладающем размере капель, для дождей интенсивностью 1-2 мм/мин, преобладают капли 2-3
мм, при интенсивности 2-4 мм/мин диаметр капель около 3-4 мм. Существует тесная обратная связь между интенсивностью дождя и его продолжительностью т.е. чем больше интенсивность тем короче ливень.
На первый взгляд эрозия почв должна получить большое развитие в наиболее увлажненных регионах. В действительности переплетение причинно-следственных связей, обуславливающих характер развития эрозии почв, гораздо сложнее. Сопоставление количественных показателей увлажненности территорий и пораженности их эрозионными процессами не показало существенной связи между суммарным количеством осадков и размахом эрозии. Одной из причин такого положения дел является то, что величина смыва почв теснее
всего связана не с общим количеством осадков, а сих интенсивностью. Причем имеет большое значение не осредненная интенсивность осадков за весь дождь, а только за некоторый
его интервал, приуроченный к пиковому (наибольшему) значению интенсивности ливня. Поэтому в ходе экспериментальных исследований обычно связывают величину смыва почвы за
один ливень пяти -, десяти-, двадцати- и тридцатиминутной интенсивности.
Пятиминутная интенсивность дождей в разных регионах: Предуралье-0,8 мм/мин;
Подмосковье- 1,7; Западная Сибирь – 1,9; Молдова – 3,0; Колхида – 3,8 мм/мин.
При увеличении выбранного интервала времени максимальная интенсивность дождей
падает. Так, например, 30-минутная интенсивность ливней 20% обеспеченности, составляет
для: Предуралья- 0,6; Подмосковья –0,8 мм/мин; Западная Сибирь – 0,9; Молдова –
2,2;Закавказья –2,4 мм/мин.
Таким образом, интенсивность ливней подчиняется определенным географическим закономерностям и обуславливают увеличение дождевой эрозии почв с севера на юг.
Масштабы эрозии при снеготаянии определяются параметрами стока талых вод, которые обусловлены климатическими особенностями конкретной местности, водопроницаемостью мерзлой почвы и ее противоэрозионной устойчивостью. Поэтому размах эрозии при
снеготаянии в значительной степени определяется запасами воды в снеге. Распределение ее
запасов подчиняется следующей закономерности: с продвижением на север и восток запасы
воды в снеге увеличиваются.
Запасы воды в снеге составляют: Подмосковье – 100 мм; Кубань – 15 мм; Северный
Урал – 160 мм. Для Западной Сибири: Омск- 50-60 мм; Куйбышев 60-70; Камень-на–Оби –
70-80; Новосибирск - 90-100; Барнаул – 80-90; Искитим –100-120; Алейск- 70-80; Бийск-90100 мм.
Однако, эрозионную способность талой воды характеризует не только запасы воды в
снеге, но и интенсивность снеготаяния. Интенсивность снеготаяния в Подмосковье (0,065
мм/мин) больше, чем на Кубани (0,015 мм/мин). Обусловлено это тем, что на юге ко времени
весеннего снеготаяния снег залегает не сплошной пеленой, а пятнами и общие запасы воды в
снеге невелики. Медленное снеготаяние начинается с наступлением положительных температур воздуха при сплошной облачности или при малых отрицательных температурах воздуха и солнечной погоде. В Подмосковье и в северных регионах, большие запасы воды в снеге,
сочетаются с большими запасами холода как в почве так и в снежном покрове. Для того что
бы началось снеготаяние требуется большие положительные температуры воздуха и больший промежуток времени для прогревания (удаления запаса холода) снега до нулевой температуры. Поэтому снеготаяние здесь обычно начинается при прогреве воздуха до температуры в 3-7оС.
В итоге интенсивность снеготаяния увеличивается с юга на север и с запада на восток.
По данным Г.П. Сурмача (1992) на уровне прохождения изолинии стока с зяби в 30 мм, ин-
16
тенсивность смыва почв от талого стока в два раза выше, чем от ливневого. Вдоль изолинии
стока 15 мм они сравниваются, далее на юг и запад преобладает ливневая эрозия.
В Западной Сибири запасы воды в снеге изменяются в больших пределах от 70-80 мм в
западных районах, до 120-140 в восточных и северо-восточных. Сильное и глубокое промерзание почв так же способствует формированию высокого коэффициента стока талых вод
весной. На отвальной зяби Кст составляет 0,55-0,6; на плоскорезной обработке 0,6-0,7; на
многолетних травах величина его достигает 0,75-0,8. Объем стока колеблется в больших
пределах в зависимости от запасов воды в снеге, глубины промерзания почв, характера весенней погоды и интенсивности снеготаяния. В среднем для расчлененных территорий Новосибирской области поверхностный сток весной колеблется от 50-60 д 80-90 мм.
Геоморфологические факторы
Рельеф той или иной территории состоит из совокупности выпуклых, прямых и вогнутых поверхностей – склонов. Рельеф суши не только определяет особенности формирования
поверхностного стока талых и ливневых вод и связанных с ним процессов эрозии, но и сам
преобразуется под действием эрозии почв и горных пород.
Поверхностный сток формируется в пределах водосбора, под которым понимается территория, ограниченная водораздельной линией. Элементами водосбора являются водоразделы, склоны и гидрографическая сеть. Гидрографической сетью называется совокупность
больших и алых постоянных водотоков на определенной территории. Суходольная сеть – это
система линейно вытянутых понижений в рельефе, по которым осуществляется временный
сток поверхностных вод. Продолжением суходольной сети является гидрографическая сеть.
В совокупности эта система в плане имеет вид дерева, стволом которой является главная река.
Суходольная сеть подразделяется на следующие элементы:
Ложбина - верхнее звено гидрографической сети, примыкающее непосредственно к водораздельному пространству или водоразделу. Она характеризуется малой глубиной от первых десятых долей метра до 1-2 метров. Пологими склонами, незаметно переходящими в
плакорное пространство водораздельной площади. Днище широкое вогнутое с пологими
склонами до 3-5о. Водосбор ложбины имеет площадь от одного до нескольких десятков гектаров. Ложбины обычно распахиваются. Переход ложбины в лощину обычно начинается при
водосборе свыше 50 га.
Лощина (лог) - элемент суходольной сети отличающийся от ложбины более резкими
очертаниями, большей глубиной до 15-20 м и крутизной (8-15о) склонов. Площадь водосбора
колеблется от 50 до 250 гектаров. При дальнейшем развитии лощина переходит в более
крупную форму – балку (суходол).
Балка (суходол) - это крупное линейное понижение протяженностью от одного до нескольких десятков км, шириной несколько сот метров глубиной десятки метров, с площадью
водосбора от 250 га до нескольких десятков км2. Склоны балки варьируют от пологих (1015о) до крутых (35о), обычно сложены лессовидными суглинками. Днище балки широкое
плоское, с сухими руслами временных водотоков. В глубоких балках наблюдается выклинивание грунтовых вод. Балки плавно переходят в речные долины и их притоки.
Речные долины- наиболее древнее звено гидрографической сети, отличающееся от балки наличием постоянного водотока и связанных с ним форм рельефа: пойм, террас, прирусловых валов и др. Суходольная часть гидрографической сети по протяженности и участию в
формировании рельефа занимает преобладающее положение по сравнению с речной сетью.
Преобладающую часть территории водосборов занимают склоновые земли. Склоны
различаются по форме, длине, крутизне и экспозиции. Характеризуя форму склона, обычно
говорят о форме продольного и поперечного профиля. По форме продольного профиля выделяют прямые, выпуклые и вогнутые склоны. Однако часто встречаются склоны сложного
17
профиля: выпукло-вогнутые; вогнуто-выпуклые-вогнутые, ступенчатые и др. По форме поперечного сечения также встречаются различные профили.
Под длиной склона понимают расстояние от водораздела до уреза гидрографической
сети или тальвега суходольно-балочной сети. Длина склонов находится в большой зависимости от расчлененности территории. Различают горизонтальную и вертикальную расчлененность рельефа.
Горизонтальную расчлененность находят путем деления общей протяженности линейных форм рельефа (рек, ручьев, суходольно-балочной сети, оврагов) на площадь территории
на которой они измерялись, измеряется в км/км2. Обычно предварительно топографическая
основа разделяется на квадраты, площадь которых определяется поставленными задачами
исследования территории.
Вертикальная расчлененность определяется разницей между наивысшей орографической отметкой в квадрате, и самой низкой отметки отрицательных форм рельефа, измеряется
в метрах.
Склоны разделяются на:
Чрезвычайно короткие
до 50м
Очень короткие
от 50
до 100 м
Короткие
от 100 до 200 м
Средней длины
от 200 до 500 м
Повышенной длины
от 500 до 1000 м
Длинные
от 1000 до 2000 м
Очень длинные
от 2000 до 4000 м
Чрезвычайно длинные
свыше 4000 м.
Под уклоном местности i понимают величину отношения разности высот двух точек
по линии наибольшего падения склона h, к горизонтальной проекции расстояния между
ними
Крутизна склонов имеет важное значение для формирования стока и интенсивности
эрозионных процессов. Причина существования тесной связи крутизны склона с эродирующей способностью потока очевидно, она связана с влиянием уклона на скорость потока,
формулой Шези, из которой следует, чем больше уклон, тем больше скорость водного потока и его энергия и следовательно его эродирующая способность.
Склоны
Слабопологие
Пологие
Покатые
Покато-крутые
Крутые
Очень крутые
Чрезвычайно крутые
Обрывистые
Крутизна,
градусы
До 1
1-2
2-5
5-9
9-20
20-30
30-45
45-70
Уклон (tg )
0,017
0,017-0,035
0,035-0,087
0,087-0,158
0,158-0,364
0,364-0,577
0,577-1,000
1,000-2,747
Длина склона оказывает существенное влияние на расход поверхностного стока. Чем
дальше от водораздела вниз по склону, вдоль линии стока находится изучаемый створ, тем
больше расход воды в этом створе при прочих равных условиях. Поэтому эродирующая способность потока определяется совместным влиянием крутизны и длины склона.
18
При эрозии во время снеготаяния закономерность влияния склонов на сток остается та
же, но одной из основных причин той или иной интенсивности смыва почв, является неравномерность распределения снежного покрова на разных частях склона, и на склонах разной
экспозиции. Распределение снежного покрова происходит под влиянием ветрового режима,
расчлененности рельефа, наличия лесополос и остатков растительности способы обработки
почв.
Наибольшее разрушение (смыв) почв происходит на выпуклых участках склона. Это
обусловлено тем, что с увеличением расстояния от водораздела на выпуклых склонах, одновременно увеличивается и крутизна склона и расход потока, а это приводит к увеличению
его скорости и размывающей способности. В результате этого несмытые почвы водораздела
на выпуклом склоне сменяются слабосмытыми, затем среднесмытыми и ниже сильносмытыми почвами.
На вогнутых склонах при прочих равных условиях смыв почв меньше, а в нижней части их, где скорость потоков падает, происходит выпадение взвешенных и влекомых наносов
и здесь формируются намытые почвы.
Закономерности смыва, характерные для выпуклого склона, повторяются и на прямом
склоне, но в ослабленном виде.
Указанные закономерности распределение эродированных почв по склону выполняется
далеко не всегда. Решающее значение при этом может оказать характер хозяйственного использования почв склонов. Если использовать крутые склоны только под сенокосы и поддерживать их в хорошем состоянии, то густая трава будет существенно уменьшать скорость
потока и способствовать аккумуляции мелкозема, поступающего со стоком с соседних вышерасположенных по склону участков.
Почвенные и литологические факторы.
Свойства почв и грунтов определяют особенности формирования объема поверхностного стока и, следовательно, эродирующую способность водного потока. Кроме этого степень проявления эрозии зависит от способности почвы противостоять смыву, т.е. от многих
свойств почв(механический состав, водопроницаемость, микро- и макроструктуры, сложения, содержание гумуса, содержания водопрочных агрегатов, солей, влажности и др.) определяющих ее противоэрозионную стойкость.
Поверхностный сток во время дождя возникает, когда его интенсивность начинает превышать интенсивность впитывания воды почвой. При этом возможны несколько вариантов:
1Сток появляется сразу же после начала дождя, в этом случае интенсивность ливня больше
начальной интенсивности впитывания воды почвой. 2.Сток появляется в момент времени когда уменьшающаяся со временем интенсивность впитывания, становиться меньше интенсивности дождя. 3.Сток появляется при нарастании интенсивности дождя и его превышение интенсивности впитывания воды почвой.
В реальных условиях чаще всего реализуются второй и третий случай. Поглощение
почвой воды осуществляется в виде одновременного протекания ряда процессов. Если в почве имеются крупные трещины, ходы землероев, крупные пустоты от корней, то происходит
быстрое поглощение воды почвой, вода «проваливается в эти пустоты». В начале процесс,
если почва сухая, происходит капиллярное и пленочное рассасывание воды в почве. По мере
заполнения почвенных пор водой, дальнейшее ее поступление идет в виде сплошного равномерного внутрипочвенного потока.
Водопроницаемостью называется способность почв впитывать и пропускать через
толщу горизонтов воду с поверхности.
Прохождение воды через водонасыщенные слои почв или грунта под влиянием гравитационных сил и градиента напора называется – фильтрацией. Водопроницаемость выражается в миллиметрах водного столба на единицу времени мм/мин, или в литрах и кубометрах
в единицу времени.
19
Для почв тяжелого механического состава, водопроницаемость в первый час 100-70 –
хорошая, 70-30- удовлетворительная, меньше 30 – неудовлетворительная. Водопроницаемость почв определяют в основном в полевых условиях. Прибором ПВН, или методом заливных квадратов.
Для тяжелых глин начало формирования поверхностного стока начинается при интенсивности дождя 0,1мм/мин, а для супесчаных почв- 0,7-0,8 мм/мин.
Особенности формирования стока при снеготаянии.
Снеготаяние в зависимости от характера весны может быть радиационным, адвективным.
Радиационное снеготаяние происходит днем при ясной погоде преимущественно за
счет поглощения прямой солнечной радиации. Максимальная интенсивность снеготаяния
наблюдается с 12 до 16 часов.
Адвективное снеготаяние происходит при пасмурной погоде за счет притока теплых
воздушных масс и рассеянной солнечной радиации.
Снеготаяние начинается с уплотнения снежного покрова и его перекристаллизации.
Обычно плотность снежного покрова находится в пределах 0,20-0,21 г/см3. К началу снеготаяние его плотность достигает 0,30-0,38 г/см3 . Снеготаяние обычно начинается на крутых
склонах южной экспозиции, затем переходит на водораздельные пространства и потом на
склоны северной экспозиции. В лесу сток начинается примерно одинаково со стоком на северных склонах, так как обусловлено это адвективным типом снеготаяния.
С началом водоотдачи снегом снеготалые воды начинают просачиваться в крупные и
мелкие поры в мерзлой почве, частично оттаивая ее. На определенной глубине просочившаяся вода застывает, выделяя при замерзании тепло, которое идет на относительный прогрев почвы; это прогревание обуславливает просачивание следующей порции воды, пока
весь промоченный слой не достигнет температуры 0°С. На границе промачивания образуется
сплошная внутрипочвенная ледяная прослойка (запирающий слой), ниже которой наблюдаются отрицательные температуры почвы. При этом происходит выравнивание отрицательных температур всего мерзлого слоя под воздействием притока тепла с талыми водами. Этот
процесс длится несколько дней, в силу чего ледяная прослойка задерживается на одной глубине. Постепенно под действием притока солнечной радиации и прогрева почвы за счет новых порций талых вод, ледяная прослойка тает, и фронт промачивания продвигается сразу на
определенную глубину, образуя там новую ледяную прослойку. Слой почвы, лежащий выше
линии первоначального промачивания, аккумулирует талые воды; в нижележащие горизонты
почвы вода поступает лишь после окончания снеготаяния в данной точке. Этот процесс может нарушаться, если ранее промоченная почва сильно охладится под влиянием особенно
низких температур воздуха или ночных заморозков, а также вследствие передачи холода из
нижележащего мерзлого горизонта при длительных перерывах в снеготаянии.
В зависимости от влажности почв, значений отрицательной температуры, сложения и
др. ледяная внутрипочвенная прослойка может возникать на разной глубине. Чем глубже
вниз по почвенному профилю она образуется, тем больше талых вод может впитать почва.
В отдельные экстремальные годы ледяная корка возникает на поверхности почвы и тогда большая часть талых вод стекает по склону.
Процесс смыва почв под снежным покровом начинается после формирования в толще
снега непосредственно над поверхностью почвы своеобразных микротуннелей по которым
происходит сток. Величина смыва в это время составляет сотые и десятых доли грамма на
литр. С появлением проталин наблюдается быстрое увеличение смыва почв талыми водами.
Когда поверхность склонов освободится от снега на 50% и более на проталинах почва находится в талом состоянии и переувлажнена до пластичного состояния, в силу этого легко размывается талыми водами. В этот период смыв почв составляет от одного до нескольких
20
граммов на литр. Когда на поле остаются отдельные островки снега, поверхностный сток
резко сокращается, одновременно уменьшается и объем смываемой почвы, хотя содержание
твердой фазы почвы на литр талых вод остается высокое.
Как отмечалось выше снеготаяние на склонах разных экспозиций, водоразделе в лесу и
отрицательных формах рельефа происходит в разное время и поэтому общий сход снега растягивается на 25-35 дней. Косвенным показателем высокого объема поверхностного стока,
является ежегодное половодье рек в Западной Сибири.
На расчлененных территориях Западной Сибири наибольший поверхностный сток до
90% наблюдается на склонах занятых многолетними травами 2 и 3 года пользования. Сток на
отвальной пашне составляет 50-55%. Наименьший сток 20-35% формируется на естественных лугах и в лесу.
Противоэрозионная стойкость почв и грунтов.
Противоэрозионная стойкость почв характеризуется способностью почвы противостоять размывающему действию водного потока или совместному действию потока воды и капель дождя.
Она выражается через величину размывающей скорости потока, которая непосредственно определяется следующими показателями почвы: размером водопрочных агрегатов, их
количеством и сцеплением друг с другом; определяется свойствами коллоидно-дисперсных
минералов, которые преобладают в илистой фракции; гранулометрический состав почв; величиной содержания гумуса; содержанием обменных катионов. Остальные свойства почв
имеют меньшее влияние на противоэрозионную стойкость.
Противоэрозионная стойкость почв и пород повышается с увеличение вышеназванных
показателей и свойств. Остальные свойства почв имеют меньшее влияние на противоэрозионную стойкость.
Противоэрозионная стойкость мерзлых почв зависит от влажности перед замерзанием и
всех вышеперечисленных свойствах. В мерзлом состоянии почва выдерживает значительно
больше скорости водного потока. Однако одновременно с размывом на почву действует положительная температура размывающей воды, а оттаявший слой почвы обладает значительно меньшей противоэрозионной стойкостью, по сравнению с обычными (не мерзлыми) почвами и быстро смывается потоком. Следовательно при оценки смыва мерзлых почв необходимо комплексно оценивать условия снеготаяния и температурный режим почв и воздуха.
Противоэрозионная стойкость почв при дождях уменьшается так как капли разрушают
структуры почвы и увеличивают турбулентность потока.
Для развития линейной эрозии большое значение имеют не только свойства почв, но и
противоэрозионная стойкость материнских и подстилающих пород. Связано это, прежде всего с большой (несколько метров) глубиной оврагов.
Биогенные факторы
Растения оказывают многообразное влияние на процессы эрозии. Корни скрепляют
почвенные агрегаты, придают им водопрочность. Создают прочные связи между ними. Растительность оказывает и косвенное влияние на противоэрозионную стойкость почв, изменяя
гидрологический, водно-физический и биологический режимы почвы.
Значительное влияние на процессы эрозии оказывает надземная часть растений. Лесная
подстилка, листья и стебли растений особенно древесных, задерживают часть осадков. Кроме этого они предохраняют почву от прямого воздействия дождевых капель.
Наибольшее положительное влияние сельскохозяйственных культур на противоэрозионную стойкость почв, наблюдается в период их максимального развития, т.е. в конце летаначале осени. К этому же периоду происходит уплотнение почвы, поэтому противоэрозионная стойкость обрабатываемых почв в это время оказывается максимальной. При осенней
распашке полей противоэрозионная устойчивость почв резко уменьшается. Однако малая
интенсивность осенних дождей и последующее замерзание приостанавливает эрозионный
21
процесс до весеннего снеготаяния. Склоновые земли хорошо защищают от эрозии посевы
многолетних трав.
Антропогенные факторы.
Влияние хозяйственной деятельности человека на процессы эрозии трудно переоценить. Действие этого фактора проявляется опосредованно через другие факторы эрозии. В
процессе хозяйственной деятельности человек коренным образом изменяет соотношение
факторов эрозии почв, причем окончательный эффект этого воздействия часто бывает неблагоприятным, что сопровождается ускорением развития эрозии почв. Ускоренная эрозия почв
в современных условиях чаще всего бывает следствием нерациональной хозяйственной деятельности. Ее причинами могут быть как отсутствие научно обоснованных рекомендаций по
рациональной хозяйственной деятельности с учетом всех факторов эрозии почв, так и невыполнение имеющихся рекомендаций.
Необходимо отметить, что к настоящему времени разработан весьма обширный перечень противоэрозионных мероприятий, который непрырывно пополняется все новыми мероприятиями по охране почв от эрозии. Задача состоит в том, чтобы используя эти мероприятия , разработать зональные почвозащитные системы земледелия. Для скорейшего внедрения
этих систем помимо прочего необходимы и количественные метоты прогнозирования потерь
почвы в условиях почвозащитной системы земледелия, поскольку они позволяют предварительно оценить эффективность различных противоэрозионных мероприятий.
Возможности регулирования человеком факторов эрозии почв велики но к сожалению
не безграничны. Все известные природные процессы вызывающие деградацию почв можно
подразделить на несколько групп: Процессы проявление которых не может быть предотвращено человеком. Это извержения вулканов, землетрясения, ураганные ветры, сверх высокие
ливни, наводнения и др. Процессы, интенсивность проявления которых в той или иной степени определяется антропогенным фактором. Сюда можно отнести, эрозию почв, оврагообразование и рост оврагов, дефляция почв. Процессы, вызванные антропогенными факторами, т.е. в результате нерациональной деятельности человека. К ним можно отнести вторичное засоление почв, переосушение торфяников, интенсивное развитие эрозии почв на склонах, абразия берегов водохранилищ, деградация почвенного покрова при разработке месторождений и при лесозаготовке и др.
Таким образом, антропогенные факторы с одной стороны вызывают деградацию почвенного покрова, но с другой стороны могут в той или иной степени должны быть направлены на защиту почв от эрозии и дефляции.
ФАКТОРЫ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ
Земная атмосфера представляет собой механическую смесь газов, именуемую воздухом, со взвешенными в ней твердыми и жидкими частицами. Для количественного описания
состояния атмосферы в отдельные моменты времени вводятся ряд метеорологических величин: давление, влажность воздуха, скорость ветра, температура, осадки и др. Атмосферные
явления это физический процесс сопровождающийся качественным изменением состояния
атмосферы. К атмосферным явлениям относятся: осадки, облака, туманы, грозы, пыльные
бури и др. Физическое состояние атмосферы, характеризуемое совокупностью метерологических величин и атмосферных явлений, носит название погоды. Многолетний режим погод
называется климатом.
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся друг от друга
рядом свойств. Слой, простирающийся от земной поверхности до высоты 10-15 км, называется тропосферой. В тропосфере сосредоточена почти вся атмосферная влага. Процессы,
протекающие в тропосфере, определяют погоду и климат у земной поверхности. В тропосфере содержится до 80% атмосферного воздуха. В тропосфере выделяется пограничный
слой атмосферы – это слой в котором на характер движения ветра оказывает влияние трения
22
воздушного потока о неровности земной поверхности. Это влияние в зависимости от турбулентности воздушного потока прослеживается на высоту от 0,3-0,4 до 1,5-2 км от поверхности земли.
Примыкающий к земной поверхности слой атмосферы, с постоянными турбулентными
потоками, называется приземным слоем, толщина которого достигает десятки метров.
Земная поверхность редко бывает однородной по шероховатости. Поэтому перемещающийся над участками поверхности с разной шероховатостью, вертикальные турбулентные потоки будут различны по абсолютным значениям на одной высоте в разных пунктах.
Это связано с тем, что воздушная масса, по мере перемещения над новой поверхностью, постепенно переходит в равновесное состояние с ней. Поэтому область потока, возмущенную
по сравнению с исходным состоянием, называют внутренним пограничным слоем. Этот
слой начинается непосредственно у линии разделяющий две поверхности (например, кукурузное поле и паровое поле) и постепенно распространяется в направлении потока над новой
поверхностью. При достаточной протяженности новой поверхности внутренний пограничный слой заполнит собой весь приземный слой. Часть внутреннего пограничного слоя, пришедшая в равновесное состояние с новой поверхностью. Называется областью установившегося воздушного потока.
В пределах внутреннего пограничного слоя скорость ветра возрастает с высотой более
резко, чем в выше расположенной части приземного слоя.
В непосредственной близости от поверхности т.е. в пространстве между гребнями на
поверхности почвы, между комками, глыбами, слагающими ее верхной слой, а также в пределах растительного покрова постоянство турбулентных потоков по вертикали не выполняется. Это слой атмосферы называется слоем шероховатости.
Циркуляция атмосферы.
Главная причина возникновения движения воздуха – неоднородное нагревание атмосферы солнцем. Другая причина глобального движения атмосферы – вращение Земли вокруг
своей оси. Обе эти причины приводят к возникновению неоднородности барического поля
(поля атмосферного давления), к возникновению барических градиентов.
Систему крупномасштабных воздушных перемещений над Землей называют общей
циркуляцией атмосферы. Характерной ее особенностью является наличие фронтальных зон,
разделяющих воздушные массы с разными физическими свойствами, и огромных вихрей –
циклонов и антициклонов – порожденных движением этих масс.
Циклон- представляет собой область пониженного давления в атмосфере, имеющую
поперечник в несколько тысяч км. Он характеризуется системой ветров, дующих от перифирии к центру против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелки в Южном.
При циклоне преобладает пасмурная погода.
Антициклон – это область повышенного давления в атмосфере, столь же обширная как
и циклон, но с ветрами дующими от центра к периферии, характеризуется малооблачной сухой погодой.
В условиях неустойчивой атмосферы иногда образуется вихрь с вертикальной осью,
напоминающий циклон в миниатюре, над морем он называется смерч, над сушей – торнадо.
Над сушей могут возникать кратковременные усиления ветра до 30-40 м/сек, именуемые бурей, шквалом или штормом.
При определенных условиях циркуляция атмосферы может сопровождаться ветровой
эрозией почв, с запылением атмосферы и сильным ветром называемое пыльной бурей. Горизонтальная протяженность которой от десятков и сотен метров до несколько тысяч км, а вертикальная – от нескольких метров до нескольких км.
Для качественной оценки силы ветра используют шкалу Бофорта (или розу ветров).
Она представляет собой диаграмму распределения числа случаев ветра по основным направлениям (румбам), от начала полярных координат, концы отрезков соединяют ломанной ли-
23
нией. В центре диаграммы в кружке указывают количество штилей (моментов наблюдений
когда отсутствовал ветер). Роза ветров позволяет выявить преобладающее направление ветров. Это необходимо при размещение и посадке ветроломных и снегозадерживающих лесополос.
Режим атмосферных осадков и температуры.
Атмосферные осадки, увлажняя почву, увеличивают межагрегатное сцепление и следовательно, ее противодефляционную стойкость. Однако при сильных ветрах свыше 5 м/сек
самый верхний слой почвы (глубиной 5 см) довольно быстро иссушается и частицы почвы
начинают движение. Кроме этого, атмосферные осадки и колебание температуры почвы
оказывают значительное механическое воздействие на структуру почв. Особенно сильно
разрушают структуру верхнего слоя почвы чередование положительных и отрицательных
температур на протяжении суток. Так для Кубани число таких дней 86 в году. Сильные морозы при отсутствии снежного покрова способствуют разрушению структуры верхнего слоя
почвы и последующей дефляции.
Почвенные и литологические факторы.
Свойства почв, оказывающие влияние на процесс ветровой эрозии, можно подразделить на две группы: 1.непосредственно и 2. опосредованно влияющие на противодефляционную стойкость. К первой группе относятся агрегатный состав, плотность агрегатов, межагрегатное сцепление. Ко второй группе относятся комплекс физических, химических и физикохимических свойств, которые определяют количественные характеристики свойств почв, составляющих первую группу. При этом важнейшими факторами , определяющими величину
межагрегатного сцепления, являются корневые системы растений, водные пленки на поверхности агрегатов, состав и свойства клеящих и цементирующих веществ. Пахотный слой
представляет собой совокупность почвенных агрегатов самого разного размера, поэтому
обычно пользуются данные анализа агрегатного состава почв. Чем больше в почве содержится крупных агрегатов более 2 мм, тем большей противодефляционной устойчивостью
обладает почва.
Гранулометрический состав - является одним из главных факторов. определяющих
структурное состояние почвы и ее противодефляционную стойкость. Сильнее всего дефлируются наиболее легкие и наиболее тяжелые по гранулометрическому составу почвы. Легким почвам не хватает цементирующего материала (ила или мелкой пыли) для формирования достаточно крупных и механически прочных структурных отдельностей. В тяжелых
почвах цементирующего материала достаточно, однако эти почвы в силу своего генезиса характеризуются относительно пористой мелкокомковатой или комковато-зернистой структурой имеющей низкую противодефляционную стойкость. При прочих равных условиях наиболен устойчивыми оказались почвы с содержанием ила 27% и с максимально возможным
содержанием пыли. (См. табл.)
Дефлируемость почв в аэродинамической трубе V=6м/с
ГранулометричеВодопрочные
ский состав
частицы,%
0,84
0,02
мм
мм
Песок
4.8
1.7
Супесь
3.8
3.0
Суглинок
3.2
13.8
Иловатый сугли4.5
14.0
нок
24
Комки,%
0,84 мм
Дефлируе
мость,т/га
3.3
6.9
44.4
43.6
125
74.1
5.5
3.8
Пылеватая глина
Глина
3.9
1.9
10.8
10.8
19.2
20.2
8.6
16.9
Гранулометрический состав оказывает влияние не только на противодефляционную
стойкость, но и на характер развития процесса ветровой эрозии. В ходе переноса частиц почвы ветром происходи их разрушение, а также истирание почвенной поверхности. Оба процесса приводят к увеличению содержания в зоне дефляции мелких, легко переносимых ветром частиц, и оба зависят от прочности (связанности) почвенных агрегатов.
Особую, весьма распространенную группу, составляют песчаные почвы и пески. Пески
встречаются во всех почвенно-климатических зонах. Их образование и накопление в значительной степени связано с эрозионными и русловыми процессами прошлого и настоящего,
обычно преобладают пески флювиогляциального, аллювиального и эолового происхождения. При скорости ветра 4.5-6.7 м/с начинают передвижение зерна песка размером 0,25 мм;
при скорости ветра 6.7-8.4 выносятся зерна диаметром 0.5 мм; и при ветре 9.8-11.4 передвигаются пески с зернами 1.0 мм. В процессе ветрового перемещения песка формируются специфические эоловые передвижные формы поверхности как дюны и барханы.
Органическое вещество почвы – обеспечивает высокое плодородие и высокое содержание водопрочных агрегатов. Внесение в почву и оставление на поверхности почвы свежих
растительных остатков увеличивают противодефляционную стойкость почв. В первую очередь за счет образования крупных неводопрочных комков и водопрочных агрегатов крупнее
1 мм. Однако при разложении растительных остатков постепенно утрачивается их клеящие
свойства и требуется новое внесение органики. Обычно это производят в момент уборки
зерновых культур, путем измельчения соломы специальными приспособлениями в зерноуборочных комбайнах.
Повышенное влажность почв увеличивает противодефляционную стойкость почв, в результате появления на поверхности почвенных частиц водных пленок и увеличения веса
почвенных агрегатов. Однако следует отметить кратковременность действия высокой влажности почв, на противодефляционную устойчивость. Так как самый верхний слой слой почвы 1-2 см быстро иссушается и выносится ветром, обнажая нижележащий более увлажненный слой почвы, далее процесс повторяется.
Растительность – наиболее легко поддающийся воздействию человека фактор ветровой
эрозии почв. Растительность оказывает влияние как на свойства почв, так и на свойства воздушного потока. Влияние собственно культурных растений на ветровую эрозию весьма разнообразно, но в большинстве случаев положительно. Растительность снижает скорость ветра
в слое шероховатости (т.е. скорость ветра в пределах растительности, по ее высоте) и скрепляет (армирует) почву своей корневой системой. Лесная растительность существенно снижает скорость ветрового потока в приземном слое атмосферы.
Способность почвы противостоять сдуванию ветром характеризуется противодефляционной стойкостью однозначно: почве в данном ее состоянии соответствует единственная
величина скорости начала массового движения частиц.
Шкала противодефляционной стойкости почв.
Противоефляционная стойкость
Скорость ветра
Пониженная
9 м/с
Умеренная
9 - 14 м/с
Высокая
14 – 24 м/с
Однако почвы, особенно старопахотные черноземы с разрушенной структурой, начинают дефлировать при скоростях ветра 4-5.5 м/с.
Хозяйственная деятельность человека, особенно распашка громадных территорий, как
у нас так и за рубежом всегда сопровождалась вспышкой ветровой эрозии почв. Так в 1965
25
году на Северном Казахстане дефляция почв проявилась на площади 5 млн. га. Снижение
интенсивности ветровой было достигнуто только в результате повсеместного внедрения почвозащитной системы земледелия. Основой которой явилась безотвальная и плоскорезная обработка почвы, с сохранением на поверхности стерни зерновых культур.
Таким образом – интенсивность проявления как водной, так и ветровой эрозия почв
главным образом связано с широкой распашкой больших площадей земной поверхности и
уничтожением естественной растительности. Культурные агроценозы по защищают почву
значительно слабее, а часть времени года почва находясь без растительности легко разрушается под действием водных и ветровых потоков. Количество выносимого твердого вещества
почвы со склоновых земель в результате эрозии намного превышает темпы почвообразовательного процесса. В результате происходит формирование смытых и дефлированных в разной степени почв. Поэтому главной задачей на современном этапе заключается в снижении
смыва и дефляции почв до предельно допустимых значений. Величина этих значений определяются в каждом отдельном случае темпом почвообразовательного процесса для данных
почв.
Классификация эродированных и дефлированных почв
Существует много классификаций смытости почв. Однако все они в той или иной степени основаны на изменении гумусового горизонта. Наибольшее распространение при картировании почв получила классификация М.Н.Заславского (1979), в которой за показатель
смытости принимается уменьшение содержания гумуса в верхнем слое (0-30 или 0-50) по
сравнению с несмытой почвой.
Категория смытости
% уменьшения гумуса в слое почв
(0-30 или 0-50 см)
Слабосмытые
10-20
Среднесмытые
20-50
Сильно смытые
Более 50
При картировании в почвах у которых смыт горизонт А до половины – слабосмытые;
более чем на половину – среднесмытые и почвы в которых уже частично смыт горизонт В –
сильносмытые. Поэтому для правильной диагностики смытых почв необходимо правильно
выбрать эталон несмытых почв. Обычно это нераспаханные целинные почвы склонов на одном гипсометрическом уровне с картируемыми распаханными склонами. Если подобных
нет, то за эталон берутся почвы водоразделов.
Классификация дефлированных почв строится на той же основе, что и классификация
смытых почв. Различия заключаются в перую очередь в том, что ветровая эрозия проявляется как на склонах, так и на совершенно ровных плоских водораздельных пространствах. Второе отличие заключается в большой роли гранулометрического состава почв в интенсивности дефляции, поэтому имеются отдельные классификации для супесчаных, песчаных и суглинистых почв.
Классификация линейных форм эрозии.
К линейным формам эрозии относятся размывы, которые не могут быть ликвидированы при обычной вспашке.
Водороина – линейный размыв в почве глубиной 0,2 –0,6 м, обычно возникает на распаханном склоне в его верхней части.
Промоина линейный размыв глубиной 0,6-2 м. Овраг – линейная эрозионная форма
глубиной свыше 2 м, созданная деятельностью временных потоков, с крутыми и обрывистыми незадернованными склонами, протяженностью от десятков метров до нескольких км.
Выделяют два типа оврагов склоновые и донные.
Склоновые овраги некоторые исследователи называют их береговыми, это первичные
овраги прорезающие крутые склоны долин рек, логов и балок.
26
Донные овраги прорезают днища древней задернованной суходольно-балочной сети,
поэтому их называют вторичными.
В случае когда склоновый овраг своим устьем непосредственно опирается на донный
овраг образуется овражная система.
Выделяют три стадии развития оврагов: 1.врезание висячего оврага вершиной; 2. Выработка продольного профиля равновесия; 3. Затухание.
Причинами затухания роста оврагов является выработка профиля равновесия и уменьшение площади водосбора вершины оврага, при росте оврага в длину.
По скорости роста выделяют: 1. Медленно растущие овраги до 1 м в год; 2.Овраги растущие со средней скоростью 2-3 м в год; 3. Быстрорастущие овраги свыше 3 м в год.
Для характеристики распространения овражной эрозии используют показатели: густоты овражной сети и плотности оврагов. Густота овражной сети это протяженность всех оврагов на единицу площади, например км/км2, м/км2. Плотность оврагов это количество оврагов
на единицу площади, штук на км2. Наибольшей заовраженностью характеризуется лесостепная зона и примыкающие к ней территории степной и лесной зон. Одним из факторов развития оврагов на этой территории является формирование как ливневого так и весеннего поверхностного стока.
Овражная эрозия по площади поражения земель значительно уступает поверхностной
(плоскостной) эрозии. Однако при развитии оврагов полностью разрушается не только все
почвенные горизонты, но и почвообразующие породы на значительную глубину. Поэтому
использование этой территории в сельскохозяйственном производстве возможно только после проведения рекультивационных работ. Эти работы заключаются в засыпке оврага, выполаживание его территории, землевании выположенной поверхности бывшего оврага, посеве
многолетних трав, посадке кустарника или леса.
Все эти работы требуют больших капитальных затрат окупаемость которых может составлять от 5-7 до 20-25 лет в зависимости от возделываемых культур. Так наименьший срок
окупаемости затрат на рекультивировацию оврагов в Молдавии составил 5-6 лет при выращивании виноградной лозы. В Западной Сибири при возделывании облепихи и многолетних
трав окупаемость соответственно составляет 8-10 и 17-20 лет.
Следует отметить, что закрепление оврагов наиболее эффективно в начальной стадии
развития. В целом рекультивация оврагов особенно в населенных пунктах имеет еще большое экологическое значение, так как позволяет использовать рекультивированную территорию под промышленную и жилую застройку, устройство парков и зеленых зон.
ПРОТИВОЭРОЗИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Мероприятия по охране почв от эрозии и дефляции можно подразделить на агротехнические, агролесомелиоративные, гидротехнические и организационно-хозяйственные.
Агротехнические противоэрозионные мероприятия – заключаются в системе механической обработке и использовании культурных ценозов в почвозащитных севооборотах.
Противоэрозионная обработка почв на склонах является безотвальная и плоскорезная.
Кроме этого дополнительно на отвальной обработке при крутизне склонов 3-3о возможно
применять лункование и прерывистое бороздование, для создания дополнительных водозадерживающих углублений (лунок, борозд).
Склоны 5-6о со средне- и сильносмытыми почвами засеивают многолетними травами.
Которые на 2 и 3 году пользования необходимо применять щелевание или кротование специальными сельскохозяйственными орудиями. Кротование – поделка круглых ходов диаметром 6-8 см, параллельно поверхности почвы на глубине 35-40 см, с растоянием между ними
100-150 см.
Щелевание – поделка специальными орудиями узких щелей на глубину от 15 до 60 см,
с расстоянием между ними 100-150 см.
27
Агролесомелиоративные- улучшение природных сельскохозяйственных угодий защитными лесными насаждениями. Она выражается в улучшении водного и температурного режимов сельскохозяйственных угодий, снижении скорости водных и ветровых потоков. Увеличении водопоглотительных свойств почв, увеличению мощности снежного покрова,
улучшении динамики влажности почв.
Лесополосы подразделяются на полезащитные, прибалочные (приовражные) и стокорерулирующие.
По конструкции лесных полос различают ;
ажурные, продуваемые, плотные. Площадь просвета между стволами в % от 0 (при
плотной) и до 60-70 при продуваемой и ажурно конструкции. В кронах процент площади
просвета от 0 при плотной и продуваемой , до 15-30 ажурной и продуваемой конструкции.
К числу главных пород лесных насаждений первого яруса относятся; дуб, береза, лиственница, сосна, тополь, вяз, ива; сопутствующие древесные породы второго яруса; липа,
клен, граб, яблоня, груша, шелковица. Кустарники: акация, черемуха, калина, бересклет, лещина, облепиха, и др.
Помимо перечисленных существует множество специальных видов лесных насаждений, различающихся по конструкции, составу пород и размеру. Например снегозадерживающие лесные насаждения вдоль железнодорожных линий и автострад.
Гидротехнические – противоэрозионные сооружения применяют в тех случаях, когда
агротехноческие и агролесомелиоративные мероприятий недостаточно для предотвращения
эрозионных процессов. Чаще всего они применяются на крутых склонах и сильно заовраженных землях. Эти мероприятия характеризуются высокой стоимостью и высокой эффективностью.
Простейшие гидротехноческие сооружения на водосборной площади это – валытеррасы, ступенчатые террасы, траншейные террасы (террасы канавы), распылители стока,
водозадерживающие валы, водоотводные валы – канавы. Характерной особенностью всех
вышеназванных сооружений, является материал их изготовление почва, и направление их
расположения - по горизонталям или близкое к ним.
На оврагах выделяют вершинные инженерные гидротехноческие сооружения: лоткибыстротоки, перепады и консольные перепады. Вершинные сооружения строят из разных
материалов, камня, кирпича, бетона и железобетона- долговечность 30-40 лет и более.
Донные сооружения – запруды создают по днищу оврага с целью предотвращения размыва и углубления дна оврага. Материал изготовления сооружений различный от железобетона до дерева и кустарника. В отдельных случаях при создании донных сооружений эффективно применять насаждение кустарников ивовых пород. Со временем кустарник разрастается и снижает скорость водного потока, что в свою очередь вызывает отложение влекомых и
взвешенных наносов.
Организационно-хозяйственные мероприятия – направлены главным образом на противоэрозионную организацию всех мер защиты почв от эрозии на водосборной площади. В
частности они включают правильное размещение севооборотов (почвозащитных) и выбор
комплекса противоэрозионных мероприятий необходимый для сокращения смыва почв до
предельно допустимого объема. К этой группе мероприятий относится также правильное
размещение лесных насаждений.
Так на склонах со слабо- и среднесмытыми почвами необходимо применять кроме безотвально и плоскорезной обработки почв, прерывистое бороздование на зяби, кротование,
нарезку водоотводных борозд, глубокое рыхление междурядий и др.
Склоны с сильносмытыми почвами требуют специальную организацию контурного
земледелия, полосного земледелия, устройство наклонных валов-террас с широким основанием, созданием буферных полос и др.
28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Почвенный покров нашей планеты составляет тончайшую оболочку земной коры, однако он является основой развития растительности и живого мира. Одновременно благодаря
плодородию, т.е. наличию гумусового горизонта, почвенный покров является основным
средством сельскохозяйственного производства продуктов питания. Поэтому почва является
бесценным достоянием нашей страны и любого государства. Пригодные для ведения сельского хозяйства земли имеют ограниченные площади и в настоящее время почти полностью
распаханы. Одновременно на склоновых землях происходят процессы водной эрозии, а на
открытой степной территории наблюдается дефляция почв. Практически больше половины
всей обрабатываемой площади Земли в той или иной степени нарушены.
Так в Западной Сибири этими процессами затронуты свыше 6000 тыс. га. или 34% всей
пашни. Недобор урожая зерновых культур на эродированных землях составляет от 20 до
50%. Таким образом, ежегодно недобирается от 100 до 250 тыс. т. зерна, которого хватило
бы для годового пропитания 100 –250 тыс. человек. Несмотря на имеющиеся способы и
приемы по борьбе с ветровой и водной эрозией эти процессы продолжают разрушать плодородные земли. Происходит дальнейшее развитие и рост оврагов, которые полностью разрушают все почвенные горизонты и значительно изменяют рельеф заовраженной территории.
Все эти процессы негативно отражаются на экологию окружающей среды и сельскохозяйственных ландшафтов. Поэтому проблема защиты почв от эрозии и дефляции требует дальнейшего изучения и является широким полем деятельности для экологов, эрозионистов и
почвоведов.
Основная литература
1.
Власенко А.Н, Филимонов Ю.П., Каличкин В.К., Иодко Л.Н., Усолкин В.Т. Экологизация обработки почвы в Западной Сибири. Новосибирск: Р. П.О. (редакционнополиграфическое объединение) СО РАСХН, 2003. – 268 с.
2. Заславский МН.. Эрозиоведение. Основы противоэрозионного земледелия. - М.:
Изд-во Высшая школа, 1987. - 376 с.
3.Ивонин В.М. Агролесомелиорация разрушенных оврагами склонов.- М.: Изд-во Колос, 1983. – 174 с.
4. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв. - М.: Изд-во МГУ, Изд. «КолосС» 2004. - с.
5.Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв. М.: Изд-во МГУ, 1993. 200 с.
6. Литвин Л.Ф. География эрозии почв сельскохозяйственных земель России. Изд. ИКЦ
«Академкнига», 2002, 255 с.
7. Орлов А.Д. Эрозия и эрозионноопасные земли Западной Сибири. - Новосибирск.:
Изд-во Наука. Сиб. отд-ние, 1983. - 208 с.
8. Путилин А.Ф. Эрозия почв в лесостепи Западной Сибири. – Новосибирск. Изд-во СО
РАН, 2002.- 183 с.
Рейнгард Я.Р. Деградация почв экосистем юга Западной Сибири. Лодзь-Польша. 2009.
634 с.
29
30