Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование процесса эрозии почв при снеготаянии на современном этапе 8
1.1. Геологические, сельскохозяйственные и экологические аспекты проблемы эрозии почв 8
1.2. История развития эрозиоведения 19
1.2. Водная эрозия почв и ее виды. Особенности процесса эрозии при снеготаянии 21
1.3. Факторы водной эрозии почв, вызываемой талыми водами 24
1.5. Модели прогнозирования процессов эрозии почв при снеготаянии 33
1.6. Противоэрозионная стойкость почв (ПСП) и ее показатели 46
Глава 2. Объект и методы исследования 56
Глава 3. Закономерности развития эрозионных процессов при снеготаянии и методы их оценки 61
3.1. Особенности протекания процессов снеготаяния и интенсивности смыва почвы 61
3.2. Зависимость мутности потоков талой воды и интенсивности смыва почвы на зяби от температуры воздуха и поверхности почвы 76
3.3. Зависимость мутности от расхода воды в потоках 80
3.4. Определение донной размывающей скорости потока по экспериментальным данным 82
3.5. Параметр массообмена (Вр) и его значение в оценке смыва почвы талыми водами 88
3.6. Верификация уравнения потерь почвы при снеготаянии 93
3.7. Влияние свойств почв на величину смыва при снеготаянии 97
Глава 4. Миграция биогенных веществ с талым стоком 102
Выводы НО
Практические рекомендации 111
Литература 112
Приложен ия 127
- Водная эрозия почв и ее виды. Особенности процесса эрозии при снеготаянии
- Особенности протекания процессов снеготаяния и интенсивности смыва почвы
- Определение донной размывающей скорости потока по экспериментальным данным
Введение к работе
Актуальность темы. Сохранение биосферы Земли и почвы, как се незаменимого компонента, является насущной проблемой; стоящей перед человечеством. На сеюдпяшиий день в области охраны почвы н, в частности, зашиты ее от эрозии достигнуты значительные результаты, как у нас в стране, так и за рубежом,
В последнее десятилетие серьезное внимание уделяется исследованиям, направленным на углубленное изучение механизма взаимодействия потоков воды и почвы. Особо следует отметить исследования» направленные на раскрытие механизма взаимодействия талой воды с мерзлой почвой. Отличительной особенностью исследований протекания эрозионных процессов при снеготаянии является то, что полученные результаты позволяют более полно понять и раскрыть механизм протекания процессов, а именно, процессов тепломассообмена на границе раздела сред почва-вода-воздух. В нашей стране такие исследования находятся на стадии организации режимных наблюдений. В связи с. этим нами была проведены исследования по изучению закономерностей смыва серых лесных почв в период весеннего снеготаяния и выноса биогенных элементов (N, PiQu KjO) потоками талой воды.
Цель работы. Изучить закономерности смыва серых лесных почв -при снеготаянии и миграции биогенных элементов с целью разработки методов количественной оценки величин эрозионных потерь почвы.
Для достижения поставленной пели требовалось решение следующих задач;
выявить закономерности смыва мерзлой и оттаивающей почвы потоками талой
воды;
определить величину размывающей скорости потоков на основании изучения ' механизма протекания процессов массообчена;
оценить интенсивность миграции биогенных элементов с талой водой.
Научная новизна работы: !. Установлена зависимость мутности потоков талой воды н интенсивности смыва
почвы от температуры воздуха и состояния верхнего слоя почвы. Z. Впервые получена зависимость интенсивности смыва почвы от скорости потока
воды и среднесуточной температуры воздуха.
-
Проведена оценка связи размывающей скорости потока с показателями противоэрозиен но Л стойкости почвы.
-
Построена карта-схема среднего смыва серых лесных почв с зяби для нейтральных районов ЕТР,
-
Впервые оценена интенсивность миграции биогенных элементов в зависимости от расхода талой воды в потоке.
Практическая значимость исслеаованнй
Результаты исследований могут быть использованы при оценке потенциальной опасности эрозии почв и проектировании противоэрозиониых мероприятий на серых лесных почвах ЕТР. Модифицированная модель среднего смыва почвы от стока талых вод может служить основой для создания компьютерной программы проектирования проти аоэро знойных мероприятий па расчетной основе.
Результаты исследований миграции бнофильных элементов с талым стоком могут быть использованы для прогноза горизонтальной их миграции с жидким стоком в агроландшафтах.
Личное участие автора. Все виды работ по теме диссертационной работы, от проведения полевых экспериментальных наблюдений до;—анализа-w~6|
.cizAZJjet.
полученных результатов, выполнены лично автором или при его непосредственном участии.
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Установление закономерностей разрушительного воздействия потоков талых вод на почвенный покров,
-
Определение значений размывающей скорости потоков талой воды в зависимости от показаний среднесуточной температуры воздуха н расчет потерь почвы.
-
Показатели противоэрознонной стойкости серых лесных почв и их практическое значение для оценки величин смыва.
-
Экологическое значение оценки механизма миграции биогенных элементов с талой водой.
Апробация работы
Основные результаты исследований обсуждались на; конференции молодых ученых (Пушино, 1999), Международной научной конференции «Изучение и охрана биологического разнообразия ландшафтов Русской равнины» (Пенза,. 1999), Международном Симпозиуме «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001), Международной научной конференции «Биологические ресурсы и устойчивое развитие» (Пушино, 2001).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы и 1 работа принята к опубликованию.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 141 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка лигсрагуры (158 источника, в точ числе 13 зарубежных авторов) и 5 приложений. Работа иллюстрирована 30 рисунками и 10 таблицами.
Водная эрозия почв и ее виды. Особенности процесса эрозии при снеготаянии
Водная эрозия почв («эрозия» с лат. яз. через франц. «erodere» значит разъедать) - это единый процесс формирования временного поверхностного стока вод, отрыва частиц почвы или породы и их переноса водными струями или потоками (Сурмач, 1992). По мнению М.Н.Заславского (1983), эрозия почв - это смыв и размыв почвы поверхностным стоком временных водных потоков. В зависимости от условий формирования поверхностного стока выделяют 3 вида водной эрозии почв: 1) дождевая или ливневая эрозия; 2) эрозия при снеготаянии; 3) ирригационная. Виды эрозии различаются по источнику стока, механизму процесса и по величине причиненного ущерба (Кузнецов, щ Глазунов, 1996). М.Н. Заславский (1983) выделяет также эрозию, возникающую при выклинивании подземных вод и при воздействии сточных вод. Последние виды эрозии ограничены по площади проявления. Преобладание того или иного вида водной эрозии изменяется по географическим зонам страны. До настоящего времени этот вопрос остается дискуссионным. Видимо, это связано с использованием различных моделей и методов оценки величин смыва почвы.
А.С. Козменко (1954) указывал, что па Восточно-Европейской равнине талые воды играют решающую роль в смыве почвы. СИ. Сильвестров с соавторами (1972) отмечали, что для лесостепи и степи характерны ливнево-снежный, а для сухой степи - снежно-ливневой тип эрозии. Обобщения В.П.Герасименко (1995) показали, что наиболее интенсивно проявляются водно-эрозионные процессы в период весеннего снеготаяния на Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах. В этот период формируется 80-90% годового стока и смыва почвы.
А.Н.Каштанов и др. (1999), основываясь на «Почвенно-эрозионной карте СНГ» (масштаба 1:2,5 млн.), считают, что эрозия почв, вызываемая талыми водами, преобладает в областях ЦЧР, в Среднем Поволжье и в ряде областей Центрального района (Орловская, Калужская, Тульская, Московская и Рязанская).
С.С.Соболев (1975), И.Д. Брауде (1965, 1976), В.П. Лидов (1981), И.С. Кочетов (1988), Г.П. Сурмач (1992) также указывали на значительное преобладание талого смыва в лесной и лесостепной зонах Европейской части страны.
Эрозия, вызываемая талыми водами, отличается большей продолжительностью, но меньшей выраженностью, чем ливневая. Потери почвы от эрозии при снеготаянии составляют чаще всего несколько тонн с гектара (Кузнецов, Глазунов, 1996).
Исследования в области эрозии почв при снеготаянии являются достаточно трудоемкими в плане проведения полевых работ и сложными в интерпретации результатов вследствие временной и пространственной изменчивости природных факторов. Следует отметить, что в последние годы в значительной степени активизировались работы как отечественных, так и зарубежных исследователей, направленные на изучение эрозии почв при снеготаянии. Так, в настоящее время в наиболее используемом на практике в США уравнении WEPP (Water Erosion Prediction Project) активно дорабатывается так называемый «зимний блок», оценивающий воздействие талых вод (Фланаган, Лафлен, 1997).
Характер проявления эрозии, вызываемой стоком талых вод, отличается от ливневой и имеет следующие особенности (Кузнецов, Демидов, 2002):
эрозия, возникающая в результате стока талых вод, как правило, охватывает одновременно большие площади в районах ежегодного формирования снежного покрова;
формирование эрозионных процессов протекает в весенний период времени года с продолжительностью от нескольких дней (при интенсивном снеготаянии) до 1 месяца (с морозными периодами);
в районах с большим объемом талого стока мутность потоков обычно бывает небольшой по сравнению со стоком при ливнях;
эрозия проявляется тогда, когда значительные площади не защищены растительностью, почва находится в мерзлом состоянии и практически не впитывает талую воду или имеет низкую водопроницаемость;
смыв происходит в местах движения концентрированных потоков талой воды по освободившейся из-под снега почве, главным образом, в результате разницы температур между воздухом, водой и почвой.
Таким образом, можно сказать, что для лесостепной зоны ЕТР наиболее опасным в отношении проявления процессов эрозии почв является период весеннего снеготаяния. Этот вид эрозии отличается от ливневой рядом факторов, основными из которых являются - захват большей территории, большая продолжительность и меньшая интенсивность, зависимость от разницы температур между воздухом, талой водой и поверхностью почвы.
Водная эрозия почв является следствием сложного взаимодействия природных факторов (климата, рельефа, почвы, растительности) и хозяйственной деятельности человека. Их разнообразные сочетания и годовые различия обусловливают различную интенсивность протекания эрозионных процессов. Все факторы необходимо учитывать в их совокупности. Среди многообразия факторов, определяющих величину смыва и размыва почв, есть такие, которые нельзя изменить хозяйственной деятельностью человека: рельеф, количество осадков, температура воздуха, режим ветра и солнечная радиация. Остальные факторы, если их рассматривать с точки зрения влияния на снегораспредсление, сложение пахотного слоя почв и др., можно изменить в нужном человеку направлении. Рассмотрим основные факторы эрозии, вызываемой талыми водами. Следует сказать, что, если ливневая эрозия определяется энергетикой дождевых капель, то смыв почвы при снеготаянии связан, прежде всего, с формированием снежного покрова, глубиной промерзания и увлажнением почвы, скоростью ее оттаивания, эродирующей способностью потоков и др.
Запасы воды в снеге и интенсивность снеготаяния. Твердые осадки (снег) составляют 25-35% от общего их количества. Снежный покров является резервом влаги для растений. Другая его функция -регулирование теплового режима почвы. Снег увеличивает температуру почвы и уменьшает глубину ее промерзания. Снег также является основным источником формирования стока талой воды. С продвижением на север и восток запасы воды в снеге увеличиваются. В Подмосковье, например, этот параметр составляет 100 мм, на Северном Урале - 160 мм, а на Кубани - 10 - 15 мм (Кузнецов, Глазунов, 1996).
Интенсивность смыва почв талыми водами зависит не только от объема поверхностного стока и его интенсивности, но и от особенностей снегоотложения на склонах водосборного бассейна.
Равномерность покрытия склонов снегом зависит от рельефа, лесистости территории, ветрового режима и искусственно созданных ветроломных преград (лесополосы, кулисы, буферные полосы, специальные обработки). От равномерности распределения снега на полях зависит глубина промерзания почв.
Особенности протекания процессов снеготаяния и интенсивности смыва почвы
Талые воды, формирующиеся при процессах снеготаяния, могут оказывать эродирующее воздействие на почву различной степени выраженности. Изучением данных процессов, где объектом служили серые лесные почвы лесостепной зоны Европейской части России в отдельные годы, занимались разные ученые (Кузнецов, 1981; Лидов и др., 1974), В 1971 году в районе г. Пущино В.П. Лидовым, Е.Ф. Зориной и В.К. Орловой (1974) проводились наблюдения за стоком талых вод на склонах. Исследователи, определяя концентрации переносимых потоками наносов, отмечали особенности стока талой воды на пашне. Также ими были выделены наиболее характерные типы ручьев, встречающихся на площади склонов.
Известно, что интенсивность эрозионных процессов зависит от энергетических характеристик потока, устойчивости почвы к размыву и от концентрации наносов в потоке. Интенсивность смыва почвы турбулентными потоками пропорциональна отношению скорости потока к критической для данной почвы скорости. В случае, когда поток недогружен, а его энергия достаточна для отрыва и переноса частиц талой или оттаивающей почвы, то протекают процессы эрозии. Если содержание наносов в потоке больше величины транспортирующей способности, то происходит отложение влекомых частиц. В связи с тем, что в наших исследованиях глубина потоков талой воды была разная, то средние скорости потока (V) по формуле Гончарова (1954) переводились в донные (Уд). Для пересчета использовались данные замеров глубины потока и высоты выступов шероховатости дна потоков, последняя величина рассчитывалась через средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов. Определение средневзвешенного диаметра водопрочных агрегатов проводилось путем мокрого просеивания оттаявшей почвы по методу Саввинова.
Результаты определения показали, что средневзвешенный диаметр агрегатов в 1999 году на поле с озимыми составил 0,42 мм, а на зяби -0,61 мм. В 2000 году - 0,6 мм, а в 2001 году - 0,85 мм.
По данным, полученным в 1986 году В.В. Демидовым (2000), диаметр водопрочных агрегатов на зяби для этой же почвы составил 1,51 мм. Проведенные нами расчеты показали, что среднее за 4 года значение средневзвешенного диаметра водопрочных агрегатов талой серой лесной почвы экспериментального склона для зяби (вспашка на 20-22 см) составляет 0,84 мм. В наших дальнейших расчетах донной скорости потока на зяби использовалась эта величина, а на озимых - 0,42 мм.
Влажность почвы до начала снеготаяния колебалась от 30,2 % в 1999 году до 34,7 % в 2001 году в период снеготаяния (Приложение II).
Наблюдения, проводившиеся нами в 1999 году показали, что весеннее снеготаяние протекало дружно. Сток имел место. Процесс снеготаяния в этот год изучался на зяби и на озимых. Исследования проводились 30, 31 марта, 1 и 2 апреля. 3 апреля сток прекратился. Исследовались потоки в верхней (слабосмытая почва) и средней (среднесмытая почва) частях склона. Уклон русла потоков на зяби составлял: 1,4; 3,4; 4; 4,6, а на озимых - 2,6; 3,4; 3,7; 4,2. Средние температурные показатели, измерешшые в полевых условиях 30, 31 марта и 2 апреля 1999 года были следующими: температура воздуха и почвы -9,9 С, талой воды - 1 С (таб.3.1). Средняя суточная температура воздуха по данным Биосферной станции Приокско-Террасного заповедника составляла 30 марта 5,6С; 31 марта 5 С, 1 апреля 5,4С и 2 апреля 5,5С.
Примечание: — определение температуры почвы проводилось в верхнем слое 0-5 см; прочерк - измерения не проводились.
В первый день формирования потоков на зяби 30 марта интенсивность смыва достигала 597,0x10" кг/м с при относительно небольшой скорости (около 9 см/с). По нашим наблюдениям такая высокая величина интенсивности смыва почвы связана с быстрым оттаиванием верхнего слоя почвы и как результат - обрушиванием берегов ручейков. Это вызывало дополнительное насыщение потоков мелкоземом и, как следствие, значительное увеличение величины интенсивности смыва почвы.
Определение донной размывающей скорости потока по экспериментальным данным
Проведенный в предыдущих разделах анализ влияния различных
условий, определяющих насыщение потока талой воды мелкоземом и интенсивность смыва почвы, показал, что эти показатели в значительной степени зависят от донной скорости потока. В то же время в существующих расчетных зависимостях используется донная размывающая скорость потока, как наиболее объективный показатель, характеризующий механизм протекания эрозионного процесса. В силу этого в задачи нашего исследования входило определение донной размывающей скорости потока на основании экспериментальных данных полевых наблюдений.
Анализ результатов полевых наблюдений и имеющихся литературных данных проводился в следующей последовательности. Все четырехлетние данные были разбиты на группы с учетом сходимости среднесуточной температуры воздуха в дни исследований (табл. 3.7). Показатели среднесуточных температур изменялись от 2,9 до 5,6 С. Нами были выделены следующие интервалы среднесуточных температур воздуха: 1) до 3 С; 2) от 3 до 4 С; 3) от 4 до 4,5 С; 4) 4,9 и 5 С и 5) свыше 5 С. Шаг разбиения составил 0,5-0,6 С.
В целях нахождения донной размывающей скорости (Vup) для каждой группы использовалась методика, основанная на анализе зависимости интенсивности смыва от скорости потока (Кузнецов, 1981). На рисунках 3.7 и 3.8 в качестве примера приведена методика определения донной размывающей скорости потоков за 31 марта 1999 года и 2 апреля 2000 года. В эти дни среднесуточная температура воздуха составила 4,9 и 5 С. На рисунке 3.7 показана зависимость интенсивности смыва почвы от донной скорости потока. Однако по этому графику невозможно определить величину донной размывающей скорости. В результате построения в логарифмических координатах зависимости ln(q-q0) от ln(VA-Vio) где q0, Удо - наименьшие значения интенсивности смыва и донной скорости на зяби за эти дни, было найдено, что 1п(Уд-УДо)= -5,03 (рис. 3.9). Значение донной размывающей скорости определялось путем суммирования антилогарифма значения (-5,03) и Удо- Исходя из того, что антилогарифм (-5,03) равен 0,007 и VAo=0,07 м/с, искомая \%= 0,007+0,07=0,077 м/с или 7,7 см/с.
Аналогично были определены значения экспериментальной размывающей скорости для других групп (табл.3.7.). 28 и 29 марта 1986 года при среднесуточной температуре воздуха 3,5 и 3,9 С размывающая скорость оказалась равной 10,7 см/с, при среднесуточной температуре 4,3 и 4,4 С 7 и 8 апреля 1996 года - величина Vip=4,4 см/с. Отдельно рассматривались данные за 1 апреля 2000 года. Поскольку это был единственный день со среднесуточной температурой 3 С. В этот день величина донной размывающей скорости равнялась 8,4 см/с.
Нами были объединены данные за 30 марта и 2 апреля 1999 года, так как в эти дни наблюдалась схожая по значениям среднесуточная температура (5,5 и 5,6 С). Значение экспериментальной размывающей скорости в эти дни составило 15,1 см/с. 23 марта 1986 года и 31 марта 2000 года - это дни начала снеготаяния, когда оттаивание мерзлой почвы не происходило, поэтому между показателями смыва почвы и скоростями потока наблюдается слабая связь. В эти дни отмечались и низкие показатели среднесуточной температуры - 0,4 С 23 марта и 1,2 С 31 марта 2000 года. В силу этого значения донной размывающей скорости потоков для этих дней не были получены.
Таким образом, установлено, что период весеннего снеготаяния, когда среднесуточная температур воздуха находится в интервале 4-5 С, является наиболее опасным в эрозионном отношении. В почве в это время после циклов промерзания - оттаивания нарушены структурные связи. Она оттаивает и становится чрезвычайно податливой к эродирующему воздействию временного водного потока. При температуре воздуха ниже 4-5 С для отрыва почвенных частиц необходима большая размывающая скорость, а, следовательно, почва обладает большей противоэрозионной стойкостью, вследствие того, что она находится в мерзлом или слабомерзлом состоянии. После же установления среднесуточной температуры свыше 5 С почва как правило находится уже в оттаявшем состоянии. Русла временных водных потоков сформировались, а выступы шероховатости (агрегаты) дна имеют минимальную величину. Поэтому для отрыва почвенных частиц требуется большая размывающая скорость. Все это ведет к тому, что почва становится устойчивой к смыву, соответственно, повышается ее показатель противоэрозионной стойкости -донная размывающая скорость (15,1 см/с).
Максимальное значение размывающей скорости потоков, полученное нами, 15,1 см/с, сопоставимо с результатами экспериментального определения Vip, полученными М.С. Кузнецовым (1981) для образцов ненарушенной серой лесной почвы (район Пущино), отобранных в летний период (19,0 см/с).
Анализ результатов определения донной размывающей скорости по экспериментальным данным, полученным в 1999 году в потоках на поле с озимой пшеницей, показал следующее.
Температурный режим (5-5,5 С), складывающийся в дни наблюдений 31 марта, 1 и 2 апреля изменялся в пределах 0,5 С. В силу этого, данные за эти дни были объединены в одну группу (табл. 3.7). В результате графического определения было получено значение донной размывающей скорости, равное 6,3 см/с (рис.3.9). Относительно низкое значение VAp объясняется тем, что почва при подготовке к посеву подвергалась неоднократным обработкам агротехническими орудиями. Это способствовало ее распылению и, как следствие, уменьшению почвенных агрегатов. Результаты определения размера средневзвешенного диаметра водопрочных агрегатов талой почвы на посевах с озимыми в 1999 году показали, что они были равны 0,42 мм, в то время как на почве, вспаханной под зябь - 0,61 мм. Следует отметить также, что озимые были посеяны вдоль склона. Это, по-видимому, и оказало существенное влияние на снижение величины донной размывающей скорости потока на поле под озимыми.
