Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные подходы к проблеме изучения факторов эрозии 9
Глава 2. Естественно-географические факторы формирования эрозии 16
2.1. Рельеф
2.2. Неотектоника 19
2.3. Почвообразующие породы 21
2.4. Климат 22
2.5. Растительный покров 26
2.6. Почвенный покров 28
Глава 3. Характеристика холодного периода гидрологического года 38
3.1. Осадки холодного периода ..-
3.2. Типы весенней погоды 49
Глава 4. Гидротермический режим черноземов в холодный период 54
4.1. Гидротермический режим черноземов выщелоченных неэро-дированных и эродированных в период установления снежного покрова 55
4.2. Гидротермический режим несмытых и смытых почв в период снеготаяния 64
4.2.1. Снеготаяние при радиационном типе погоды
4.2.2. Снеготаяние при адвективном типе погоды 69
4.2.3. Снеготаяние при смешанном типе погоды 79
А) Адвективно-радиационный подтип снеготаяния
Б) Радиационно-адвективный подтип снеготаяния 86
Глава 5. Формирование поверхностного стока талых вод и смыв твердой фазы почв в зависимости от типа снеготаяния 101
5.1. Поверхностный сток талых вод и смыв ими твердой фазы почвы при радиационном типе снеготаяния 102
5.2. Сток талых вод и смыв ими твердой фазы почвы при адвективном типе снеготаяния 105
5.3. Формирование поверхностного стока талых вод и смыв ими твердой фазы почвы при смешанном типе снеготаяния 107
А) Формирование поверхностного стока талых вод и смыв ими почв при радиационно-адвективном подтипе снеготаяния
Б) Формирование поверхностного стока талых вод и смыв ими почв при адвективно-радиационном подтипе снеготаяния...117
Выводы
Библиографический список используемой литературы
Приложение
- Гидротермический режим черноземов выщелоченных неэро-дированных и эродированных в период установления снежного покрова
- Снеготаяние при адвективном типе погоды
- Поверхностный сток талых вод и смыв ими твердой фазы почвы при радиационном типе снеготаяния
- Формирование поверхностного стока талых вод и смыв ими твердой фазы почвы при смешанном типе снеготаяния
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно данным Всемирной сельскохозяйственной организации по Глобальной оценке земель, в настоящее время около 15 % суши Земли подвержены деградации [FAO, 1996]. Основным фактором сокращения земельных ресурсов и их продуктивной способности является эрозия почв, обусловленная хозяйственной деятельностью человека. В Западной Сибири, как и в других регионах страны, широкое развитие эрозии почв связано с распашкой земель, особенно в период освоения целины.
Несмотря на то, что в степной и лесостепной зонах Западной Сибири период сельскохозяйственного использования земель не превышает 130 лет, распаханность территории достигает 50 %. Юго-восточная часть региона отличается высокой расчлененностью рельефа, в результате чего почвы здесь в наибольшей степени подвержены эрозии [Танасиенко, Путилин, Артамонова, 1999]. Смыв пахотных черноземов и серых лесных почв происходит на 20 — 25 % площади вследствие преимущественного воздействия талых вод. Специфика развития эрозионных процессов на черноземах Западной Сибири, по данным систематических исследований, обусловлена в основном климатическими и почвенно-физическими условиями формирования термического режима почв в холодный период [Орлов, 1971, 1983; Путилин, 2002; Ковалева, 1992; Танасиенко, 2003]. Приведенные в этих работах общие закономерности формирования поверхностного стока характерны и для черноземов выщелоченных Предсалаирья. Однако количественные и качественные показатели их сезонно-мерзлотного режима, определяющие активность эрозионного воздействия, остаются наименее изученными. Кроме того, практически не исследованы особенности водного и температурного режима черноземов разной степени эродированности. Учитывая актуальность данных проблем и их научно-практическую значимость сформулированы цель и задачи исследования.
Цель работы. Определение влияния гидротермического режима черноземов склоновых поверхностей Предсалаирья в холодный период года на развитие процессов эрозии во время снеготаяния.
Задачи исследований.
Изучить взаимозависимость водного и температурного режимов черноземов разной степени эродированности в холодный период гидрологического года и показать особенности сезонного распределения влаги и температуры в почвах.
Выявить специфику водного и температурного режимов почв в зависимости от снежности года и типа снеготаяния.
Определить влияние термического режима почв холодного периода на объем поверхностного стока талых вод и величину смыва почвы.
Научная новизна. Впервые гидротермический режим почв Предсалаирья в холодный период гидрологического года определен как один из ведущих факторов весенней эрозии почв. Выявлена зависимость глубины промерзания почв от их влажности в предзимье, сроков формирования снежного покрова и его мощности. Определены условия, время формирования и разрушения льдистого мерзлотного слоя черноземов в зависимости от степени их эродированности.
Защищаемые положения:
В разные по снежности годы глубина промерзания почв Предсалаирья зависит от взаимосвязи температуры воздуха, времени установления и динамики накопления снежного покрова в начале холодного периода.
Ведущим фактором большого объема поверхностного стока талых вод и смыва твердой фазы пахотных черноземов является наличие водонепроницаемого льдистого мерзлотного слоя.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные материалы позволяют оценить глубину промерзания и время полного оттаивания черно- земов разной степени эродированы ости юго-востока Западной Сибири, что дает возможность прогнозировать объем поверхностного стока и массу смытой почвы во время снеготаяния.
Личный вклад автора. В полевых условиях автором изучены шесть холодных периодов, получены систематические данные по температуре и влажности почв, ежемесячные данные снегомерных съемок. В весенний период визуально и инструментально выявлены особенности снеготаяния. В лабораторных условиях определено количество твердой фазы почвы в талых водах, ее гранулометрический состав; проведена камеральная обработка, анализ и обобщение полученных данных.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научной конференции VII Докучаевские молодежные чтения "Человек и почва в XXI веке" в Санкт-Петербурге (2004), на IV съезде Докучаев-ского общества почвоведов в Новосибирске (2004). Материалы работ обсуждались на лабораторных и молодежных семинарах в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН.
Изучение гидротермического режима почв проводились на Предсала-ирской денудационно-аккумулятивной равнине, в центральной ее части, в пределах Буготакского мелкосопочника (Тогучинский район Новосибирской области). В качестве объекта исследования были выбраны неэродирован-ные и эродированные черноземы, сформированные на лессовидных суглинках. Эти почвы, по классификации В.Н, Димо [1968], относятся к холодным длительно-промерзающим.
Определение влияния гидротермического режима почв на развитие эрозионных процессов на исследуемой территории проводилось с помощью полевых наблюдений и экспериментов, сравнительно-географического и других методов. Значительная часть экспериментального цифрового материала была подвергнута вариационно-статистической обработке [Доспехов, 1979].
В ходе полевых исследований в течение 1999 - 2004 гг. в почвах разной степени эродированности изучена внутригодовая и внутрисезонная динамика температур и влажности почвогрунтов. В зимние периоды проведены снегомерные съемки на стационарных площадках различных геоморфологических профилей, определялись запасы воды в снеге; в весенний период велось наблюдение за снеготаянием и процессами эрозии.
Поверхностный сток талых вод и смыв почв изучался на краткосрочных и многолетних стоковых площадках длиною 30 - 60 м и шириною 5—10 м, элементарных водосборах площадью 8 - 16 га. Стоковые площадки закладывались на черноземе выщелоченном несмытом (целина), слабо- и сильно-смытом. На целинном участке стоковая площадка располагалась на склоне южной экспозиции крутизной 3 — 6. Стоковые площадки заложенные на черноземе выщелоченном слабо- и сильносмытом находились на склоне юго-восточной экспозиции. По элементам мезорельефа эти площадки расположены следующим образом: стоковая площадка на черноземе выщелоченном слабосмытом заложена была на левом крыле ложбины стока, крутизной 5 — 8, южной ориентации. На противоположном крыле, заложена была стоковая площадка на черноземе выщелоченном сильносмытом. Правое крыло ложбины стока имеет крутизну 6 - 9 и ориентирована в северном направлении.
Твердый сток определялся при помощи отбора проб талых вод, как на стоковых площадках, так и на элементарных водосборах. Забор проб проводился ежечасно в емкости по 1 л в период их поверхностного стока. Параллельно отбору проб на мутность талых вод определяли и их температуру.
Температуру профиля черноземов неэродированных и эродированных, а также темно-серых лесных почв изучали с помощью коленчатых термометров Саввинова и вытяжных термометров с октября по май по следующим глубинам: 5, 10, 15, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160 см. Термометрические площадки закладывались в непосредственной близости со стоковыми площадками на всех ключевых точках.
Влажность почв определялась методом горячей сушки образцов почвы, которые отбирались буром до глубины 150 см через каждые 10 см.
Снегомерная съемка проводилась один раз в конце каждого месяца. Запас воды в снеге, определяемый между 25 и 30 марта, служил базой для вычисления коэффициента стока талых вод и величины усвоения почвой твердых атмосферных осадков. Водосбор представлен склонами различной длины, крутизны и экспозиции. Определение мощности снежного покрова проводилось через каждые 5 м склона. Плотность снежного покрова определялась в 5-кратной повторности на каждом элементе склона (водораздел, верхняя, средняя, нижняя части) и на различных экспозициях.
В связи с тем, что количество твердых атмосферных осадков в Предса-лаирье характеризуется чрезвычайно высоким варьированием (65 - 210 мм), А.А. Танасиенко [2003] выделяет по снежности 5 типов гидрологических лет: ** очень малоснежный (до 75 мм), малоснежный (76 - 90 мм), нормальный (91 — 105 мм), многоснежный (106 - 120 мм), очень многоснежный (более 120 % мм).
Нашими исследованиями установлено, что все холодные периоды с ,, 1998 по 2004 гг. относятся к очень многоснежным.
Автор считает своим долгом выразить благодарность руководителю данной работы д.б.н. А.А. Танасиенко и признательность сотрудникам ИПА СО РАН за советы и помощь в оформлении диссертации.
Гидротермический режим черноземов выщелоченных неэро-дированных и эродированных в период установления снежного покрова
Согласно схеме геоботанического районирования лесостепной зоны, составленной А.В. Куминовой и др. [1963], территория Предсалаирья относится к подзоне северной лесостепи, с характерным сочетанием в растительном покрове остепненных лугов, березово-осиновых парковых лесов и сосновых боров.
Особенности пространственного распределения, современный облик и своеобразие флористического состава растительного покрова данного района, как и других лесостепных ландшафтов Предсалаирья, обусловлены геоморфологическими условиями и степенью хозяйственной освоенности его отдельных участков.
Открытые пространства, занимающие более 70% территории района, представлены несколькими типами сочетаний травянистых формаций.
Луговые степи и остепненные луга, в прошлом покрывавшие пологие склоны и выровненные участки водоразделов, являются коренными сообществами, измененными в современный период хозяйственной деятельностью человека. До массовой распашки здесь были широко развиты ковыльно-, мятликово- и волоснецово-разнотравные остепненные луга с присутствием лапчатки и полыни. В настоящее время практически все остепненные луга водоразделов распаханы. Редкие целинные участки с фрагментами разнотравно-ковыльных луговых степей сохранились лишь на склонах южной экспозиции в затрудненных для распашки местах.
На сохранившихся от распашки полянах среди березовых колков по хорошо увлажненным северным склонам расположены луга с большим количеством крупнотравья и присутствием типично лесных видов - лесного вей-ника, тимофеевки луговой, лабазника, клубники и др.
На склонах южной и юго-западной экспозиций, почти всегда крутых и недостаточно увлажненных развиваются ксерофитные формации, в которых основной аспект создают степные злаки — ковыль, типчак, тонконог.
Другим основным компонентом комплекса лесостепи являются березовые и осиновые остепненные леса, приуроченные к понижениям на повышенных равнинах и верхним частям их склонов водоразделов и северным склонам различных депрессий [Лапшина, 1963]. Березовые леса характеризуются разреженностью древесного яруса, небольшой высотой и отсутствием подлеска. В травяном покрове преобладают лугово-степные виды. Характерной особенностью района исследований является развитие по боровым террасам сосновых лесов — травяных, травяно-кустарничковых и моховых. Древостой сосновых боров, как правило, состоит из кряжистых, толстых и невысоких сосен с примесью березы. В таких лесах почти всегда развивается густой, но мелкий подлесок из шиповника, караганника и таволги. Травостой высокий, но редкий - разнотравно-злаковый, злаково-осоковый или папоротниковый [Павлова, 1963]. В течение прошедшего столетия в результате бессистемной рубки, пожаров, выпаса скота, опахивания как общая площадь, так и размеры самих березовых и сосновых лесов значительно сократились. Березово-парковые леса еще в недалеком прошлом покрывали многие водоразделы, а в настоящее время они сохранились лишь по северным склонам долин, логов и балок. В основных работах, посвященных изучению эрозионных процессов Предсалаирья, среди факторов, формирующих водный поток, особое внимание уделяется состоянию растительного покрова [Орлов, Реймхе, Ковалева и др., 1988; Ковалева, 1992; Танасиенко, 2003]. Этими авторами в результате специально проведенных исследований было установлено, что коэффициент поверхностного стока в лесу в 2-2,5 раза меньше, чем на пашне, а луговая ес тественная растительность полностью предохраняет почву от плоскостного смыва и размыва. Исследования полностью проводились в районе черноземов выщелоченных и оподзоченных лесостепной зоны Западной Сибири [Гаджиев, Ку-рачев, Хмелев и др., 1977]. Хорошая дренированность Предсалаирья в совокупности с лесостепной растительностью и климатическими условиями способствовала формированию автоморфных почв, которые занимают около 80% территории. Среди ав-томорфных почв наибольшее распространение получили выщелоченные и оподзоленные черноземы, а также темно-серые лесные оподзоленные почвы. Для Буготакского мелкосопочника характерно преобладание черноземов оподзоленных, на фоне которых развиты небольшие по площади ареалы выщелоченных черноземов, приуроченных к склонам южной экспозиции. Склоны холодной экспозиции, как правило, покрыты темно-серыми лесными почвами. Вследствие значительной расчлененности рельефа, больших водо-запасов в снежном покрове, короткого и интенсивного снеготаяния большинство склоновых почв подвержено эрозионным процессам в той или иной степени. Учитывая относительную молодость земледелия на данной территории, эрозионные процессы не достигли еще своего максимума, характерного европейской части России. Среди эродированных почв наибольшие ареалы занимают слабосмытые, среднесмытые встречаются довольно редко. Продукты твердого стока седементируют на шлейфах склонов, формируя намытые полугидроморфные почвы. Их распространение крайне незначительно. Среди эродированных почв на их долю приходится не более 1 %, Разрез чернозема оподзоленного среднемощного тучного тяжелосуглинистого (залежь) был заложен у подножия сопки Мохнатая, на склоне южной экспозиции (рис. 1). Чернозем выщелоченный среднемощный тучный тяжелосуглинистый (старая залежь) расположен на участке окруженный лесной растительностью, что создает определенный микроклимат (рис. 2). Понимая этот недостаток в наших исследованиях, лучшего эталона несмытых почв обнаружить не удалось, ибо степень распаханности сельскохозяйственных угодий Предсалаирья достигает 75%, а нераспаханные участки представлены другими генетическими типами почв.
Черноземы Предсалаирья характеризуются полноразвитым изогумусо-во-иллювиально-карбонатным профилем. В нем хорошо прослеживаются признаки двух основных процессов: а) аккумуляции в виде хорошо оформленной и высокоорганизованной гумусово-аккумулятивной зоны и б) элювиально-иллювиальных процессов в виде различной мощности зоны декарбонизации - зоны вымывания и четко выраженной карбонатизированной зоны биогено-иллювиального происхождения.
Мощность гумусовых горизонтов (А+АВ) черноземов Предсалаирья, отличающихся темно-серой окраской, слабой макрооструктуренностью, относительно рыхлым сложением, значительно варьирует, что может быть следствием разновременности их освоения, а в большинстве случаев — эро-дированности.
Трещи нов атость, хорошо заметная в горизонте В, вероятно, служила и служит путями миграции подвижных соединений. Важно отметить, что в современном профиле черноземов Предсалаирья отсутствуют признаки гидро-морфизма, столь характерные для черноземов прилегающих низменных равнин Западной Сибири [Хмелев, 1989].
Снеготаяние при адвективном типе погоды
Наряду с приходом теплых масс воздуха с юга и юго-запада весной в Западной Сибири, хотя и не ежегодно, но довольно часто, наблюдаются вторжения арктических масс воздуха. В такие годы продолжительность периода таяния устойчивого снежного покрова превышает средне-многолетнюю величину. С температурными условиями связана и интенсивность таяния снега. Последняя определяется не только широтой места, но и ландшафтом. Снег сходит сначала, как правило, со склонов теплых экспозиций, так как в это время года на них поступает больше солнечной энергии, чем на склоны холодной экспозиции. Так же снег быстрее стаивает с открытых возвышенных мест, потом с полей и лугов и позднее всего - с облесенных территорий [Орлова, 1962].
Исследованиями Н.В. Рутковской [1962] установлено, что на юго-востоке Западной Сибири в период таяния снежного покрова главную роль в таянии снега играет тепло воздуха. По характеру весенних погод и их синоптических условий, а также по признаку преобладания одного из двух главных факторов таяния, Н.В. Рутковской весенние периоды юго-востока Западной Сибири были подразделены на три типа: 1) радиационный тип весны, - когда таяние снежного покрова происходит в антициклональных условиях при ясной солнечной погоде и небольших отрицательных ночных температурах воздуха; средний многолетний период полного стаивания снега - 7 - 12 дней; 2) адвективный тип весны - когда снеготаяние происходит за счет адвекции теплых масс воздуха, преимущественно в теплых секторах циклонов и частично по западной и северной периферии антициклонов, при пасмурной погоде, температуре воздуха выше 0 С и при отсутствии прямой солнечной радиации; средний многолетний период полного стаивания снежного покрова — 14-21 день; 3) смешанный - адвективно-радиационный тип весны, когда таяние снежного покрова происходит как за счет адвекции теплого воздуха, так и за счет радиации; при этом пасмурная погода с температурой воздуха выше 0 С чередуется с погодой ясной, со слабо отрицательными или положительными температурами воздуха. Последний тип в свою очередь делится на два подтипа: а) адвективно-радиационный - с преобладанием адвективного фактора в таянии снега и б) радиационно-адвективный - с преобладанием радиационного фактора.
Радиационный тип весны наблюдается при хорошо выраженном западном переносе воздушных масс, причем для него характерно широтное расположение областей низкого и высокого давления. Продолжительность снеготаяния, при этом типе весны, бывает близка к средней многолетней.
Адвективный тип весны наблюдается при нарушении широтной циркуляции над Западной Сибирью. Оно может быть вызвано сравнительно большой активностью арктического антициклона. Такие весны бывают большей частью ранними, отличаются повышенными температурами воздуха. Теплая пасмурная погода с умеренными ветрами (7-8 м/с) сменяется погодой ветреной (со скоростью ветра 12-14 м/с), со снегопадами и отрицательными дневными и ночными температурами воздуха. При этом смена погод происходит быстро, и первый тип погоды преобладает над вторым.
Адвективно-радиационный тип весны наблюдается в годы с хорошо развитой меридиональной циркуляцией, когда арктический антициклон смещен в сторону материка Евразии.
Для адвективно-радиационного подтипа характерно большое разнообразие погод и частая их смена. Погода бывает ветреной или умеренно-ветреной, пасмурной, дождливой с невысокими положительными дневными и отрицательными ночными температурами воздуха. При холодной адвекции воздуха по восточной и южной перифериям антициклона таяние снега прекращается. Такие погоды могут продержаться несколько дней, а иногда и целую декаду, и могут наблюдаться неоднократно за период таяния устойчиво го снежного покрова. В весны этого подтипа продолжительность таяния снега бывает больше средне многолетней на 10 — 20 дней. Интенсивность снеготаяния при адвективно-радиационном подтипе весны очень изменчива во времени: она может быть и очень большой и совсем незначительной.
В весны радиационно-адвективного подтипа продолжительность периода таяния снега небольшая, осадки очень редки. Для этого подтипа снеготаяния характерны следующие погодные условия: таяние начинается при умеренно ветреной (до 7-8 м/сек) и ясной погоде и отрицательных температурах воздуха, которые постепенно растут и к 19 часам достигают +10+17 С. В конце таяния снежного покрова ночные температуры воздуха становятся положительными.
За 6 лет наших наблюдений, на территории Предсалаирья были отмечены все типы и подтипы снеготаяния,
Окончательный сход снежного покрова обычно происходит во второй половине апреля, но могут наблюдаться отклонения в ту или другую сторону на 5 - 10 дней. В годы, когда максимальная высота снежного покрова устанавливается поздно, а весна бывает дружной, с высокими дневными температурами воздуха, общий период снеготаяния составляет 7-11 дней.
Таким образом, для территории Предсалаирья характерны 5 типов зим по снежности. Наибольшей повторяемостью отличаются очень многоснежные зимы, меньше всего повторяемость малоснежных зим. По характеру весенних погод и синоптическим условиям здесь выделяется 3 основных типа снеготаяния: радиационной, адвективный, адвективно-радиационный. Последний тип, по преимуществу того или иного фактора таяния устойчивого снежного покрова, подразделяется на два подтипа. На юго-востоке Западной Сибири наибольшей повторяемостью отличается адвективно-радиационный подтип весны и адвективный тип; радиационно-адвективный подтип наблюдается редко, а радиационный мало характерен.
Поверхностный сток талых вод и смыв ими твердой фазы почвы при радиационном типе снеготаяния
Для адвективно-радиационного подтипа характерно большое разнообразие погод и частая их смена. Погода бывает ветреной или умеренно-ветреной, пасмурной, иногда дождливой с невысокими положительными дневными и отрицательными ночными температурами воздуха. Интенсивность снеготаяния при адвективно-радиационном подтипе весны очень из менчива во времени: она может быть и очень большой и совсем незначительной.
Адвективно-радиационньш подтипом снеготаяния характеризовалась в Предсалаирье весна 2003 года, которая отмечена как очень поздняя. Данные снегомерной съемки, проведенной 1 апреля 2003г., позволили отнести этот год к очень многоснежному, так как средний запас воды в снеге на склоне юго-восточной экспозиции исследуемого участка составил около 175 мм, а на защищенном от ветра целинном участке - 240 мм. Первые полторы декады апреля стояла холодная погода с выпадением атмосферных осадков в виде мокрого снега. И только после 15-го апреля были отмечены положительные дневные температуры воздуха, под действием которых происходило уплот-нение снега с 0,25 до 0,35 г/см .
Одновременно со снегомерной съемкой 1 апреля отобраны образцы почвы на влажность. При этом установлено, что за зимний период содержание влаги в черноземе выщелоченном сильносмытом в слоях 0 - 30 см и 0 -50 см увеличилось примерно на 20 мм, а в слое 50 — 100 см на 30 мм. В целинном черноземе содержание влаги в слое 0 - 30 см увеличилось на 30 мм, а в слое 50 - 100 см наоборот уменьшилось (табл. 12).
К началу снеготаяния чернозем выщелоченный несмытый и сильно-смытый промерзли на 20 и 100 см соответственно. Такую большую разницу в глубине промерзания можно объяснить различным содержанием влаги в профиле сравниваемых почв в начале холодного периода, а также разной мощностью снежного покрова. На черноземе выщелоченном сильносмытом, расположенном на наветренном склоне юго-восточной экспозиции, в начале холодного периода выпадающий снег сдувался в понижения, поскольку в конце октября и в первой половине ноября скорость ветра достигала 10-15 м/сек. В это же время в ночные часы температура воздуха опускались до минус 10 - 12 С; шло интенсивное промерзание профиля пахотных почв, которое продолжалось и при установившемся снежном покрове в конце ноября. Высота накопленного снежного покрова на наветренном склоне юго-восточной экспозиции к началу снеготаяния не превышала 55 — 60 см, а плотность - не более 0,20 - 0,25 г/см . На черноземе выщелоченном несмы-том высота снежного покрова к концу холодного периода превышала 90 см при плотности 0,27 - 0,3 г/см3. Чернозем выщелоченный несмытый (целина) на своей поверхности сохранил степной войлок, препятствующий проникновению ночных отрицательных температур вглубь профиля. Положительную роль в равномерном снегораспределении сыграла и оставшаяся с осени высокостебельная растительность. Самое же главное в слабой промерзаемости чернозема, занимающего целинный участок, заключается в том, что он окружен лесной растительностью, что создает определенный микроклимат. Понимая этот недостаток в наших исследованиях, лучшего эталона несмытых почв обнаружить не удалось, ибо степень распаханности сельскохозяйственных угодий Предсалаирья достигает 75%, а нераспаханные участки представлены другими генетическими типами почв. Первые признаки снеготаяния появились лишь 20 апреля, когда при относительно невысокой положительной температуре воздуха (+2...+4 С) под снегом начала сочиться вода, постепенно стали появляться оголенные участки почвы на возвышенностях (бровка, бугорки), а также стерня.
Температура промерзшего метрового слоя чернозема выщелоченного сильносмытого варьировала от -0,5 С (на глубине 0 — 80 см), до 0 С на 100 см, что делало его практически водонепроницаемым, особенно в слое 30 - 40 см. Запас влаги в слое 0 - 40 см составлял 170 мм.
После 11 часов произошло резкое изменение погодных условий. К 13 часам температура воздуха понизилась с +5 до +1 С; преобладающее направление ветра было северное, падал мокрый снег. К 16 часам температура воздуха снова поднялась до +5,5 С, но продолжал дуть ветер северного направления, на небе была высокая облачность. Не смотря на такие погодные условия, интенсивность стока талых вод нарастала.
21 апреля, по сравнению с предыдущим днем, заметно увеличилась площадь участков почвы, освободившихся от снега, на которых верхний 10 -15 сантиметровый слой уже оттаял и имел положительную температуру (рис. 15). Сумма положительных температур в этом слое была +1,4 С, Температура слоя 15 - 80 см была отрицательной (-1 С). Поскольку свободные поры были заняты льдом, талая вода не могла проникнуть через этот экран. Поэтому формировался поверхностный и внутрипочвенный сток. Последний был обнаружен во время отбора образцов почвы на влажность методом бурения. Пробуренная до глубины 30 см скважина в течение 3-5 минут заполнялась талой водой. Затекание воды с поверхности почвы исключалось. Визуально было зафиксировано выделение воды из стенок скважины на глубине 10—15 см от поверхности почвы, подтверждающее наше предположение, что мерзлотный экран, находящийся в почве каждую весну глубже 20 см, является ес тественным препятствием для свободного прохождения талых вод вглубь профиля.
Формирование поверхностного стока талых вод и смыв ими твердой фазы почвы при смешанном типе снеготаяния
Снеготаяние при радиационно-адвективном подтипе начинается примерно во второй декаде апреля. Установлено, что в годы с данным подтипом весны (2001 и 2002 гг.) первые 3-4 дня практически идентичны друг другу. Отличия в погоде отмечались лишь на 4 день снеготаяния.
В первый день снеготаяния (10 - 14 апреля) воздух прогревался до +5 + 10 С и несмотря на это, на небольших участках, где снежный покров уже сошел, температура поверхности почвы была близка к 0 С, на глубине 10 см температура опускалась до минус 2 С. Поверхность почвы, находящейся под снегом, имела отрицательную температуру.
На второй день снеготаяния (12 апреля) с ростом температуры воздуха увеличивалась и интенсивность стока талых вод и к 17 ч достигала 6,5 л/с/га. Существенного смыва почв еще происходило. Это связано с несколькими причинами: 1) основная часть талой воды бежала по поверхности снежного покрова. В последние 3 года (2001 - 2003 гг.) в течении холодного периода в январе - феврале на территории юго-востока Западной Сибири наблюдались аномально теплые дни, когда температура воздуха поднималась выше 0 С, что приводило к подтаиванию поверхности снежного покрова, а после резкого похолодания формировался ледяной наст. В итоге, к началу снеготаяния в профиле снежного покрова насчитывалось до 3 ледяных прослоек (толщиной от 5 до 15 мм) на разной глубине от поверхности снега. Именно из-за этих ледяных прослоек в первые дни снеготаяния талая вода в основном бежит по поверхности снежного покрова. Ледяные корки в снегу разрушаются либо под влиянием прямой солнечной радиацией, либо под действием водных потоков, но с температурой не ниже +1 С. Наличие подобных ледяных прослоек в снеге отмечалось А.Д. Орловым [1983], В.В. Реймхе [1988], СР. Ковалевой [1992].
Небольшая часть почв на приводораздельном пространстве, которые уже освободились от снежного покрова, находились еще в замерзшем состоянии и для отрыва почвенных частиц водой необходимо затратить большое количество энергии. Мутность талых вод во второй день снеготаяния не превышала 1,5 г/л. Таким образом, за второй день снеготаяния талыми водами, объемом около 30 м3/га, было смыто примерно 25 кг/га почвы.
В ночь на 3 день снеготаяния, температура воздуха была положительная, поэтому быстрый прогрев воздуха днем (до +15...+17 С) привел к нарастанию интенсивности снеготаяния с 17000 л/с/га в 13 ч до 40000 л/с/га - в 16 ч. Интенсивность стока за 3 часа увеличилась более чем в два раза. Повышение температуры воздуха привело так же и к отогреванию пахотного слоя, что вызвало 30-кратное (по сравнению предыдущим днем) увеличение мутности талых вод в 2002 г. и почти 20-кратное увеличение - в 2001 г. Максимальная, за третий день снеготаяния 2002 года, мутность талых вод наблюдалась в 13 ч, когда интенсивность стока была минимальной. Это связано с положительными ночными температура воздуха, когда поверхность почвы к началу дневного стока оставалась незамерзшей. Однако по мере увеличения интенсивности стока талых вод, их мутность все же уменьшалась, так как постепенно смывался оттаявший слой и талая вода уже бежала по мерзлому слою, который находился на глубине 20 см и был настолько сцементирован льдом, что даже к 19 часам талая вода не смогла отогреть его. На третий день снеготаяния в 2001 г. суточный объем стока талых вод увеличился в 2 раза по сравнению с предыдущим днем, а в 2002 г в 7 раз. Смыв почвы на третий день стока в 2001 г. увеличилась в 28 раз, а в 2002 г. - в 100 раз. Такая большая разница в смыве почвы однотипных снеготаяний объясняется наличием ледяных корок в снежном покрове в 2001 г. В первый и второй дни снеготаяния талая вода из-за ледяных прослоек в основном бежала по поверхности снега, а захваченные почвенные частицы с освобожденных от снега приводораздельных пространств фильтровались через снег.
Радиационно-адвективный подтип снеготаяния на территории юго-востока Западной Сибири характеризуется вторжением холодного воздуха по восточной и южной периферии антициклона, что приводит к похолоданию и прекращению таяния снега, т.е. к перерыву в снеготаянии. И в соответствии с этим, нами был отмечен год, когда похолодание наступило до пика снеготаяния (2002 г.) и год, когда похолодало после пика снеготаяния (2001 г.). Поэтому общими по погодным условиям для весен с радиационно-адвективным типом погоды являются первые 3-4 дня, последующие дни весьма различны.
В течение четвертого дня снеготаяния (14 апреля) 2001 г. воздух прогрелся до +17 С, была небольшая облачность и к 17 часам был отмечен пик снеготаяния, когда интенсивность стока талых вод составляла 104 м /час/га. После 17 ч интенсивность стока постепенно снижалась, и к 21 ч стала минимальной - 0,7 г/л, а позднее сток талых вод и вовсе прекратился (табл. 15). За день с максимальным суточным объемом стока (14 апреля) стекло 70% от общего весеннего стока талых вод и было смыто более 85% от общей потери почвенной массы.
В ночь на 15 апреля произошло похолодание, продолжавшееся в течение следующего дня с выпадением небольших, но интенсивных дождей со снегом. Поверхность почвы находилась в замерзшем состоянии, русла небольших ручьев были покрыты льдом. После 14 часов сток талых вод возобновился, но его интенсивность не превышала 5 л/с/га.
Таким образом, 15 апреля, при погодных условиях, не способствующих интенсивному снеготаянию, сбежало 37 м3/га талой воды, что почти в 2 раза меньше суточного объема стока в первый день снеготаяния. Талыми водами было смыто 235 кг/га почвы.
16 апреля — конец снеготаяния на склоне юго-восточной экспозиции. Дневная температура опустилась до минус 2 С, дул очень сильный ветер восточного направления. В некоторых местах поверхность почвы приобрела отрицательную температуру. Сток талых вод полностью отсутствовал, так как погодные условия не способствовали таянию снега. Однако из-за нарастающих температур из глубины почвы произошло разрушение мерзлотного экрана в профиле чернозема, и излишки талой воды (близкие к ПВ), содержащиеся в пахотном слое почвы, просачивались вглубь профиля, а не сбегали поверхностным стоком, как бывает в годы, когда мерзлотный экран разрушается через несколько дней после окончания снеготаяния. На склоне юго-восточной экспозиции осталось не более 10% снега, который сублимировался и испарился лишь в последующие дни при адвективном типе погоды.
