Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Защита почв от эрозиии

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
09.06.2019
Размер:
2.55 Mб
Скачать

Если в отношении основных определяющих факторов мнение исследователей однозначно, то в отношении их учета в расчетах смыва почв наблюдается разнобой и неоднозначность. Происходит это в силу чрезвычайной сложности и динамичности процесса эрозии, породивших различные методы в оценке отдельных факторов и особенно их совокупного взаимодействия между собой.

Поскольку эрозия – процесс взаимодействия почвогрунтов с движущейся массой воды, то она и определяется при прочих равных условиях энергетическим воздействием воды на земную поверхность. Данное представление о механизме процесса водной эрозии выступает в качестве методологической основы ее прогнозирования. Заметим также, что первые два фактора (G и Н) определяют меру энергетического воздействия воды на почвогрунты (Р). Вместе они составляют сущность процесса. Растительность и антропогенные факторы выполняют корректирующую функцию как ослабляющие или ускоряющие процесс эрозии и могут быть учтены через соответствующие поправочные коэффициенты.

Изложенная концепция исходит из самой природы процесса эрозии и способна в различных условиях отражать ее сущность. Несмотря на ее общность, она в каждом конкретном проявлении процесса эрозии выступает определяющей. Естественно, что при этом необходимо учитывать всю совокупную специфику процесса, определяющего его интенсивность. Так, прогнозирование склоновой эрозии при относительно равномерно распределенной микроручейковой сети на пахотных землях (плоскостной смыв) и русловой эрозии должно быть принципиально различным не только между собой, но и строго применительно к талым или ливневым водам. Оценка интенсивности ирригационной эрозии должна строиться с учетом способа полива и исключительно применительно к соответствующей поливной технике, определяющей условия и интенсивность водоподачи; то же самое относится и к овражной эрозии.

В сельском хозяйстве наибольший практический интерес представляет склоновая эрозия, вызываемая действием талых или ливневых вод. Несмотря на внешнее сходство, эти два процесса принципиально различаются между собой. Если эрозия

169

почв, вызванная поверхностным стоком талых вод в соответствующем регионе, развита повсеместно и повторяется практически ежегодно, то ливневая эрозия носит эпизодический характер и проявляется локально, на небольших площадях, преимущественно на чистых парах и под пропашными культурами.

Различные условия снегонакопления, увлажнения и промерзания почв, интенсивности водоотдачи (снеготаяния), формирования ледяной корки и т. д. Ставят интенсивность ее проявления в значительную зависимость от динамичного и трудноучитываемого гидрометеорологического фактора. Отсюда исследования должны строиться преимущественно на материалах наблюдений в конкретной гидрометеорологической обстановке с учетом почвозащитной эффективности снежного покрова и специфического характера энергетического воздействия стекающей массы воды на почвы.

Ливневая склоновая эрозия характеризуется специфическим энергетическим воздействием воды на почву, где решающее значение имеет энергия падающих капель воды, интенсивность и продолжительность ливня. Энергетическое же воздействие стекающей массы воды на почвы в практике расчета смыва почв некоторыми исследователями [Wishmeier, Smith, 1965] не учитывается. Она проявляется кратковременно при положительных температурах почвы и воздуха, небольшой величине поверхностного стока и определенной защищенности почв растительностью.

Принципиальные различия и особенности склоновой эрозии в условиях выпадения ливней и поверхностного стока талых вод определяют их различную генетическую природу и указывают на невозможность описать эти два процесса одной и той же зависимостью. Конкретно же вопрос заключается в оценке энергетического действия воды на почвы (табл. 25).

Справедливо критикуя американских исследователей (Wishmeier, Smith, 1965) за отход от классического определения энергии дождя, М.Н. Заславский (1977) показал, что эрозийность дождя весьма абстрактно характеризует его энергию. Перспективными в этом отношении являются исследования В.В.Сластихина (1964) и Г.И.Швебса (1974). Сущность же состоит в том, чтобы не столько повысить точность определения

170

Таблица 25. Сравнительные показатели интенсивности эрозионных процессов, вызванных талыми водами на зяби, естественными ливнями и искусственным дождеванием – на чистом пару

 

Сток

 

Смыв

Отно-

Средняя

Количест-

Уклон

воды,

 

почвы,

шение

мутность

во стоко-

 

м3/га

 

т/га

смыва

воды, г/л

вых пло-

 

 

 

 

к стоку

 

щадок

 

 

 

Талые воды (зябь)

 

 

0,059

398

 

4,6

1:86

11,6

187

 

 

Ливневые воды (чистый пар)

 

0,118

46

 

4,6

1:10

100,0

75

 

Искусственное дождевание (чистый пар)

 

0,092

185

 

6,3

1:29

34,5

151

энергии дождя и стекающих вод по земной поверхности, сколько отыскать приемлемые связи между энергетическим воздействием воды и применительно к стандартным условиям величиной смыва почв. Именно такую зависимость между эрозийностью дождя как произведения его кинетической энергии на среднюю максимальную интенсивность 30-минутной продолжительности и величиной смыва почв нашли американские исследователи. Они отразили ее в показателе эродируемости конкретных почв, представляющем отношение количества смытой почвы к величине эрозийности дождя. Таким образом, в основу прогнозирования водной эрозии за меру энергетического воздействия дождя ими была принята его эрозийность и величина удельного смыва почв.

В смелом отходе от классических представлений в прогнозировании ливневой эрозии как раз и обнаружилась «работоспособность» указанного метода. И хотя немало противников и скептиков у их авторов было и в США, жизнь подтвердила полезность использования на данном этапе разработанного метода в решении практических вопросов защиты почв от эрозии.

Специально проведенные 10-летние опыты (Mutchler и др., 1976) с целью проверки расчетного метода заставили их авторов признать, что выявленными расхождениями между расчетными и экспериментальными показателями смыва в практических целях можно пренебречь.

171

Указанные недостатки методического характера здесь в значительной мере компенсировались широкой сетью многолетних наблюдений на стоковых площадках за смывом почвы по единой программе. В условиях отсутствия такой сети длительных наблюдений возникает необходимость систематизации обширного разнородного материала полевых наблюдений на качественно новой методической основе. Перспективным в этом отношении является определение не общей энергии дождя, а энергии эрозионноопасной его части, включая и энергию стекающей массы воды по земной поверхности.

Совершенно другой подход должен быть в определении поверхностного склонового стока талых вод. Остановимся на нем подробнее. В классическом варианте энергия потока (Е) оп-

ределяется массой воды (т) и скоростью ее движения (υ), т. е.

E m 2 . 2

Однако здесь есть ряд обстоятельств, не позволяющих и затрудняющих использовать его в практических целях. Значительное и трудноучитываемое перераспределение массы стекающей воды по земной поверхности и вместе с ней большая динамика скорости ее движения в изменчивой ручейковой сети на склонах обязывают изыскивать другие методические подходы. Один из них заключается в том, что за меру энергетического воздействия стекающей массы талых вод на почвы может быть принята полная ее работа (А) на единице площади (га) при средневзвешенных значениях длины (L) и крутизны (α) линии стока (Иванов, 1984) на элементарном склоновом водосборе, т. е.

A = mg 0,5L sinα,

где g – ускорение силы тяжести.

Такой подход позволяет связать воедино основной гидрометеорологический (т) и геоморфологический (L и α) факторы эрозии в оценке энергии воды при ее движении по наклонной земной поверхности, избегая динамичную и трудноучитываемую скорость и сохраняя при этом ясную физическую сущность процесса. На этой методической основе появляется возможность систематизировать весьма разнородный экспериментальный материал полевых наблюдений за стоком воды и смывом почв на

172

временных стоковых площадках. Можно определить показатели эродируемости (Q) почв применительно к стандартному агрофону (например, на зяби) отношением количества смытой почвы (Р) к полной работе сточной воды (А) на стоковых площадках

Q

P

 

P

.

A

mg0,5L sin

 

 

 

С помощью показателей эродируемости почв выражается связь между величиной смыва почв и полной работой воды и определяется количеством смытой почвы, приходящейся на единицу работы воды за период снеготаяния.

Нетрудно представить, что интенсивность эрозии может быть определена произведением соответствующих показателей эродируемости почв на работу стекающей массы талых вод с введением ряда относительных коэффициентов (К), учитывающих форму продольного профиля склона, экспозицию, растительность, влажность и глубину промерзания почв, агротехнику

(Иванов,1984)

Iэ = Q ·A = Q · mg ·0,5 · L ·sina · K.

Таков методический подход, положенный нами в основу расчета среднемноголетней интенсивности смыва почв со склонов талыми водами. Он впервые был теоретически обоснован В.Г.Глушковым (1934) и практически использован в установлении связей между мутностью рек и полной работой стекающей воды с водосборов В.В. Протопоповым (1968).

Касаясь вопросов влияния превышения длины и крутизны линии стока на смыв почвы со склонов, было показано, что влияние этих основных геоморфологических факторов должно рассматриваться в такой их связи, в которой они находятся между собой в природных условиях. В рамках такой модели склонов величина смыва почв находится в прямой или близкой к ней зависимости от произведения длины линии стока на ее уклон, находящихся в первой степени. На практике это означает, что величина смыва почв на склоне или элементарной водосборной площади находится при прочих равных условиях от превышений по линиям стока в конкретной микроручейковой сети склона или водосбора. Многочисленные экспериментальные материалы подтвердили исходную теоретическую основу предложенного

173

расчетного метода, в которой длина и уклон также находятся в первой степени. Была показана и недостаточная обоснованность показателей степеней при длине и уклоне, используемых в расчетах смыва почв другими исследователями (Иванов, 1984).

Выяснилось также, что на основе показателей мутности потоков на склонах практически невозможно систематизировать материалы полевых наблюдений на стоковых площадках для достоверной характеристики смываемости (эродируемости) основных типов и подтипов почв из-за недоучета влияния факторов длины и крутизны. В этом отношении изложенная нами методика выгодно отличается тем, что в показателе эродируемости почв одновременно учитывается длина и крутизна стоковой площадки, что способствует повышению достоверности определения показателей эродируемости почв. Материалы наблюдений на временных стоковых площадках и длительные стационарные наблюдения Нижнедевицкой водно-балансовой станции и гидрометеорологической обсерватории «Каменная степь» окончательно убедили нас в отсутствии надежной связи между смывом и массой стекающих талых вод, выраженной через мутность. Более надежная связь (ошибка 8-12%) выражается через показатель эродируемости почв.

В своих построениях мы исходили из того, что определяющей характеристикой смыва почв является не продольный профиль склона, а средневзвешенная длина линии стока элементарного водосбора. Поверхностный сток воды и плоскостной смыв почвы происходят в микроручейковой сети по кратчайшему пути ручейками, устремленными по малейшим уклонам в сторону ближайшего более крупного водотока. Поэтому средневзвешенная длина линии стока на склоне или водосборе всегда меньше длины склона и не превышает 450-500 м. В природе по существу нет склонов и элементарных водосборов, не расчлененных овражно-балочно-ложбннной сетью, различного рода повышениями и понижениями местности, определяющими как сам тип микроручейковой сети, так и средневзвешенную длину линии стока. Внутри более крупных водотоков мы уже имеем дело не с плоскостным смывом почвы, а с русловыми процессами, подчиняющимися другим законам гидравлики и гидродинамики. Сами же водотоки являются своеобразными транспорт-

174

ными артериями, обеспечивающими вынос продуктов смыва в гидрографическую сеть более высокого порядка. Рассчитывать же смыв почвы по профилю склона вне связи с площадью водосборов и средневзвешенной длиной линии стока на них представляется возможным только при условии нахождения между ними определенной связи, что и определяет необходимость дополнительных исследований.

В решении вопросов прогнозирования склоновой эрозии, вызванной поверхностным стоком талых вод, мы стремились как можно полнее обосновать методологическую основу и своего рода модель процесса с использованием специальной карты поверхностного склонового стока талых вод (Рязанцев, 1981). В связи с этим предложенный метод способен приближенно отражать среднемноголетние показатели смыва почв. Он использован нами в обосновании границы равновесия между эрозией и скоростью почвообразования, в установлении категорий эрозионноопасных земель и в проектировании противоэрозионных мероприятий на расчетной основе [Иванов В.Д., 2003] (табл. 26).

Таблица 26. Экспериментальные и расчетные показатели смыва почв на зяби

Чис

Q,

m,

L,

Sin

К

Смыв почвы,

Источник

ло

г/Д

т/га

м

α

 

т/га

 

пло

ж

 

 

 

 

экс-

рас-

 

ща-

 

 

 

 

 

пери-

чет-

 

док

 

 

 

 

 

мент.

ный

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

 

 

Дерново-подзолистые почвы

 

17

0,10

574

50

0,148

1

1,5

2,1

Беляев, 1976

8

0,18

616

50

0,134

0,92

1,3

3,3

Макаров и др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

1972

4

0,10

425

50

0,061

0,98

0,1

0,6

Джабраилов,

 

 

 

 

 

 

 

 

1966

2

0,10

630

50

0,082

1,07

1,2

1,4

Беляев, Мака-

 

 

 

 

 

 

 

 

ров, 1971

9

0,10

660

50

0,070

0,98

0,5

1,1

Джабраилов,

 

 

 

 

 

 

 

 

1969

4

0,10

183

20

0,078

1

0,9

0,1

Кормщиков и

 

 

 

 

 

 

 

 

др.,1974

175

14

0,10

263

100

0,104

-

2,4

 

1,3

Маркочева,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1972

 

 

2

0,10

760

50

0,134

-

6,2

 

2,5

Беляев, 1971

15

0,10

132

150

0,065

1,07

0,5

 

0,7

Ильин

и

др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1976

 

 

6

0,18

829

100

0,042

1,07

13,6

 

3,1

Вараксина,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1976

 

 

6

0,18

517

100

0,110

-

6,9

 

5,0

Бобровицкая,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1974

 

 

 

 

 

Серые лесные почвы

 

 

 

 

45

0,46

320

50

0,113

1,12

9,7

 

4,7

Комаров, 1975

24

0,35

332

50

0,057

-

1,1

 

1,6

Сухарев и др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1976

 

 

7

0,26

355

100

0,070

1,24

10,7

 

3,9

Рожков, 1977

8

0,35

74

150

0,065

1

0,6

 

1,2

Ильин,

Федо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сеев,1975

 

26

0,35

339

50

0,075

-

1,2

 

22

Стариченко,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1969

 

 

28

0,35

610

100

0,043

0,99

3,0

 

4,4

Сурмач,

 

Бара-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

банов,1977

 

3

0,35

73

150

0,065

1

0,5

 

1,2

Кормщиков,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ильин1977

10

0,35

390

50

0,107

-

11,2

 

3,6

Гончар, 1970

1

0,35

1000

100

0,097

-

9,1

 

16,5

Скородумов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1970

 

 

1

0,26

1112

50

0,087

0,78

2,7

 

4,8

Шакиров, 1969

2

0,35

208

190

0,070

-

44,2

 

4,7

Шамшин,1961

6

0,35

940

100

0,055

-

10,6

 

8,9

Сурмач,

 

Бара-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

банов,1975

 

4

0,46

490

50

0,072

0,94

16,2

 

3,7

Ляблин, 1968

2

0,35

280

100

0,055

-

2,4

 

2,6

Барабанов и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

др., 1975

 

14

0,26

975

50

0,087

0,78

2,3

 

4,2

Шакиров, 1975

64

0,46

752

50

0,056

0,99

9,4

 

5,3

Комаров,

Гри-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дяев,1974

 

4

0,35

793

150

0,045

0,88

1,1

 

8,1

Гаршинев,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1971

 

 

15

0,35

301

50

0,057

-

0,9

 

1,5

Сухарев и др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1976

 

 

42

0,26

258

100

0,070

1,24

8,0

 

2,9

Рожков, 1977

176

Черноземы

8

0,69

562

30

0,039

1

1,0

2,2

Грызлов, 1970

14

0,86

148

50

0,051

1,4

2,0

2,2

Грызлов и др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

1979

 

 

8

1,03

49

100

0,044

1,2

1,8

1,4

Гункин

и

др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

1979

 

 

6

0,54

418

100

0,078

0,87

3,4

7,5

Шугуров, 1968

2

0,86

137

100

0,044

1

9,1

2,5

Каштанов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1974

 

 

8

1,19

183

50

0,052

1,2

3,2

3,3

Миронченко,

 

 

 

 

 

 

 

 

1962

 

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

 

12

1,03

108

75

0,044

0,89

1,6

1,6

Гункин, 1974

14

1,03

214

100

0,044

0,89

2,4

4,8

Панов, 1975

12

0,69

98

50

0,079

1

0,4

1,3

Крупчатников,

 

 

 

 

 

 

 

 

1977

 

 

1

1,03

196

40

0,038

0,95

4,6

1,4

Сухарев, 1959

6

1,03

175

50

0,044

1,33

0,5

2,6

Пабат, 1970

4

1,03

108

50

0,061

1,2

7,7

2,0

Ивонин, 1975

12

0,69

52

50

0,039

0,87

0,1

0,4

Кузник,

 

Кар-

 

 

 

 

 

 

 

 

пович,1974

2

0,86

315

25

0,070

0,78

0,6

1,8

Коваленко

и

 

 

 

 

 

 

 

 

др., 1972

 

1

1,19

84

50

0,044

1

0,3

1,1

Шабаев,

Ив-

 

 

 

 

 

 

 

 

ченко,1978

8

0,86

35

50

0,052

1,16

0,1

0,4

Заславский,

 

 

 

 

 

 

 

 

1977

 

 

2

0,69

410

50

0,061

0,93

2,3

3,9

Макаров В.Ф.,

 

 

 

 

 

 

 

 

1968

 

 

18

1,03

112

75

0,044

0,89

1,5

1,7

Абдульманов

 

 

 

 

 

 

 

 

и др,1975

 

2

1,03

282

50

0,050

1

11,8

3,6

Трегубов П.С.,

 

 

 

 

 

 

 

 

1961

 

 

2

0,86

86

50

0,061

0,95

0,6

1,0

Трегубов А. И

 

 

 

 

 

 

 

 

др,1975

 

 

21

0,54

363

120

0,044

1

1,0

5,1

Аксенов, 1965

2

1,03

900

100

0,035

0,93

13,1

14,8

Пабат

и

др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

1976

 

 

19

0,69

1045

35

0,093

1,23

10,4

12,2

Комаров,

Гри-

 

 

 

 

 

 

 

 

дяев,1974

 

177

4

0,69

475

100

 

0,044

-

16,5

5,1

Каштанов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1974а

 

8

1,19

134

60

 

0,087

1,24

5,0

5,1

Воронин и др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1974

 

8

1,03

357

100

 

0,122

1,1

34,7

24,3

Гавриленко

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

др., 1977

 

6

1,03

35

100

 

0,050

1,33

4,8

1,2

Черемисинов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1961

 

9

0,61

721

306

 

0,028

1,12

6,1

21(9)

Гавриленко

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

др., 1977

 

6

0,61

840

96

 

0,021

1,12

0,9

6(2)

Гавриленко

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

др., 1977

 

9

0,61

846

166

 

0,032

1,12

2,9

15(5)

Гавриленко

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

др., 1977

 

30

0,87

285

120

 

0,045

1

9,7

6,6

Иванов, 1984

 

 

 

 

Каштановые почвы

 

 

 

19

1,45

66

100

 

0,063

1

3,9

3,0

Барабанов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1968

 

4

1,28

157

250

 

0,023

0,72

0,2

4,1

Назаров, 1962

4

1,45

46

120

 

0,068

1,02

4,4

2,7

Борец, 1973

9

1,28

360

50

 

0,044

-

3,0

5,0

Утепов, 1975

5

1,45

97

100

 

0,105

-

7,7

7,3

Сурмач и

др.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1968

 

14

1,45

84

100

 

0,085

-

5,3

5,1

Сурмач, 1976

Примечание. Цифры в скобках – смыв почвы при норме стока талых вод, прочерк – нет данных.

Дальнейшее совершенствование метода состоит в более полном отражении почвенного фактора, так как показатель эродируемости почв одновременно отражает в себе интегрированный комплекс внешних гидрометеорологических (экологических) условий, а коэффициенты, учитывающие степень смытости, гранулометрический состав, солонцеватость и карбонатность, не могут в полной мере отражать многообразную внутреннюю природу почвенных разновидностей. Поэтому в расчетах необходимо использовать относительный комплексный показатель противоэрозионной стойкости почв (Р), учитывающий содержание водопрочных агрегатов размером 0,01 мм, степень насыщенности основаниями, содержание гумуса, суммарное

178