Понятие о водной эрозии почв
Водная эрозия почв приняла во всем мире настолько большие размеры и наносит столь огромный и многосторонний, часто непоправимый ущерб, что защита почв от эрозии стала одной из важнейших проблем человечества. Почва — национальное богатство каждой страны, основное средство сельскохозяйственного производства, поэтому защита ее от эрозии жизненно необходима.
Развитие цивилизации сопровождалось уничтожением естественного растительного покрова при распашке земли и вырубке лесов. Следствием этого явилось нарушение сложившегося равновесия в природе, в результате чего увеличился поверхностный сток воды, усилились ветры, распаханная почва подверглась разрушению силами ветра и воды. Чтобы овладеть способами защиты почвы от разрушения поверхностным стоком воды, необходимо хотя бы в общих чертах познакомиться с закономерностями этого процесса.
Водный баланс любого участка земли за многолетний период выражается формулой Пенка — Оппокова:
где Р — атмосферные осадки;
R — сток;
Е — испарение.
Для центрально-черноземного района РОССИИ (по А. М. Грину) элементы уравнения водного баланса будут такими: Р=520 мм; R=69 мм; Е=451 мм. Эти величины выражаются в миллиметрах слоя воды, распределенного по площади какого-либо водосбора реки. Осадки измеряются на метеостанциях дождемерами, сток — по расходу воды в реке, а испарение — в виде разницы между осадками и стоком.
Отдельные элементы водного баланса, помимо связи с климатическими факторами, находятся в большой зависимости от состояния поверхности земли. Для анализа этой зависимости приведенное выше уравнение водного баланса было развернуто Г. Н. Высоцким (1938) и уточнено М. И. Львовичем (1950) следующим образом:
где Р – атмосферные осадки;
S – поверхностный сток воды;
W – валовое увлажнение территории (величина впитывания воды почвой);
U – грунтовый сток воды;
T – транспирация растений (продуктивное испарение);
N – физическое испарение (непродуктивное испарение).
Рассмотрение приведенных уравнений показывает, что увлажнение территории (W) находится в большой зависимости от величины поверхностного стока воды (S). В свою очередь, оба эти элемента зависят от состояния поверхности и структуры почвы, что определяет собой скорость впитывания (инфильтрацию) воды. Увеличение шероховатости поверхности и улучшение структуры почвы способствуют быстрому впитыванию атмосферных осадков, а следовательно, увеличению увлажнения территории (W) и уменьшению поверхностного стока воды (S).
Поглощенные почвой атмосферные осадки расходуются в основном на физическое испарение и транспирацию растений и частично просачиваются вглубь, пополняя грунтовые воды. Эти воды, следуя уклону водонепроницаемого слоя, текут в грунте, а при выходе из него равномерно питают реки в течение года.
Поверхностный сток воды часто является не только бесполезным в хозяйственном отношении, но и наносит огромный вред народному хозяйству. Увеличенный поверхностный сток воды вызывает бурные разливы рек и разрушает поверхность земли. Для характеристики величины поверхностного стока воды часто пользуются понятием коэффициента стока (К), который показывает, какая часть атмосферных осадков (Р) расходуется на сток (S):
Коэффициент стока может быть вычислен для разных промежутков времени: для стока за год, для весеннего стока, для стока за один ливень и т. д. Аналогичные коэффициенты можно применять для характеристики грунтового стока и испарения. По данным А. М. Грина, коэффициент годового речного стока для центрально-черноземной зоны европейской части РОССИИ составляет 0,11; коэффициент поверхностного весеннего стока округленно равен 0,70, т. е. 70% воды при таянии снега стекает по поверхности почвы.
Поверхностный сток воды наблюдается при уклоне более 0,5°. Уклоны свыше 2° считаются эрозионноопасными, так как в этом случае поверхностный сток вызывает сильную эрозию почвы.
Различают геологическую и ускоренную эрозию почвы.
Под геологической эрозией понимают разрушение поверхности суши, происходившее как в прошлом, так и теперь под влиянием естественных причин. В настоящее время темпы такой эрозии малы, внешне незаметны и перекрываются процессом почвообразования.
Ускоренная эрозия порождена хозяйственной деятельностью человека. Ускоренной она называется потому, что темпы ее развития во много раз превышают геологическую эрозию, хотя закономерности их развития остаются общими.
Современный рельеф суши есть результат совместных процессов горообразования, вековых движений земной коры и геологической эрозии. Под влиянием последней сформировалась гидрографическая сеть, т. е. система взаимосвязанных пониженных элементов рельефа. Вода, стекая по поверхности земли вниз по склонам, концентрируется в гидрографической сети и по ней уходит в реки и затем в моря и океаны.
Гидрографическая сеть в плане похожа на ветвящийся ствол дерева и состоит, по А. С. Козменко, из следующих звеньев, начиная сверху: ложбины, лощины, балки (суходола), речной долины (см. рис. 31). Каждое звено имеет свою площадь водосбора, т. е. участок поверхности земли, с которого вода стекает в данное звено. Линия, разграничивающая соседние водосборные площади, называется водораздельной. Она проходит по наиболее возвышенным в данном месте точкам рельефа местности.
Звенья гидрографической сети отличаются друг от друга своей величиной и формой берегов. Для Средне-Русской равнины А. С. Козменко дает этим звеньям следующую характеристику.
Ложбина — слабо выраженное углубление с весьма пологими берегами, постепенно переходящими в прилегающие склоны. Площадь водосбора около 50 га. Берега распахиваются. Ложбина впадает в лощину.
Лощина — ясно выраженное углубление шириной 20-30 м и глубиной 8-10 м. Площадь ее водосбора достигает 500 га, она включает несколько водосборов ложбин. Берега симметричные, крутые (10-20°), не распахиваются. Лощина по мере движения вниз по склону расширяется, углубляется и впадает в балку (суходол) или сама становится балкой.
Балка (суходол) более широкое (до 200-300 м) и глубокое (15-20 м и более), чем лощина, углубление. Для нее характерны несимметричные берега: освещаемые солнцем, как правило, крутые, теневые — пологие. Площадь водосбора до 3000 га. Постепенно расширяясь и углубляясь, балка впадает в долину реки.
Долины малых рек по строению похожи на балки, отличаясь от них тем, что крутые и пологие их берега чередуются не в зависимости от их экспозиции, а от извилистости русла реки. Вода промывает в пойме реки извилистое русло, имеющее в плане вид синусоиды. Там, где излучины реки подходят к берегам долины, последние подмываются и становятся более крутыми, чем противоположные. Излучины реки постепенно перемещаются вниз вдоль основной оси движения воды и, подмывая берега, расширяют пойму реки.
Долины крупных рек отличаются от малых относительно-постоянной асимметрией берегов. Обычно правый берег крутой и высокий (подмываемый), а левый — пологий. Пойма здесь широкая. Русло реки тоже извилистое, но река в целом смещена в пойме к правому берегу, поэтому ее излучины подмывают только правый берег. Такое происхождение асимметрии берегов объясняется теорией Бэра— Бабине, согласно которой речной поток вследствие вращения Земли в Северном полушарии отклоняется вправо по течению, а в Южном — влево независимо от направления течения. Эта закономерность в ряде случаев нарушается местными особенностями геологического строения территории.
По отношению к рекам принято говорить не о водосборной площади (площади сбора воды поверхностного стока), а о бассейне, поскольку в реки сбрасывается не только поверхностный сток воды, но и грунтовый (подземный) сток, а границы поверхностного и подземного водосборов могут не совпадать.
Перечисленные звенья гидрографической сети выработались в результате геологической эрозии в основном в далеком прошлом. Поэтому такую сеть называют древней. В настоящее время ее берега и дно покрыты растительностью. В ряде случаев дно и берега этой сети разрушены в результате ускоренной эрозии и превратились в овраги.
Гидрографическая сеть расчленяет всю территорию поверхности земли. Поэтому пашни, луга и леса расположены на водосборах тех или иных звеньев этой сети. Лишь в исключительных случаях могут встречаться ровные, бессточные участки земли. Для характеристики густоты гидрографической сети введено понятие коэффициента расчленения территории.
Этот коэффициент показывает, сколько километров длины гидрографической сети приходится на один квадратный километр поверхности суши. Средней величиной принято считать коэффициент, равный 1,0.
Ускоренная эрозия почв тесно связана с густотой гидрографической сети. Чем больше расчлененность территории, тем круче склоны водосборов, тем больше эрозионноопасных уклонов и сильнее развита эрозия почвы. Кроме того, как показал С. С. Соболев, ускоренная эрозия связана с историей земледелия. Она сильнее выражена в районах более древнего земледелия (вблизи старых городов).
Ускоренная эрозия проявляется в двух основных видах: поверхностной, или плоскостной, и линейной, или вертикальной. При поверхностной эрозии почва смывается с поверхности земли, а при линейной — размывается в глубину, т. е. образуются овраги.
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭРОЗИЯ ПОЧВ
Талые и ливневые воды, стекая по поверхности земли, разрушают ее. Вода стекает не в виде слоя, равномерно покрывающего поверхность склона, а небольшими струйками, более или менее равномерно рассеянными по поверхности склона.
При движении вниз по склону каждая струйка воды промывает русло, взмучивая и унеся с собой частички почвы. Частицы почвы, уносимые водой с полей, называют твердым стоком. По мере движения по склону мелкие струйки могут сливаться в крупные, промывая для себя и более глубокие русла. После окончания стока поверхность пашни бывает изрезана бороздками (водороинами).Если поперек склона натянуть мерную ленту и на протяжении 50 м промерить у всех пересекших эту линию бороздок ширину и глубину, то можно вычислить суммарную площадь сечения всех водороин в квадратных метрах.Умножив полученную величину на 1 м, получим приближенно объем почвы в кубических метрах, унесенной поверхностным стоком воды с 50 м2 учетной площадки (метод учета С. С. Соболева). Закладывая такие учетные площадки в разных частях склона (верхней, средней, нижней), можно учесть смыв со всей площади.
Количество смытой почвы можно определить и по степени мутности воды. Для этого необходимо определить вес твердого стока в 1 л или 1 м3 воды и учесть количество воды, стекающей с данной площади водосбора. Это можно делать, измеряя сток воды в лощинах и балках.
В центрально-черноземной зоне средняя величина ежегодного смыва почвы с 1 га пашни местами достигает 200 м3 и более, особенно во время ливня.
Значительная часть твердого стока выносится в моря, остальная оседает в балках, прудах, долинах рек и в водохранилищах.
В ряде зарубежных стран процессы смыва почвы получили очень большое развитие. Так, по данным, приведенным в книге Ж. Дорста (1968), крупнейшая река США — Миссисипи в течение года выносит в океан до 300 млн. т твердого стока, а река Хуанхе в Китае — в среднем 1890 млн. т при максимальном выносе твердого стока 2643 млн. т, что составляет 50-100 т с каждого гектара площади водосбора. В США, в районе Лос-Анжелоса, смыв почвы с 1 га составляет от 6 до 144 т в год, в Индии, в бассейне Ганга, — 36, в Алжире, в бассейне Уэда и Уджда, — от 45 до 150.
После окончания стока воды поверхность пашни остается покрытой сетью водороин. При обработке почвы водороины заравниваются рядом лежащей землей, поэтому общая толщина слоя почвы уменьшится.
Поскольку почва смывается ежегодно в течение десятков и сотен лет, то уменьшение толщины пахотного слоя становится весьма ощутимым. Образуются разной степени смытые почвы. В таблице 28 приводится классификация смытых почв.
Приведенная в таблице 28 номенклатура пригодна и для почв, разрушенных ветровой эрозией.
При определении степени смытости почвы необходимо сравнивать мощность генетических горизонтов (А, В) почвенных разрезов на участках, где нет смыва (водоразделы и нераспахиваемые склоны, покрытые растительностью), с участками на распахиваемых склонах.
На разрушительную силу воды, вызывающую смыв почвы, существенное влияние оказывают рельеф, тип почвы, растительность, климат и хозяйственная деятельность человека. Ведущим фактором является рельеф местности. При этом большое значение имеет форма склонов поверхности земли. Различают выпуклые, прямые и вогнутые склоны, но могут быть и сложные, состоящие из перечисленных элементов. По С. С. Соболеву, наибольший смыв наблюдается на выпуклых участках склонов, где при движении вниз одновременно нарастают крутизна склона и масса стекающей воды (рис. 34).
На прямых склонах в несколько ослабленном виде, поскольку уклон постоянный, повторяются закономерности смыва почвы на выпуклых склонах. На вогнутых склонах по мере движения вниз хотя и увеличивается масса стекающей воды, но вследствие уменьшения уклона почва смывается меньше, чем на прямом склоне.
Для центрально-черноземной зоны европейской части России Д. Л. Армандом (1954) установлена тесная связь между уклоном поверхности земли и степенью смытости почвы (табл. 29).
Степени смытости приведены в таблице 29 по старой классификации, охватывающей смыв гумусового горизонта. Поэтому первые три степени будут соответствовать I классу, четвертая — II классу, а пятая — III классу смытости по новой классификации.
Противоэрозионная стойкость почвы зависит в основном от прочности ее структурных агрегатов. Наибольшей прочностью обладают верхние горизонты почвы; наименьшей — материнские породы. Черноземные почвы более стойки к смыву, чем другие типы почв. Распыленные, бесструктурные почвы, в том числе и черноземные, легко поддаются эрозии.
Растительность, особенно естественная, предохраняет почву от эрозии. Под ее влиянием улучшается почвенная структура, повышается ее стойкость к смыву и улучшается способность впитывать воду.
Климат оказывает большое влияние на развитие эрозии. Эрозия, вызываемая талыми водами, распространена в районах, где почва промерзает довольно глубоко, а ливневая — преимущественно на западе и юго-западе европейской части России.
Хозяйственная деятельность человека является решающим фактором в развитии эрозии почв. Неправильное пользование землей привело к усилению эрозии. Познание ее причин дает возможность использовать более совершенные приемы возделывания почвы и защиты ее от эрозии. В социалистическом обществе этому делу придается общегосударственное значение, что позволяет проводить эффективные мероприятия в широких масштабах.
Поверхностная эрозия почвы наносит огромный ущерб народному хозяйству страны. В результате смыва верхнего слоя почвы значительные площади пахотных земель в той или иной степени утратили свое плодородие. Кроме твердых частиц, поверхностные воды уносят также много растворенных питательных солей. Почвы средней и сильной смытости окаймляют лощины, балки и долины полосой шириной 100—200 м и более. Зная характер размещения смытых почв и длину гидрографической сети в каком-либо почвенно-климатическом районе, нетрудно подсчитать общую площадь этих почв.
Обобщая данные по урожайности, в качестве первого приближения С. С. Соболев рекомендует следующие бонитировочные коэффициенты при качественной оценке почв: несмытые — 1,0; I — степень смытости — 0,5; II степень смытости — 0,2.
Смытые почвы меньше, чем несмытые, содержат гумуса и других элементов пищи растений, поэтому при возделывании на них сельскохозяйственных культур требуется иная агротехника, чем на несмытых почвах. Здесь необходимы более высокие дозы удобрений и специальные приемы обработки почвы.
Кроме снижения плодородия почвы, водная эрозия наносит и другой вред. В результате кольматажа (отложения твердого стока) происходит заиление прудов и водохранилищ, мелеют реки, заболачиваются поймы.
В книге Ж. Дорста (1968) приводятся следующие данные из мировой практики: в водохранилище Уэд-Форд в Алжире емкостью 225 млн. м3 ежегодное заиление достигает 300 тыс. м3; в водохранилище на р.Стримон (Керкини) в Греции — 5,5 млн. м3; в Гуаньдунском водохранилище в Китае — 90 млн. м3, и оно может выйти из строя через 30-40 лет. В Техасе (США) одно водохранилище на р. Колорадо было заилено на 47% за 7 лет; другое — на 83% за 9 лет.
Следовательно, водная эрозия является грозной опасностью для человечества и требует принятия неотложных мер по ее предотвращению. Наукой и практикой разрабатывается комплекс мер защиты почвы от эрозии, одним из элементов которого является лесомелиорация.