Граница динамического равновесия между эрозией почв и скоростью очвообразования

3.1. Теоретическое обоснование

Почвообразование и эрозия почв – диаметрально противоположные процессы, представляющие сущность современного диалектического развития почв на склонах и их плодородия.

В недалеком прошлом, когда господствовала естественная расти­тельность, явление эрозии почв [Заславский, 1979] практически отсутствовало как на равнине, так и на склонах. В этом случае естественная мощность сфор­мировавшегося гумусового горизонта почв (Н_е) на равнине может быть выражена функцией от времени и скорости естественного почвообразо­вания (V_еп)

Н_е = V_еп· t_e , (1)

где t_e - соответствующее число лет.

C учетом незначительной (минимальной) скорости естественной эро­зии на склонах мощность сформировавшегося гумусового горизонта почв на cклонах можно представить как

(2)

Постепенное сведение естественного растительного покрова и разви­тие земледелия сначала на равнине характеризует качественно новый этап культурного почвообразовательного процесса. Его отличительная особенность заключается в резком изменении гидротермического режи­ма почв, физико-химических и биохимических процессов, количествен­ном и качественном изменении живой фазы почв, что в конечном итоге приводит к возрастанию скорости культурного почвообразовательного процесса (V_кп). С учетом времени культурного почвообразования (t_к) современная мощность гумусового горизонта почв (Н_е) в плакорных (равнинных) условиях может быть представлена как

Н_с = V_епt_е + V_кпt_к . (3)

При прочих равных условиях (экспозиция и т. д.) современная мощ­ность гумусового горизонта почв на пахотных склонах с учетом уско­ренной эрозии почв (V_уэ) определится выражением вида

Н_с = (V_еп – V_еэ) t_e + (V_кп – V_уэ)t_к . (4)

Из выражения (1) следует, что с уменьшением скорости почвообра­зования и возраста почв естественная мощность гумусового горизонта будет соответственно уменьшаться. При постоянном значении одного из двух факторов более медленные изменения естественной мощности гуму­сового горизонта почв будут пропорциональны изменениям скорости естественного почвообразования (V_еп = cоnst) или же возраста почв (t_e = const).

Аналогичные изменения естественной мощности гумусового гори­зонта почв будут происходить при наличии сплошного растительного покрова и на склонах. Однако, как следует из выражения (2), они бу­дут подвергнуты соответствующим изменениям под влиянием скорости естественной эрозии почв. При этом следует иметь в виду, что в усло­виях сплошного растительного покрова, повышенной влагоемкости и водопроницаемости почв, наличия плотной дернины и растительной под­стилки условия плоскостного смыва почв на склонах практически от­сутствуют. Наблюдается преимущественно линейный размыв почв в нижней части склона в местах концентрации стока и нарушения расти­тельного покрова (дернины) дикими животными и человеком, что при­водило к образованию промоин и оврагов по совершенно иным (русло­вым) процессам, подчиняющимся другим законам гидравлики и гидро­динамики потоков. Таким образом, можно утверждать, что на склонах, сплошь покрытых естественной растительностью, плоскостной смыв почвы прак­тически отсутствует и, следовательно, скорость естественной эрозии почв практически равна нулю. Это утверждение тем более справедли­во, если иметь в виду самую верхнюю приводораздельную часть склона, о которой речь пойдет ниже.

С началом сельскохозяйственного освоения склоновых земель, как это видно из выражения (3), естественное почвообразование сменяется культурным, точнее, на естественную скорость почвообразования оказы­вает влияние культурный почвообразовательный процесс, характери­зующийся другой скоростью почвообразования. В силу указанных причин скорость культурного почвообразования будет выше естественного. Наглядным доказательством является меньшая мощность гумусо­вого горизонта целинных черноземов Стрелецкой степи по сравнению с аналогичными рядом расположенными черноземами в колхозе «Боль­шевик» и на территории Курской областной сельскохозяйственной опыт­ной станции (Адерихин, Иванов, 1972).

Принимая V_кп > V_еп, из выражения (3) следует, что с увеличением времени сельскохозяйственного использования мощность гумусового го­ризонта почв в равнинных условиях будет больше по отношению к ана­логичным целинным почвам. Последнее имеет важное научное и прак­тическое значение. Зная изменение, мощности гумусового горизонта почв (_∆Н) между целинными и используемыми черноземами, за известный интервал времени (t_к) можно определить скорость культурного почво­образования (V_кп) по формуле (5)

(5)

Например, скорость культурного почвообразования, основанная на из­менении мощности гумусового горизонта почв и их физико-химических свойств, по профилю почвы для чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого Курской с.-х. опытной станции, по нашим экспериментальным данным равна ≈5-6 т/га в год.

Скорость естественного почвообразования может быть определена отношением мощности гумусового горизонта целинных (естественных) черноземов (Н_е) к абсолютному возрасту почв (t_е), т. е.

(6)

Видимо, необходимо условиться о целесообразности совершенно четкого разграничения двух принципиально различных понятий, которыми являются скорости естественного и культурного поч­вообразования. Часто, когда говорят о скорости почвообразования, трудно понять, о какой скорости идет речь – естественной или культур­ной, или же о той и другой одновременно, что едва ли совместимо.

Рассмотрим более внимательно выражение (4), характеризующее изменение современной мощности гумусового горизонта почв на пахот­ных склонах, которое одновременно является и теоретическим обосно­ванием границы динамического равновесия между эрозией почв и ско­ростью культурного почвообразования в самой верхней приводораздельной части склона. Ранее мы уже отмечали, что скорость (интенсив­ность) естественной эрозии на склонах при наличии сплошного расти­тельного покрова стремится к нулю, а в самой верхней его части V_еэ = 0. Поэтому применительно к верхней части склона выражение (4) можно записать таким образом:

H_c =V_eп t_e +(V_кп –V_уэ)t_k . (7)

Если левое слагаемое (V_eп t_e) представляет естественную (первоздан­ную) мощность гумусового горизонта почв на склонах до начала их ин­тенсивного сельскохозяйственного освоения, то второе (правое) слагае­мое представляет разность между скоростью культурного почвообразо­вания, которая для данной почвы и соответствующих одинаковых усло­вий является величиной постоянной (V_кп =const), и интенсивностью уско­ренной эрозии почв (V_уэ), которая является переменной величиной. При этом интенсивность эрозии почв будет возрастать пропорционально энергии стекающей массы талых вод с увеличением длины и крутизны линии стока (Рожков, Иванов, 1973) от нуля до какой-то определенной величины. Фактиче­ски же дело обстоит сложнее.

Начальный процесс формирования поверхностного стока талых вод и смыва почв со склонов можно представить в виде нескольких стадий. На выровненных пахотных зем­лях с небольшими блюдцеобразными микропонижениями (водо­раздельное плато) сток талых вод и смыв почвы практически отсут­ствуют. Но так как процесс эрозии почв разви­вается постепенно и последовательно в пространстве и во времени, то каждая из этих стадий характеризуется территориальной зоной, внут­ри которой будут происходить соответствующие изменения.

Первая стадия процесса эрозии почв характеризуется на­чалом формирования поверхностного стока талых вод и устойчивого ми­нимального смыва почв. Началом формирования поверхностного стока является наличие даже незначительного одностороннего уклона в сто­рону основного падения склона. Конечной фазой процесса является со­стояние, когда энергия движущейся воды по склону достигнет критиче­ских значений, превышающих способность почвы противостоять разру­шающему действию стекающей воды. Для первой стадии характерно от­сутствие или же наличие минимального смыва почв. Ее можно характе­ризовать также зоной отсутствия эрозии. Если для условий ливневой эрозии выделение такой зоны, исходя из практических соображений, не­целесообразно (Швебс, 1981), то для условий стока талых вод при наличии снеж­ного покрова, выполняющего также определенную почвозащитную функ­цию, выделение такой зоны необходимо. Нижнюю границу зоны отсут­ствия эрозии можно определить по критическим скоростям потоков в микроручейковой сети или же по мутности стекающей воды, что и опре­деляет устойчивость данной почвы к водной эрозии. Этим как раз и объясняется наличие на приводораздельных склонах несмытых почв.

Вторая стадия процесса эрозии почв характеризуется ее компенсаци­ей скоростью культурного почвообразования. Ее можно охарактеризо­вать зоной компенсируемой эрозии. Нижняя граница ее может быть определена по изменению мощности гумусового горизонта почв на склонах, по интенсивности смыва почв или же по длине линии стока при соответствующих значениях крутизны и превышения в верхней приводораздельной части склона. При этом следует иметь в виду, что в среднем для компенсируемой зоны скорость почвообразования в 2 раза выше скорости эрозии почв; последняя равна ≈2 т/га в год.

Третья стадия процесса эрозии почв характеризуется некомпенси­руемыми потерями и представляет собой зону некомпенсируемой эро­зии почв. Ее нижними границами являются гидрографическая сеть и различного рода искусственные или естественные преграды. Ее целесо­образно классифицировать более подробно в соответствии со шкалой интенсивности смыва почв: до 5; 5-12; 12-20; и более 20 т/га (Иванов и др., 1983).

Мы подробно рассмотрели три стадии процесса эрозии не только для углубленного понимания сущности самого процесса, но и для того, что­бы получить более отчетливое представление о зоне компенсируемой (возобновляемой) эрозии. Из уравнения (7) следует, что современная мощность гумусового горизонта почв на пахотных склонах внутри са­мой зоны будет практически равна естественной мощности при условии, если V_кп>V_уэ. Можно записать, что при V_кп>V_уэ → Н_с>Н_е.

В случае, если скорость культурного почвообразования будет меньше интенсивности ускоренной эрозии, то современная мощность гумусового горизонта почв будет меньше естественной (исходной), т. е. При V_кп<V_уэ → Н_с<Н_е. И, наконец, при V_кп=V_уэ → Н_с=Н_е.

Последнее выражение представляет состояние динамического равно­весия между ускоренной эрозией почв и скоростью культурного почво­образования в верхней части пахотных склонов, имеющее, по нашему мнению, важное научное и практическое значение, что и послужило основой выполнения специальных исследований.

3.2. Экспериментальное обоснование

Методика проведения полевых исследований заключалась в выборе приводораздельных склонов прямой формы с отсутствием микролож­бин и потяжин. С помощью нивелира на каждом склоне фиксировался продольный профиль и определялась верхняя точка, характеризующая начало падения склона при незначительном (минимальном) его укло­не. В этой точке закладывался почвенный разрез. Для контроля поч­венный разрез закладывался и на водораздельном плато в месте пер­вой стоянки нивелира. При одинаковой мощности гумусового горизонта почв (А₁+В₁) она принималась в качестве контрольной. Затем нивелир устанавливался в исходную точку, от которой в избранном створе через определенные расстояния закладывались почвенные разрезы, определя­лись мощность гумусового горизонта, расстояния и превышения. В сред­нем на каждом профиле было заложено от пяти до восьми разрезов. Граница равновесия между эрозией почв и скоростью почвообразования определялась между двумя соседними разрезами, в одном (нижнем) из которых было зафиксировано начало уменьшения мощности гумусового горизонта.

Методика определения границы динамического равновесия между скоростью почвообразования и интенсивностью смы­ва почв имеет положительные и отрицательные стороны. К числу наи­более серьезных недостатков следует отнести определение мощности гумусового горизонта, что обусловлено в ряде случаев постепенностью перехода от горизонта к горизонту. Чтобы в какой-то мере избежать этого, мы определяли мощность горизонтов А₁+В₂, так как чаще всего наи­более ясно выражена граница перехода от В₁ к горизонту В₂.

Табл. 3.1. Данные полевых наблюдений по определению границы распространения изначальной мощности гумусового горизонта черноземных почв на водораздельном плато и приводораздельных склонах (Воронежская обл.)

Его пре­имущество заключается в возможности определения мощности гумусо­вого горизонта с неограниченным числом повторностей, что позволяет в известной мере компенсировать его недостатки. Он хорошо воспроизводим в пространстве и во времени.

В табл. 3.1 приведены материалы полевых исследований, на осно­вании которых можно считать, что граница динамического равновесия между процессами эрозии и почвообразования для выщелоченного чернозема характеризуется такими средними показателями: длина линии стока – 193 м (108-296), крутизна – 0,7^о (0,1-1,5), превышение – 2,4 м (0,7-4,4). Ранее из-за отсутствия необходимого экспериментального мате­риала мы предлагали определить зону возобновляемой эрозии по дли­не линии стока (L_о) в верхней приводораздельной части склона при крутизне <0,75° и превышению<5 м [Иванов, 1982]. При этом имелось в виду, что ни один из приведенных показателей не является определяющим; их влияние на интенсивность эрозии, а следовательно, и на изменение гра­ницы динамического равновесия следует рассматривать в системе взаи­мосвязанных факторов, определяющих интенсивность смыва почв со склонов (Иванов, 1980; 1984).

Этим объясняются и причины широких колебаний каждого из них, что связано с недоучетом ряда факторов: устойчивости почвы к эрозии, обусловленной физическими и химическими свойствами почв, экспозиции, гранулометрического состава, характера снегораспределения, наличием или отсутствием ледяной корки к периоду снеготаяния, глубиной промерзания и влажности пахотного слоя почв и т.д. Существенное влияние на границу равновесия могли оказывать продолжительность и характер использования почв, определяющие различную скорость культурного почвообразования, которая также определяется комплексом взаимоувязанных факторов и не является постоянной величиной. Тем не менее, установленные морфометрические показатели в приводораздельной части склона, определяющие зону компенсируемой эрозии, представляют определенный научный и практический интерес.

Особый интерес заключается в том, что с помощью этих показате­лей представляется возможным определить интенсивность эрозии, ко­торая в известном приближении будет одновременно характеризовать и скорость культурного почвообразовательного процесса. Для расчета ин­тенсивности смыва почв мы воспользовались нашими разработками (Иванов, 1980). Значения параметров формулы и показатели смыва почв приведены в табл. 3.2. Следует сразу же отметить, что используемая нами формула расчета смыва почв применима к условиям стока талых вод. В услови­ях ЦЧО смыв почвы ливневыми водами в верхней приводораздельной части склона с очень малыми уклонами и защищенных большую часть времени растительностью — явление исключительно редкое. Тем не ме­нее мы допускаем возможность небольшого смыва почв ливневыми во­дами, и потому считаем вычисленные показатели смыва несколько зани­женными. С другой стороны, принятая для расчета длина линии стока должна быть уменьшена на незначительную величину длины, соответ­ствующую зоне отсутствия эрозии, что не было сделано из-за отсут­ствия экспериментально обоснованных данных.

В целом можно, видимо, считать, что полученные показатели объек­тивно отражают интенсивность эрозии и скорость культурного почво­образования, особенно, если иметь в виду среднюю величину смыва почв, которая по результатам выполненных расчетов для выщело­ченных черноземов ЦЧО равна 3,7 т/га в год.

Табл. 3.2. Расчетная интенсивность смыва черноземных почв на приводораздельных склонах в экспериментально установленных точках, компенсируемая скоростью почвообразования применительно к конкретным условиям на территории Воронежской обл.

Для сравнения определенный интерес представляет сообщение Е.В.Полуэктова и Е.В.Грызлова [1979]. По раскопкам им удалось определить мощ­ность погребенного гумусового горизонта почв под курганами и совре­менную мощность гумусового горизонта почв, находящихся поблизости в сельскохозяйственном использовании. По изменению мощности гуму­сового горизонта за известный промежуток времени они определили (по формуле 5) скорость культурного почвообразования северопри­азовских тяжелосуглинистых черноземов на водораздельном плато, рав­ную 3,5 т/га в год. Как видим, эти величины близки между собой. Вероятно, нет оснований считать подобное совпадение случайным, ко­торое вместе с тем подтверждает объективность полученных ре­зультатов.

Если скорость естественного почвообразования черноземных почв, определенную радиоуглеродным методом (Рубилин, Козырева, 1974), в среднем принять рав­ной 1,8 т/га, то можно сделать вывод о том, что скорость культурного почвообразования примерно в 2 раза выше естественного. Однако нам представляется, что такой вывод нуждается в дальнейшем обос­новании.

Заслуживает обсуждения и такой вопрос – нуждаются ли почвы в зоне компенсируемой (возобновляемой) эрозии в защите от эрозии? Это один из вопросов, который часто подвергается дискуссии. Мы счи­таем, что почвы, расположенные в зоне компенсируемой эрозии, в обя­зательном порядке должны быть защищены от эрозии. Для этого до­статочно вспашки поперек склона в сочетании с приемами снегозадержания и регулирования снеготаяния (Иванов, 1982). При контурно-мелиоративной организации территории вопрос защиты почв от эрозии в зоне ее ком­пенсации скоростью почвообразования решается, по существу, автома­тически, без существенных затрат труда и средств. Вместе с тем это позволит существенно снизить сток воды и смыв почвы на значительных площадях и таким образом ослабить интенсивность эрозии на нижеле­жащих частях склона. При этом граница динамического равновесия между эрозией почв и скоростью почвообразования будет на соответствующий порядок отодвинута вниз по склону. Следует придерживаться той точки зрения, что успех защиты почв от водной эрозии гарантирован только в том случае, если будет осуще­ствляться комплекс запроектированных мероприятий на всей водосбор­ной площади и в первую очередь в ее приводораздельной части.

Видимо, существует также настоятельная необходимость более чет­кого выделения границы динамического равновесия между эрозией почви скоростью почвообразования на почвенно-эрозионных картах. Для этого в «Инструкцию по крупномасштабному почвенному обследова­нию» должны быть внесены соответствующие дополнения. По смеще­нию границы динамического равновесия во времени при повторных почвенных обследованиях можно судить об эффективности почвозащит­ных мероприятий в верхней приводораздельной части склона и вносить соответствующие коррективы.

В настоящем разделе рассмотрена лишь часть вопросов, многие из которых нуждаются в дальнейшем уточнении и обосновании. Край­не важно знать хотя бы усредненные показатели динамического равно­весия между эрозией и скоростью почвообразования применительно к основным типам и подтипам почв, для чего следует расширить и углу­бить исследования в этом направлении. Изложенные теоретические и методические соображения по обоснованию границы динамического равновесия между эрозией и скоростью почвообразования на пахотных склонах окажут несомненную помощь в дальнейшем исследовании это­го важного вопроса.

Литература

1. Адерихин П.Г., Иванов В.Д. Изменение содержания общего и водорастворимого гумуса в профиле мощных черноземов под влиянием их использования. – В кн.: Почвы европейской части СССР и пути их рационального использования. – Воронеж, 1972, с. 9-14.

2. Заславский М.Н. Эрозия почв. – М.: Мысль, 1979. – 245 с.

3. Иванов В.Д. Метод расчета интенсивности поверхностного смыва с пахотных склонов ЦЧО. — Геоморфология, 1980, № 4, с. 61-66.

4. Иванов В.Д. Прогнозирование весеннего смыва почв с пахотных склонов. – Докл. ВАСХНИЛ, 1982, № 1, с. 40-42.

5. Иванов В.Д. Проектирование противоэрозионных мероприятий на пахотных скло­нах ЦЧО при внутрихозяйственном землеустройстве // Науч. Тр. Воронежск. СХИ, 1982, т. 117, с. 74-82.

6. Иванов В.Д. Обоснование границы динамического равновесия между эрозией почв и скоростью почвообразования на пахотных склонах ЦЧО // Почвоведение. – 1984. - № 1. – С. 85-91.

7. Иванов В.Д., Лопырев М.И. Об установлении категорий эрозионноопасных зе­мель по интенсивности смыва почв талыми водами. – Почвоведение, 1979, № 4, с. 78-82.

8. Полуэктов Е.В., Грызлов Е.В. Критерий оценки эффективности почвозащитных приемов. - Земледелие, 1979, № 11, с. 30-31.

9. Рожков А.Г., Иванов В.Д. К оценке энергии массы воды, движущейся по скло­ну. – Науч.-техн. бюл. по проблеме «Защита почв от эрозии». Вып. 1. Курск, 1973, С. 24-27.

10. Рубилин Е.В., Козырева М.Г.О возрасте русского чернозема. – Почвоведение, 1974, № 7, С. 16-25.

11. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. – Киев-Одесса: Высшая школа, 1981. – 222 с.