Картографирование почвенного покрова по интенсивности смыва почв и потерям биогенных элементов от эрозии.

Картографирование почвенного покрова и картограмма степени его эрозионной опасности являются составной частью характеристики почв землепользования или конкретного земельного участка. Оно необходимо для характеристики почвенного покрова, определения потерь биогенных элементов от эрозии и для разработки системы мероприятий по защите почв от эрозии. Картографирование является пространственно-территориальной основой в проектировании и внедрении комплекса мероприятий, обеспечивающих защиту почв от эрозии, сохранение и повышение их плодородия. Сущест­вующие методы картографирования эрозионноопасных почв, основанные на использовании картограммы крутизны склонов или на учете степени смытости почв по материалам почвенного картографирования не обеспечивают объективного учета совокупного влияния комплекса природных и антропогенных факторов эрозии, определяющих интенсивность (скорость) современной эрозии. Смытость почв, определяемая по изменению (уменьшению) мощности гумусового горизонта относительно их несмытых аналогов, весьма схематична и по существу всегда проблематично отражает интен­сивность проявления современных эрозионных процессов [27]. Изменение мощности гумусового горизонта почв часто определяется различным гранулометрическим составом почвообразующих и подстилающих пород, особенностями генетических горизонтов почвы, режимом ее использования в прошлом и настоящем, фактором времени, которые напрямую не связаны с процессами эрозии в ее современном понимании.

Картографирование эрозионноопасных почв должно ба­зироваться на закономерностях проявления современных эрозионных процессов в объективном количественном учете региональных и местных особен­ностей факторов эрозии: гидрометеорологического, геоморфологического, почвенного, растительного и антропогенного через нормативный (среднемноголетний) показатель интенсивности смыва почв со склонов. Обоснование метода расчета смы­ва почв талыми водами в достаточно полной мере опубликовано в печати [1,4,5,7,9,17,31]. Физическая сущность расчета смыва почв проста и остается без существенных изменений по настоящее время. Величина смыва за период весеннего снеготаяния (М_н) определяется произведением показателей эродируемости почв (Q) на работу массы сточной воды (А) с введением ряда поправочных коэффициентов (К), т.е.

В формуле расчета смыва почв при определении работы сточной воды использованы показатели средневзвешенных длины (0,5L) и крутизны элементар­ного склона как их произведение или, что то же самое, показатели средневзвешен­ного превышения (Δh) по линиям стока [5,6,11]. Если в формулу вместо интенсивности смыва почв последовательно подставить значения смыва почв в соответствии со шкалой категорий эрозионноопасных почв, а превышения принять за искомую величину, то нижние границы смыва почв определятся соответствующими значениями превышений. Зная масштаб картографической основы и сечение горизонталями, легко и удобно опре­делять нижние границы категорий эрозионноопасных почв по их числу от границы равновесия между эрозией и скоростью почвообразования. Такова сущность картографирования эрозионноопасных почв и отобра­жения их в виде соответствующих картограмм на планово-картографичес­кой основе [18].

9.2.Общие положения

На большей части пахотных почв весной формируется 80-50% годового стока. Поэтому при обосновании почвоводоохранных мероприятий решающее значение имеют расчеты стока талых вод и смыва почв.

Настоящее сообщение ставит своей целью учесть законо­мерности формирования стока талых вод и механизм вод­ной эрозии, чтобы на этой основе можно было бы выполнить картографирование почвенного покрова по степени его эрозионной опасности. В связи с этим важно иметь четкое представление о конкретной величине смыва почв с каждого конкретного участка склона в пределах элементарных водосборных площадей. По двум показателям – величине поверхностного стока воды и интенсивности смыва можно решать практические вопросы регулирования водного режима и борьбы с эрозией почв применительно к конкретным условиям земле­пользования, а внутри его – к данному полю и рабочему участку.

Территориальной единицей при расчетах талого стока и смыва почв является элементарный водосбор второго порядка (одно­родный склон). При этом однородность трактуется как сходство (близость) всех входящих в объект результатов наблюдений, где варьирование различных показателей несущественно.

Для составления картограммы интенсивности смыва почв для конкретного землепользования необходимы:

Планово-картографическая основа. Картографирование эрози­онноопасных пахотных земель выполняют на крупномасштабной картографической основе масштаба 1:10000 с сечением горизонталей через 1 или 2,5 м.

Карта поверхностного стока талых вод.

Почвенная карта с пояснительной запиской к ней и де­тальной экспликацией того же масштаба, что и планово-картографи­ческая основа.

Проекты внутрихозяйственного устройства территории, гидромелиоративных, лесо- и лугомелиоратиных мероприятий.

Курвиметр, линейка, измерительный циркуль, микрокалькулятор, мягкий карандаш, стиральная резинка.

9.3. Последовательность выполнения работы

Определение категорий эрозионно-опасных почв выполняют на крупномасштабной (1:5000 или 1:10000) планово-картографической основе с сечением рельефа через 1 или 2,5 м с отображением границ угодий, полей и рабочих участков севооборотов, существующих и проектиру­емых лесополос, гидротехнических сооружений, дорожной сети и т.д. Территориальной единицей определения категорий и картографирования эрозионноопасных земель по интенсивности смыва почв являются элементар­ные водосборные площади, представленные отдельными частями склонов, позволяющих наиболее полно учесть особенности и специфику проявления эрозионных процессов внутри конкретной части водосборной площади.

Ра­боту начинают с выделения на топографической основе землепользования границ водосборных бассейнов – малых рек, ручьев, балки, оврага, ложбины. Затем приступают к выделению на топографической основе водораздельных пространств, нижними границами которых является величина смыва почв, компенсируемая скоростью процессов почвообразования [14]. Таким образом, в верхней приводораздельной части склона (водосбора) выделяют (если она есть) зону формирования поверхностного стока воды и устойчивого смыва почв, уравновешенного по границе скоростью культур­ного почвообразования. От верхней водораздельной точки она ограничивается превышениями по линиям стока до 5 м при крутизне верхней части скло­на <0,75^о. Это означает, что на картографической основе 10000 масштаба расстояния между горизонталями не должны быть менее 19 мм [14,18,22].

9.4. Оценка весеннего поверхностного стока с пашни

Расчет стока ( , мм) в конкретных почвенно-климатических условиях следует проводить по выражению

(1)

где (1) h_k – сток талых вод с зяби (рис. 1) или уплотненной пашни (рис. 2); S – поправка на тип почвы и её гранулометрический состав, устанавливается по приложению 1; λ_с – коэффициент, характеризующий влияние на сток степени смытости почв: несмытые и слабосмытые - 0,94; слабо- и среднесмытые - 1,00; средне- и сильносмытые - 1,10 [5]; K_э – коэффициент, учитывающий воздействие на талый сток экспо­зиции склона: северная – 1,25, южная – 0,75, северо-западная и северо-восточная – 1,12, юго-западная и юго-восточная – 0,88, западная и восточная – 1,00 [2]; Р_о – ордината кривой обеспеченности для перехода от среднемноголетнего весеннего стока, снятого с карт (см. рис. 1 и 2) к стоку 10% обеспеченности с зяби или уплотненной пашни. Значения параметра Р_о определяются по приложению 2. Под обеспеченностью стока и смыва понимается повторяемость его на протяжении определенного времени в процентах от рассматриваемого числа лет. Так, 10%-ная обеспеченность означает, что слой стока может наблюдаться 10 раз в 100 лет или 1 раз в 10 лет. Примеры определения стока воды и смыва почв различной обеспеченности приводятся в «Методических рекомендациях» [14]. Средняя ошибка расчета стока талах вод составляет для зяби ±8-12%, а для уплотненной пашни - ±7-10%.

Объем стока рассчитывают по формуле

(2)

где W_н – объем стока, м³; 10 – коэффициент размерности, - слой стока за период весеннего половодья 10% обеспеченности, определяется по формуле (1); F – площадь элементарного водосбора, га.

Пример расчета. Требуется определить сток талых вод с зяби 10% обеспеченности для чернозема типичного средне- и тяжелосуглинистого слабо- и среднесмытого в 20 км южнее г. Кур­ска на элементарном водосборе (площадью 200 га) северо-западной и северо-восточной экспозиций.

Расчет проводим по формуле (I). Для зяби среднемноголетний слой стока за весну h_k = 37 мм (рис. 1а). Значения по­правок на тип почвы и степень её смытости соответственно равны: S = 0,98 (прилож. 1, лесостепная зона) и l_с = 1,0. Параметр, учитывающий роль экспозиции равен K_э = 1,12. Ордината Р_о =2,24 (прилож. 2). Следовательно, сток талых вод равен = 37 · 0,98 · 1,0 · 1,12 · 2,24 = 91 мм, а объем стока с водосбора площадью 200 га составит:

W_н = 10 · 91 · 200 = 182000 м³.

Рис. 1. Среднемноголетний сток талых вод с зяби (мм) в ЦЧЗ.

При применении противоэрозионных мероприятий, неза­регулированный сток на пашне (∆ Н_р) определяется по выражению

∆ Н_р = · К_с , (3)

где - сток талых вод 10% обеспеченности, который нахо­дится по формуле (I); Кс – коэффициент стокорегулирующей эффективности противоэрозионных приемов той же обеспеченности.

Рис. 2. Среднемноголетний сток талых вод с уплотненной пашни (мм) в ЦЧЗ

9.5. Картографирование эрозионноопасных пахотных почв

Нижняя граница категорий эрозионно-опасных пахотных почв определяется расчетным методом, сводящимся к установле­нию изогипсометрических точек, в которых величина смыва почв на зяби не превышает нижних значений региональной шкалы соответствующих категорий пахотных почв: I – зона формирования поверхностного стока и смыва почв, компенсируемых скоростью культурного почвообразования, II – смыв почвы до 5 т/га, III – смыв почвы 5-12 т/га, IV – смывпочвы 12-20 т/га, V – смывпочвы больше 20 т/га.

Расчет нижней границы безвозвратных потерь почвы в соответствии со шкалой категорий пахотныхпочв ведется с использованием формулы [10, 11]:

, (4)

или , (5)

где М_н – интенсивность весеннего смыва почв талыми водами на зяби с элементарных водосборов, т/га; Q – показатель эродируемости почв, г/дж; - масса поверхностного стока талых вод с I га, кг/га; g – ускорение силы тяжести, 9,8 м/с²; 0,5 – величина, учитывающая средний путь движения талых вод по скло­ну при условии равномерного распределения снежного покрова; L – средневзвешенная длина линии стока на элементарном во­досборе,м; a - средневзвешенная крутизна на элементарном водосборе, град.; К – относительные поправочные коэффициенты, учитывающие влияние формы склона (к_фс), экспозиции склона (К_эс), гранулометрического состава (К_гс), солонцеватости и карбонатности почв (К_ск), смытости почв (К_эп), защищенности почв от эрозии (К_зп). Р = (0,01 МС + 10 К + К_ск) – (Г – R₂О₃) – относительный комплексный показатель противоэрозионной стойкости почв, где М – содержание микроагрегатов размером >0,01 мм, %; С – степень насыщенности почв основаниями, %; К – относительный гранулометрический показатель структурности почв по Вадюниной как отношение суммарного содержания ила и мелкой пыли к количеству средней и крупной пыли; К_ск – суммарное содержание диспергирующих солей и свободных карбонатов, % с соответствующими коэффи­циентами при них (К); Г – содержание общего гумуса, %; R₂O₃ – суммарное содержание полутораоксидов в пахотном слое почв в %.

Расчеты начинают с выделения на плане землепользования границы элементарных водосборов, площади которых не должны превышать 300-500 га. В определении границы и площади водосбора пахотных земель руководствуются условиям их однородности по длине, крутизне, форме и экспозиций склонов, почвенному покрову, степени расчленения территории и существующей защищенности почв от эрозии. Граница водосборов, как правило, совпадает с тальвегами овражно-балочно-ложбинной сети. Отдельные водосборы могут иметь площадь 5-10 га. Следует учитывать, что с уменьшением площади водосбора возрастают его однородность и точность расчетов.

Почвы I категории выделяют в верхней приводораздельной части склона. Это зона формирования талого стока и устойчивого смыва почв, уравновешенного на границе скоростью культурного почвообразования. От верхней водораздельной точки она ограничивается высотой падения склона до 5 м при крутизне склонов <0,75°. На плане М 1:10000 граница определяется при расстоянии между горизонталями более 19мм, а на картосхеме М I:25000 она будет на первой линии горизонтали. В местах с силь­ной поперечной выпуклостью и на продольных гребнях склона в резуль­тате рассеивания стока и ослабления эрозии граница может ограничиваться превышением до 7,5 и реже до 10 м при крутизне <0,75°. Нижняя от водораздела граница этой зоны (I категория) является точкой отсчета безвозвратных потерь почвы с нижележащей части склона.

Расчет нижней границы II, III и IV категорий пахот­ных почв производят по таблице приложения 4, составленной на основе формулы (4) с учетом п. 1. Ниже приведены значения основных факторов эрозии по графам 2-16 приложения 4:

№ - номер участка.

0,05 – постоянный множитель, учитывающий размерность и соответствующие преобразования в формуле (4).

Q – удельный смыв почвы на зяби, г/Дж: дерново-сильноподзолистые почвы – 0,03, среднеподзолистые – 0,10, слабоподзолистые – 0,18; светло-серые лесные – 0,26, серые лесные – 0,35, темно-серые лесные – 0,46;черноземы оподзоленные – 0,54, выщелоченные – 0,63, типичные – 0,86, обыкновенные – 1,03, южные – 1,19.

- слой стока талых вод для данного хозяйства в мм, устанавливается по формуле (I).

К_фс – коэффициент, учитывающий влияние продольного профиля склона в зависимости от степени его выпуклости или вогнутости (С_в). Определяют по формулам и зависимостям соответствующего раздела данного пособия.

K_эс – коэффициент экспозиции скло­на: С – 0,8; Ю – 1,2; В – 0,95; 3 – 1,05; СB – 0,68; ЮВ – 1,08; ЮЗ– 1,12; СЗ – 0,92.

К_зп – коэффициент, учитывающий эродированность (смытость) почв: несмытые – 0,85; слабосмытые – 1,0; среднесмытые – 1,25; сильносмытые – 1,51.

К_гс – коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава почв:

К_ск – коэффициент, учитывающий солонцеватость и карбонатность почв. Степень засоления: слабая – 1,12; средняя – 1,24; сильная – 1,36; карбонатные почвы – 1,25.

К_зп – коэффициент, учитывающий защищенность почв, кото­рый равен на зяби 1,0, на стерне – 0,63, на озимых – 0,45, на многолетних травах – 0,1. При наличии лесных полос, расположенных поперек склонаили под углом К_зп = 0,7. Ширина зоны защиты – 400м, длина соответствует длине защищаемой зоны. Коэффициент 0,7 действует только на защищенную зону (площадь): вверх от лесной полосы – 100 м и вниз – 300 м.

Р – величина, характеризующая количество смытой почвы, приходящееся на I м высоты падения по линии стока, то же, что и цена деления единицы превышения, ; определяют путем перемножения граф 2-11.

С = Н/Dh – величина, характеризующая соотношение между средним превышением профиля склона (Н) и средневзвешен­ным превышением по линиям стока (Dh). В целях упрощения расчетов можно брать соотношение по количеству горизонталей.

Е = С/Р – переходная величина к определению категорий по числу горизонталей.

14-16 – количество горизонталей от границы I ка­тегории, определяющих нижние границы пахотных земель II (2Е), III (4,8Е) и IV (8Е)категорий, соответственно равных величинам потерь почвы на зяби5, 12, 20 и более 20 т/га в год на почвах V категории.

В расчетах категорий особое внимание уделяют точ­ности определения средневзвешенного превышения по линиям стока и смыва. При этом водотоки крупных ложбин рассматривают как транспортные артерии и по ним расчетные превышения не определяют. Учитываются лишь превышения с элементарных склонов, обращен­ных в сторону этих водотоков. Исключение составляют гофрирован­ные склоны, где средневзвешенное превышение по линиям стока отождествляют со средневзвешенным превышением склона, в связи с этим величина смыва на них будет примерно в 3 раза выше.Крометого, на гофрированных склонах учитывают влияние поперечного профиля склона, определяющего рассеивание поверхностного стока. Коэффициент рассеивания К_рс = L_г / L_шс, где L_г - длина горизонтали, м; L_шс – ширина типичной части склона (м) на уровне одина­ковых отметок. Полученную величину смыва делят на значение это­го коэффициента. Гофрированные склоны следует выделять в особо эрозионноопасную категорию почв, нуждающуюся в первоочередной противоэрозионной мелиорации. Значения показателей смыва почв на них превышают установленные величины смыва по шкале.

Границы категорий по элементарным водосборам соединяют между собой плавнойлинией с учетом рельефа. Линии границ категорий закрепляют синей тушью, а выделенные площади окраши­вают принятыми цветами. В установленном порядке производятся вы­числения площадей по категориям.

На картограмме категорий пахотных почв составля­ется экспликация в соответствии с приложением 5, где указываются индексы и цвета категорий, площади, их удельный вес от общей площади пашни, а также сред­няя величина смыва почв с каждой категории для определения суммарного смыва почвы в хозяйстве.

Картограмму категорий пахотных почв используют при организации типов и видов севооборотов, полей и рабочих уча­стков, для расчета фактического смыва почв в хозяйстве с учетом структуры посевных площадей и почвозащитной эффективности растительности (приложение 6), а также в проектировании противоэрозионных мероприятий. Ниже приводим приложения, с помощью которых можно будет проводить соответствующие работы.

Приложение 1. Поправочные коэффициенты (S) к картам весеннего

поверхностного стока с пашни для различных почв [5]:

дерново-подзолистые средне- и тяжелосуглинистые – 1,10; дерновоподзолистые легкосуглинистые и серые лесные оподзоленные суглинистые – 1,05; дерново-подзолистые супесчаные и песчаные – 0,82; черноземы обыкновенные глинистые, тяжело- среднесуглинистые – 0,99; чернозем типичный и выщелоченный средне- и тяжелосуглинистый – 0,98; чернозем типичный и выщелоченный легкосуглинистый – 0,87; серые и светло-серые лесные легко-, средне- и тяжелосуглинистые – 1,08; темно-серые лесные среднесуглинистые; чернозем выщелоченный суглинистый – 1,06; чернозем обыкновенный средне- и тяжелосуглинистый – 0,96; чернозем южный легкоглинистый – 1,08; Чернозем южный суглинистый и супесчаный – 0,93; чернозем мощный суглинистый – 0,98; светло-каштановые легко- и среднесуглинистые – 0,89; светло-каштановые легкосуглинистые, супесчаные и песчаные – 0,80.

Приложение 2. Ординаты кривой обеспеченности (Р_о) для перехода от среднемноголетнего весеннего стока к стоку 10% обеспеченности на пашне в ЦЧР

Литература

1.Иванов В.Д. Оценка интенсивности смыва почв со склонов за период прохождения стока талых вод // Науч.-техн. бюл. по проблеме «Защита почв от эрозии», вып. 4. Курск, 1977. С. 19-24.

2.Иванов В.Д. Оценка влияния экспозиции склона на сток талых вод и смыв почвы // Почвоведение, 1979. № 10. С. 78-82.

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

4.Иванов В.Д. Сток воды и смыв почвы в зависимости от высоты падения склона // Почвоведение, I980. № 12. С. 112-117.

5. Иванов В.Д. Расчётный метод определения размера смыва почвы на обрабатываемых склонах // Земледелие. 1981. № 5. С. 30-31.

6. Иванов В.Д. Влияние влажности пахотного слоя почв и глубины их промерзания на поверхностный сток талых вод со склонов // Почвоведение. 1982. № 6. С. 80-86.

7. Иванов В.Д. Прогнозирование весеннего смыва почв с пахотных склонов // Доклады ВАСХНИЛ. 1982. № 1. С. 40-42.

8. Иванов В.Д. Стокорегулирующая и почвозащитная эффективность растительности // Вестник с.-х. науки. 1983. № 7. С. 101-106.

9. Иванов В.Д. Влияние крутизны и длины склонов на смыв почвы // Почвоведение. 1983. № 5. С. 115-123.

10. Иванов В.Д. Эрозия на пахотных склонах Воронежской области и очередность противоэрозионной мелиорации // Геоморфология. 1983. № 2. С. 35-38.

11. Иванов В.Д. Смыв почвы с пахотных склонов по геоморфологическим районам Центрально-Черноземных областей // Геоморфоло­гия. 1983. № 4. С. 80-83.

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

13. Иванов В.Д. Элементарные формы продольных профилей склонов и от­носительная интенсивность поверхностного смыва // География и природные ресурсы. 1984. № 2. С. 141-147.

14. Иванов В.Д. Теоретическое и экспериментальное обоснование показа­телей противоэрозионной стойкости и эродируемости почв // Почво­ведение. 1985. № 2. С. 114-121.

15. Иванов В.Д. Прогнозирование водной эрозии // Почвоведение. 1985. № 2. С. 87-97.

16. Иванов В.Д. Методические указания по определению категорий и кар­тированию эрозионноопасных земель по интенсивности смыва почв талыми водами. – Воронеж: ВСХИ, 1986. – 27 с.

17. Иванов В.Д. Водная эрозия и система почвоводоохранных мероприятий / Лекция. – Воронеж: ВСХИ, 1988. – 42 с.

18. Иванов В.Д., Герасименко В.П. Опыт по регулированию водного режима и борьбе с эрозией почв на пашне. – Воронеж: ВГАУ, 1994. – 40 с.

19. Иванов В.Д., Данилов Ю.А. Почвенно-эрозионная характеристика ложбин на пахотных склонах Центрального Черноземья // Почвове­дение. 1984. № 7. С. 104-113.

20. Иванов В.Д., Косцов Г.В. Оценка устойчивости почв к водной эрозии на основе их физических и химических свойств // Доклады ВАСХНИЛ. 1983. № 12. С. 5-6.

21. Иванов В.Д., Кузнецова Е.В., Попов В.Г. Эрозионная опасность как сопряженная функция интенсивности дождя и водопроницаемости почв // Почвоведение. – 1990. - № 8. – С. 106-117.

22. Иванов В.Д., Кузнецова Е.В. Почвенно-экологическая характеристика Центрального Черноземья // Вестник Воронежского госагроуниверситета, № 2. –Воронеж: Изд-во ВГАУ,1999. – С. 194-208.

23. Иванов В.Д., Лопырев М.И. Об установлении категорий эрозионноопас­ных земель по интенсивности смыва почв талыми водами // Почвове­дение. 1979. № 4. С. 81-91.

24. Иванов В.Д., Рязанцев В.К., Семенов О.П. Склоновый сток талых вод в ЦЧО и его трансформация под влиянием природных и антропогенных факторов // Почвоведение. 1986. № 4. С. 45-51.

25. Иванов В.Д., Чечин Д.И., Михайлова Н.Ф., Дощечкина Г.В. Рациональ­ное использование овражно-балочных земель Центрального Черноземья // Вестник с.-х. науки. 1985. № 8. С. 50-56.

26. Кузнецова Е.В. Потери биогенных элементов от эрозии почв в условиях Воронежской области //Автореф. канд. дис. –Воронеж: ВГАУ, 1998. – 25 с.