Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Работами многих исследователей установлено, что антропогенное влияние на природные геосистемы приводит к изменению условий их функционирования и зависит от видов и интенсивности воздействия: влияние мелиорации, вырубок леса, распашки земель, создание прудов, водохранилищ и др. Одним из древнейших видов преобразования геосистем является агрогенный морфолитогенез: на сельскохозяйственных землях – агроландшафтах проявляется комплекс природно-антропогенных процессов – эрозия почв (водная и ветровая), переотложение рыхлых наносов, овражно-балочная эрозия, суффозия, оплывины, засоление. Анализ данных государственного мониторинга земель и других систем наблюдений последних лет за состоянием окружающей среды Российской Федерации показывает, что водной эрозии подвержено 17,8%, ветровой – 8,4% сельхозугодий, переувлажненные и заболоченные земли занимают 12,3%, засоленные и солонцеватые – 20,1% [1].

Названные негативные процессы развиты и в агроландшафтах подтайги Западно-Сибирской равнины, в том числе и на территории Томской области, где площадь пашни составляет 646,3 тыс. га [2]. В агропроизводство вовлечены в основном серые лесные оподзоленные почвы и их подтипы (около 74% площади пашни). Результаты обследований почв в конце XX века показали, что общее содержание гумуса в пахотном слое почв пашни Томской области уменьшилось на 4–12%, а ежегодные потери гумуса составляют 0,15–1,5 т/га [3]. Это в немалой степени обусловлено проявлением водно-эрозионных процессов, которым подвержено около 350 тыс. га пахотных земель. Долговременных наблюдений за водной и ветровой эрозией почв на исследуемой территории до 90-х годов XX века не проводилось. С 1989 г. изучением названных процессов в агроландшафтах юго-востока Томской области начали заниматься сотрудники Томского государственного университета.

Цель исследования – оценка интенсивности развития водной и ветровой эрозии почв в агроландшафтах Томской области по данным многолетних полевых наблюдений.

Материалы и методы исследования

Основой для данной работы послужили маршрутные обследования и полустационарные наблюдения в агроландшафтах южных районов Томской области в течение 1988–2022 годов (рис. 1). В результате полевых наблюдений установлено, что в пределах исследуемой территории в агроландшафтах развивается водная эрозия почв (при снеготаянии и ливневая) и ветровая. К настоящему времени дана характеристика факторов развития процессов эрозии: изучены процессы залегания снежного покрова, определены запасы воды в снеге и интенсивность снеготаяния; проведены полевые и расчетные методы величины смыва почв со склонов пашни; рассмотрены характеристики ветрового режима исследуемой территории и оценена податливость почв к ветровым нагрузкам, определены масса эолового материала, отлагающегося в толще снега и в пылеуловителях, а также химический и гранулометрический составы отложений и др. [4-6]. Об интенсивности развития эрозии почв при снеготаянии имеются сведения в работах ряда авторов [7; 8]. Интенсивность ветровой и водной (ливневой) эрозии почв в Томской области изучена недостаточно, и литературных данных нет.

Рис. 1. Карта-схема проявления почвенно-эрозионных процессов на территории Томской области (по [9]): 1 – III подзона среднего смыва и среднего размыва, слабой дефляции; 2 – V подзона слабого смыва и слабого размыва; 3 – исследуемый район

Результаты исследования и их обсуждение

Подведены итоги наших 35-летних исследований по определению скорости развития водной и ветровой эрозии почв в агроландшафтах и выявлены годы с опасными темпами проявления названных процессов. Рассмотрим основные результаты наших исследований.

1. Водная эрозия почв при снеготаянии. В пределах исследуемой территории она развивается ежегодно (рис. 2), но с разной степенью интенсивности, что обусловлено рядом причин: запасом воды в снеге, глубиной оттаивания почв, длиной и крутизной, экспозицией склонов, а также состоянием агрофона.

Наиболее интенсивно смыв почв проявляется по боронованной зяби, но в зависимости от микрорельефа склонов пашни он неравномерен даже в пределах одного склона и изменяется от 0,5–5 до 50–80 м3/га, т.е. в такие годы, согласно [10], развивается плоскостной смыв почв от умеренно опасного (2–5 м3/га) до весьма опасного (10–15 м3/га). Полевые наблюдения показали, что смыв почв по микробассейнам склонов пашни по ряду лет значительно превышал названные величины, например он составил 20–30 м3/га в 1991, 2000, 2003, 2004, 2006, 2007, 2009, 2016 годах, а временами (1992, 2010–2012, 2021 гг.) достигал на участках склонов пашни в 3–7° до 45–80 м3/га. В годы с интенсивным развитием процесса у подножия склонов пашни образовывались обширные конусы выноса, толщина делювия в них достигала 10–15 см (рис. 2). По стерне, всходам озимых, многолетних трав, скошенному и неубранному льну смыв почв, как правило, не превышал 0,5–5 м3/га.

Рис. 2. Промоина и делювий конуса выноса после снеготаяния на пашне юго-востока Томской области (фото М.А. Каширо, 01.05.2021 г.)

Необходимо отметить, что смыв почв зависит от состояния агрофона, что убедительно показывает пример двух соседних полей на склонах южной экспозиции, но с разным агрофоном в один и тот же год (табл. 1).

В зависимости от интенсивности развития плоскостного смыва во время снеготаяния содержание гумуса в отложениях делювия конусов выноса у подножия склонов изменялось от 0,3–1,1% до 3,3–5,8%, местами достигало 6,1–8,3%. В гранулометрическом составе делювия преобладали пыль (31,0–60,6%) и мелкий песок (15,4–60,0%).

2. Ливневая эрозия почв. Эрозионные последствия ливней, сток ливневых вод, наносящих большой ущерб почвам, изучаются как в нашей стране, так и за рубежом.

Таблица 1

Интенсивность развития эрозии почв при снеготаянии на склонах южной экспозиции

Единого определения ливня в настоящее время нет, согласно приказу Росгидрометцентра РД 52.88.699-2008, за сильный ливень принимаются дожди с количеством осадков 30 мм за период не более часа, а за очень сильный – дожди с количеством осадков не менее 50 мм за период времени не более 12 часов. В данной работе нами за ливень принимались осадки слоем 10 мм и более за сутки. Кроме того, выделены крупные (20–30 мм/сут.) и выдающиеся (более 30 мм/сут.) ливни. Крупные ливни на исследуемой территории случаются ежегодно, например, по данным ГМС «Томск» за 1960–2017 гг., количество ливней со слоем осадков 20–30 мм и более 50 мм в сутки составило 47 случаев, а со слоем 50 мм и более – 5 [5].

Наиболее сильный смыв и размыв почвы со склонов пашни вызывают ливни со слоем осадков 50 мм и более, даже если агрофон представлен растительностью. Например, 30 июня 1987 г. за 5,5 часов выпало 53,7 мм осадков, а первого июля – 20,6 мм. В результате со склона пашни длиной 300–500 м и крутизной 3–8°, занятого посадками картофеля, было смыто до 40–100 м3/га почвы; на склоне длиной 50–100 м под парами – до 24–26 м3/га. Большой урон пашне нанесли ливни начала июля 2020 г.: 3 июля за два часа выпало 51 мм осадков, а 7 июля – 21 мм. Обследование нами пашни 8 июля 2020 г. показало, что на южном склоне пашни с густыми посевами льна высотой до 60–70 см образовалась серия размывов, наиболее крупный из них достигал в длину 171 м при ширине до 2,7 м и глубине – до 40 см (рис. 3). Размывы у подножия склонов образовали делювиальный шлейф (рис. 4). Толщина делювия достигала 10–15 см. Смыв с поля изменялся от 1–5 до 9–10 м3/га. На соседнем поле, занятом посевами злаковых культур в стадии кущения (рядки располагались поперек склона), смыв составил 2–3 м3/га, толщина делювия в конусах выноса достигала 4–7 см. Отбор проб делювия из разных конусов выноса показал, что содержание гумуса в них изменялось от 2,9 до 5,6%, азота валового – от 0,35 до 0,52%, фосфора валового – от 0,24 до 0,33%. В гранулометрическом составе делювия преобладала пыль (32,1–67,9%) и песок (12,3–42,1%).

Весьма опасны в отношении эрозии почв короткие, но интенсивные ливни. Показателен в этом плане ливень 3 июня 2015 г., когда за одну минуту выпало 3,7 мм осадков, в результате с пашни с разным агрофоном было смыто от 0,75 до 2 м3/га почвы.

Рис. 3. Крупный размыв на пашне после ливня (фото З.Н. Квасниковой, 08.07.2020)

Рис. 4. Делювиальный шлейф у подножия склона пашни после ливня (фото З.Н. Квасниковой, 08.07.2020)

Исследования тенденций климатических характеристик температурно-влажностного режима исследуемого региона показывают, что годовое количество атмосферных осадков за последние 50 лет имеет тенденцию повсеместного роста на величину от 2 мм / 10 лет до 20 мм / 10 лет в разных районах Западной Сибири. Учитывая тот факт, что увеличилась в основном доля ливневых осадков, появляется вероятность затопления территорий, образование новых оврагов, оползней, провалов грунта. Увеличение доли ливневых осадков, вероятно, вызовет и усиление процессов ливневой эрозии в агроландшафтах. Об этом предупреждают и другие исследователи [11].

3. Ветровая эрозия. Анализ ветрового режима ветра за 2006–2021 гг., по данным Авиационной метеорологической станции гражданской (АМСГ) «Томск», расположенной среди сельскохозяйственных угодий, показал, что практически в каждый месяц года наблюдаются ветры со скоростью 20–27 м/с. Ветровая эрозия почв развивается в агроландшафтах также круглый год, но наиболее интенсивно она приводит к миграции вещества на пашне в холодный период года (октябрь – февраль) и весной. Интенсивность развития ветровой эрозии почв определялась нами по массе аккумуляции эоловых частиц в толще снега за время устойчивого залегания снежного покрова (СП), а весной во время снеготаяния – по массе накопления эоловых осадков на поверхности СП за разные отрезки времени между снегопадами. В теплый период года использовался метод пылеуловителей по Reheis M.S. (2003) [12].

Установлено, что в течение зим 1989–2022 гг. во время устойчивого залегания снежного покрова, в среднем длящегося 180 дней, в толще снега на пашне накапливалась значительная масса эолового осадка. Согласно классификации Е.М. Любцовой (1997) [13], эоловая миграция вещества из очагов дефляции на пашне изменялась от слабой (менее 0,5 т/га) до очень сильной (5–10 т/га). Сильная миграция вещества (2–5 т/га) наблюдалась нами в ходе ландшафтно-геоморфологических снегосъемок зимой 2000–2001, 2003–2004, 2004–2005, 2008–2009, 2014–2015 гг.; очень сильная (5–10 т/га) – зимой 2002–2003 и 2011–2012 гг. Интенсивное развитие зимней дефляции почв при примерно однородном режиме ветров наблюдалось в случае, когда агрофон с осени был представлен зябью. Содержание гумуса в эоловых отложениях в толще снега изменялось от 1,4 до 4,2%, присутствуют и другие биогены – Ca2+, Mg2+, P, N. В гранулометрическом составе осадков доминирует пыль – от 47,1 до 98,2%, а также мелкий песок (0,25 до 0,05 мм) – до 25%. Ветровая эрозия активно развивается и весной во время снеготаяния (обычно вторая половина марта – апрель). В это время происходит усиление скоростей ветра – буревая деятельность (ветры со скоростью ≥ 15 м/с) [13]. Но сугробы в агроландшафтах сохраняются длительное время, в ряде лет до первой декады мая. Во время снеготаяния случаются снегопады. В результате имеется возможность наблюдать и определять массу эолового осадка, отложившегося на поверхности СП за разные промежутки времени. Установлено, что во время снеготаяния с поверхности зяби за короткие отрезки времени сносится значительная масса эолового материала и отлагается на поверхности сугробов в виде эоловой ряби. Например, за 7 дней весны 1989 г. – до 0,42 т/га; за 25 дней 1991 – до 3,4 т/га; за 13 дней 2015 г. – до 3,2 т/га и т.д.; т.е. развивается сильная миграция вещества (2–5 т/га). Особенностью развития ветровой эрозии является неравномерность отложения пылевых частиц на поверхности снега: отмечается чередование сильно-, средне- и слабозагрязненных волн. Содержание гумуса в эоловом осадке на поверхности СП вследствие этого варьировало от 1,5 до 5,1%. В гранулометрическом составе эолового наноса также доминирует пыль – до 64,9% и мелкий песок – до 22%. В минералогическом составе осадка доминирует SiO2 – 61,97% и Al2O3 – 10,99%, Fe2O3 – 5,73%, кроме того, присутствуют CaO, Na2O, K2O, P2O5, S и др. Суммируя массу эолового материала, накопившегося за время устойчивого залегания снежного покрова и за отрезки времени при снеготаянии, возможно приблизительно оценить интенсивность развития ветровой эрозии в годы, когда агрофон с осени представлен зябью, стерней, травами (табл. 2).

При достаточно однородном режиме ветра за 1989–2021 гг. активное развитие ветровой эрозии приходится на годы, когда агрофон с осени представлен зябью и происходит сильная и очень сильная миграция вещества – до 5–10 т/га. Наблюдения за аккумуляцией пылеаэрозолей в пылеуловителях в течение 2013–2022 гг., установленных на высоте 2 метра над поверхностью земли, показывает, что характерна неоднородность осаждения пыли в разных урочищах агроландшафта. Меньше всего эолового наноса оседает в пылеуловителях на наветренном склоне пашни (0,7–4,1 г/м2), в сосновой лесополосе – от 2,1 до 179,5 г/м2 (2017 г.); в березовых лесополосах – от 35,5 г/м2 до 270 г/м2 (2018 г.), на кромке кедрового леса – 79,35 г/м2.

В целом интенсивность миграции эолового материала на высоте 2 м над поверхностью земли изменяется от слабой (менее 0,5 т/га) до средней (1–2 т/га), достигая в отдельные годы 2–5 т/га (сильная). Содержание гумуса в отложениях пылеуловителей значительно – от 4,6 до 5,2%, а в отдельных точках достигает 10,5%.

Таблица 2

Примеры интенсивности развития ветровой эрозии почв в годы с разным агрофоном, т/га

Это объясняется тем, что эоловые отложения холодного периода года имеют тесную генетическую связь с почвами исследуемого бассейна. Они содержат гумус – от 1,7 до 4,3%, сумма Ca2+ +Mg2+ в них изменяется от 13,6 до 26,0 мг/экв. на 100 г, N – от 0,08 до 0,62%, P – от 0,18 до 0,56%. Сравнительный анализ содержания питательных для растений веществ показал, что они соответствуют таковым в эоловом наносе и составляют соответственно 2,8–3,8%; 23,2–27,7%; 0,18–0,27%; 0,36%. Почвы плакоров содержат значительное количество гумуса – 5–6% и более [6].

Заключение

В пределах исследуемого региона в агроландшафтах ежегодно развиваются негативные экзогенные процессы – водная и ветровая эрозия почв. В роли фактора, уменьшающего интенсивность проявления названных процессов, выступает растительный покров, представленный различными сельскохозяйственными культурами. Наибольший эффект при этом достигается в случае, когда агрофон с осени представлен стерней злаковых либо всходами клевера с рядками, расположенными поперек склона. Развитие эрозии почв ведет к снижению их плодородия, на склонах в 3 и более градусов происходит уменьшение мощности гумусового горизонта (местами до 15–20 см), происходят изменения естественного процесса самовосстановления почвенных ресурсов, снижается экологическая устойчивость природных экосистем и др. В условиях меняющегося климата отмечается увеличение годового количества осадков, в основном ливневых, что предполагает вероятность усиления ливневой эрозии в агроландшафтах в будущем.