Влияние водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного на развитие водной эрозии

На Южном Урале, в России и во всем мире остро стоит проблема агрогенной деградации почв. Под агрогенной деградацией почв понимается неуклонное снижение запасов органического вещества в биологически активном слое и как следствие ухудшение агрофизических свойств. Проблема эта обостряется в связи с ростом населения, увеличением потребности в сельскохозяйственных продуктах питания и снижением площади пашни в расчете на душу населения. Это обстоятельство требует необходимости рационального использования и охраны сельскохозяйственных угодий и пашни в том числе. По данным М.Н. Заславского (1970), за последнее столетие эрозия и дефляция уничтожили около 2 млрд. га. Это больше, чем сейчас находится в обработке земель. Примерно 1/7 суши в результате эрозии и дефляции уже выбыла из сельскохозяйственного использования, отмечает В.А. Ковда (1974). Он пишет, что «ежегодно в мире теряется примерно до 6-7 млн. га почвы». С одной стороны при существующей средней урожайности сельскохозяйственных культур ежегодно находится в использовании около 30 млн. га, а с другой – человечество теряет ежегодно 6-7 млн. га пашни.

Чтобы удовлетворить растущую потребность населения в продуктах питания, необходимо развивать их производство в двух направлениях: в направлении повышения урожайности возделываемых культур и расширение посевных площадей за счет распашки залежей, вырубки леса и т. п. Приоритетным является первое направление. Непрерывный рост урожайности, необходимо проводить на основе повышения плодородия почв. Защита почв от эрозии является важнейшим направлением роста урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур. Трудно переоценить актуальность этой проблемы с точки зрения охраны и рационального использования земельных ресурсов планеты.

Защита почв от эрозии проблема актуальная для всех стран мира и в том числе для нашей страны. Около 55% территории нашей страны находится в северном полушарии, где земледелие испытывает дефицит тепла, большие горные массивы труднодоступные для развития земледелия. Примерно 1/3 всех сельскохозяйственных угодий нуждается в коренной мелиорации, и только 12% земель находится в степной и лесостепной зоне, наиболее благоприятных для земледелия, но и эти земли периодически подвергаются засухе.

«…Почва, будучи продуктом природы, при правильном использовании может и должна не изнашиваться, не выбывать из строя, как станки и машины».

Защита почв от эрозии – важное звено в проблеме охраны и рационального использования земельных ресурсов. Эрозия не только снижает плодородие почв на склонах и разрушает землю растущими оврагами, но и во многих случаях она активизирует проявление ряда других почворазрушающих процессов: дефляции, оползней, просадок, осыпей обвалов, селей, абразий и др. Отложение наносов подпочвы, особенно при их выносе из устий оврагов, резко снижает плодородие почв в балках. Рост русловых наносов в речной сети в связи с подъемом уровня грунтовых вод нередко приводит к заболачиванию пойменных земель на больших площадях, а при высокой концентрации солей – к засолению. Эрозия – одна из причин наводнений, при которых пойменные земли нередко заносятся мощным слоем аллювия. Дефляция на подветренных склонах влечет утрату плодородия почвы их погребение под менее плодородным слоем почвы, а иногда и подпочвы.

Кроме огромного ущерба, который эрозия почв и дефляция наносят состоянию земельных ресурсов, они отрицательно влияют на водные ресурсы. В результате сильной эрозии и дефляции резко возрастает мутность воды, снижается ее качество. При эрозии вместе со склоновым стоком в пруды, реки, водохранилища смываются вносимые в почву удобрения и другие химические препараты, применяемые в сельском хозяйстве.

На эродированных почвах ухудшаются условия жизни флоры и фауны. Уменьшение содержания ряда химических микро- и макроэлементов может способствовать развитию болезней фитоценозов. Таким образом, защита почв от эрозии и дефляции является главной проблемой охраны окружающей среды.

Целью исследований являлось определение влияния водопроницаемости биологически активного слоя чернозёма выщелоченного на развитие водной эрозии.

Задачи исследований:

1. Определить водопроницаемость целинного и пахотного чернозема выщелоченного на опытном участке и установить её связь со степенью эродированности.

2. Установить зависимость водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного от его структурности.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

На земной поверхности развиты различные процессы денудации (лат. denudatio – обнажение, совокупность процессов разрушения горных пород в пониженные участки, приводящих к выравниванию рельефа), связанные с отделением, переносом и отложением поверхностного слоя почвы и горных пород ледниками, талыми и дождевыми водами, ветром и другими агентами денудации.

Природные процессы денудации протекают очень медленно. Так, например, если со склонов, покрытых девственным лесом, в год с 1 га смывается 5-10 кг почвы, то при такой интенсивности процесса для смыва слоя почвы в 20 см потребуется 200-400 тыс. лет. В то же время ежегодно восстанавливается 1-5 т. почвы на 1 га. В этом случае на формирование 20 – сантиметрового слоя в различных почвенно-климатических зонах потребуется 400-2000 лет. Таким образом, в естественных условиях при хорошем растительном покрове почвы со склонов обычно смываются значительно медленнее, чем формируются.

И.П. Герасимов (1973) высказывал мнение, что постепенное обновление верхнего слоя почвы в результате сноса более выщелоченных поверхностных слоев и приближения к дневной поверхности подстилающих пород - для многих территорий полезный процесс непрерывного обновления почвы. Однако положительный процесс обновления почвы, который протекает в естественных условиях под сомкнутым растительным покровом, приобретает резко негативный характер, когда уничтожается растительный покров и неправильно используется земля. В этом случае создаются условия для чрезвычайно интенсивного проявления природных процессов, что приводит к быстрому и сильному разрушению почвенного покрова.

Под термином «эрозия» понимается разъедание, разрушение почвы вследствие ее смыва поверхностным стоком воды.

По скорости проявления эрозию почв разделяют на нормальную и ускоренную. Нормальная эрозия - когда снос почвы не превышает темп почвообразовательного процесса, а ускоренная – когда снос почвы превышает темп почвовообразования, в результате чего снижается почвенное плодородие. В разных природных зонах почвообразовательные процессы различаются между собой по интенсивности обмена массой и энергией между почвой и окружающей средой. У большинства почв скорость почвообразования колеблется от 0,2 до 0,5 мм/год. Однако следует признать, что количественная оценка темпа почвообразовательного процесса – очень сложный и весьма слабо изученный вопрос. В США для разных типов почв установлены допустимые величины эрозии в пределах от 2,25 до 11,25 т/га в год. На основе литературных источников М.Е. Бельгибаев и М.И Долгилевич (1970) приводят следующие предельно допустимые величины эрозии: для дерново-подзолистых почв – 0,87 мм/год, для черноземов – 0,28 мм/год, для каштановых почв – 0,36 мм/год, для сероземов – 0,27 мм/год. Однако, Н.Ф. Ганжара и Л.Н. Ганжара (1983) считают, что эти величины методически неправильно рассчитаны. Они предлагают определять предельно допустимую величину эрозии в различных регионах по количеству поступающей в почву органики в виде пожнивных остатков, корней и вносимых органических удобрений.

Иногда нормальную эрозию называют естественной или геологической, а ускоренную – антропогенной. Последнее название эрозии не совсем правильное, так как иногда ускоренная эрозия может проявляться и без воздействия человека и, наоборот, хозяйственная деятельность человека может не допустить проявления нормальной эрозии.

Выделяют различные виды эрозии в зависимости от того, стоками каких вод она вызывается: талых, дождевых или орошения (ирригационная эрозия). Кроме того, эрозия иногда возникает в результате сезонного выхода на поверхность грунтовых вод, а также сброса на почвенный покров сточных вод в процессе неправильной эксплуатации различных инженерных сооружений.

Эрозия подразделяется на поверхностную эрозию, или смыв почвы и линейную эрозию, или размыв почвы и подстилающих пород. Эти два процесса воздействия стекающей воды на почву образно можно сравнить с действием напильника и пилы.

Смыв почвы часто называют плоскостной эрозией; однако вместо этого термина лучше применять термин поверхностная эрозия, так как склон не представляет собой идеальной плоскости, по которой мог бы осуществляться именно плоскостной смыв почвы. Вода со склонов почти всегда стекает не сплошным слоем, а струями. Они-то и вызывают смыв поверхностного слоя почвы. В результате на пахотных склонах, если не применялись специальные меры против эрозии, то после стока талых вод, как и после выпадения ливней, мы часто видим струйчатые размывы различных размеров: глубиной от 2-3 мм до 25-30 см (на всю глубину вспашки) и шириной от 3-4 мм до 30-40 см. Иногда размывы достигают ширины 2-3 м. После вспашки или обработки почвы культиватором струйчатые размывы заравниваются. При очередном снеготаянии или ливне они снова образуются и снова заравниваются во время обработки почвы, и т.д. Многократное образование струйчатых размывов и их систематическое заравнивание постепенно приводят к тому, что мощность гумусового горизонта почвы уменьшается. Так в результате смыва поверхностного слоя образуются смытые почвы с укороченным почвенным профилем. В зависимости от величины смытого слоя выделяют слабосмытые почвы, среднесмытые почвы, сильносмытые почвы, а иногда и очень сильносмытые почвы.

Согласно классификации, разработанной Почвенным институтом им. В.В. Докучаева:

Слабосмытые – смыто до 30% первоначальной мощности гумусового горизонта; в пашню вовлекается небольшая верхняя часть горизонта В₁.

Среднесмытые – гумусовый горизонт смыт на 30-50%; при вспашке значительная часть или весь горизонт В₁ вовлекается в пахотный слой, последний подстилается переходным горизонтом В₂.

Сильносмытые – смыта большая часть гумусового горизонта, распахивается и часть горизонта В₂, окраска пашни близка к цвету породы.

Струйчатые размывы одновременно могут способствовать и зарождению линейной эрозии. Если струйчатые размывы не заравнивать, то при очередном снеготаянии или ливне они становятся коллекторами, концентрирующими поверхностный сток вод, и перерастают в типично линейные формы эрозии – сначала в промоины, а затем в овраги. Таким образом, в результате струйчатого стока и струйчатого смыва почвы развиваются как поверхностная, так и линейная эрозия.

Эрозия почв вызывается временным поверхностным стоком вод. Следовательно, она может проявляться на территориях, где выпадают осадки, способные образовать поверхностный сток воды. В зависимости от характера выпадения осадков создается различная степень потенциальной опасности для формирования стока талых вод или дождевых осадков.

Но для одних осадков недостаточно для формирования стока. Для этого местность должна иметь уклон. В зависимости от крутизны склонов и других условий рельефа, влияющих на скорость поверхностного стока осадков, создается различная степень потенциальной опасности эрозии.

На возможность и интенсивность проявления эрозии большое влияние оказывают свойства почв, определяющие их водопроницаемость и противоэрозионную устойчивость. Чем ниже водопроницаемость и противоэрозионная устойчивость почв, тем большая создается опасность для проявления эрозии. На развитие линейной эрозии большое влияние оказывает также характер подстилающих пород.

Еще одним условием для развития эрозии является разреженный растительный покров, не способный полностью защитить почву от эрозии.

Однако всегда следует помнить, что природные условия создают лишь предпосылки для возникновения антропогенной эрозии, но непосредственная причина ее проявления – это хозяйственная, вернее, бесхозяйственная деятельность человека, связанная с неправильным использованием склоновых земель.

Между всеми факторами, создающими возможность для проявления эрозии, существует тесная связь. И, рассматривая влияние даже отдельных факторов на ее развитие, мы всегда должны иметь в виду, что в действительности все явления и процессы в природе тесно взаимосвязаны. При одном сочетании условий климата, рельефа, геологии, почвенного и растительного покрова эрозия вообще не возникает; при другом сочетании может появиться небольшая опасность для ее возникновения; при третьем сочетании эрозия не только проявится, но и примет катастрофический характер.

Рельеф, почвенный покров и растительность, влияя на развитие эрозии, сами со временем изменяются под воздействием эрозионных процессов. Это одно из проявлений закономерной взаимосвязи причин и следствия. Поэтому природные условия необходимо рассматривать в тесной взаимосвязи с теми изменениями, которые происходят в результате проявления эрозии.

В природе редко встречаются случаи, чтобы на одной территории природные условия исключали возможность проявления эрозии, а на другой – создавали опасность сильного ее развития. Зная роль отдельных природных факторов и их сочетание в проявлении эрозии, можно соответствующими мерами предупредить или ограничить влияние неблагоприятных природных условий.

Значение природных закономерностей эрозионных процессов – необходимая основа для разработки системы мер против эрозии. Чем более территория эрозионно опасна, тем надежнее должны быть приемы защиты почв от нее. При этом меры, предупреждающие эрозию, должны быть в первую очередь направлены на то, чтобы уменьшить неблагоприятное влияние тех природных факторов, которые создают наибольшую опасность для проявления эрозии.

Почва – это тот самый объект, плодородие которого подвергается разрушению поверхностным стоком осадков. Поэтому свойства и состояние почв не могут не оказывать существенного влияния на развитие эрозионных процессов.

Опасность развития эрозии тесно связанна со следующими факторами: 1) водопроницаемость, которая наряду с интенсивностью осадков определяет возможность и интенсивность формирования стока; 2) противоэрозионной устойчивостью почв – их способностью противостоять смыву и размыву, водным потокам и 3) общим уровнем плодородия почв, во многом обусловливающим уровень способности сельскохозяйственных культур защищать почву.

Водопроницаемость является важнейшим свойством почвы, которое лучше всего характеризует почву в физическом отношении и определяет ее водный режим. От величины водопроницаемости в значительной степени зависит водный баланс почв, в том числе поверхностный сток, а, следовательно, и увлажнение почвы. С водопроницаемостью почв и грунтов связаны многие проблемы, имеющие актуальное хозяйственное значение.

Знание этого свойства почвы необходимо в гидрологической практике, ибо позволяет рассчитывать количество поглощаемой почвой воды, что имеет большое значение для повышения точности прогнозов по запасам продуктивной влаги в пахотном слое.

Водопроницаемость почвы, обеспечивая благоприятный водно-воздушный режим в почве, является одним из существенных факторов плодородия.

Итак, под водопроницаемостью почв понимается явление, происходящее в почве при поступлении воды на ее поверхность, то есть это способность почвы пропускать через себя воду. Явление водопроницаемости состоит из двух фаз: 1) насыщение почвы водой (впитывание или инфильтрация) и 2) проникновение воды через слой почвы максимально насыщенный водой (просачивание или фильтрация). Поэтому в процессе проведения опыта, мы определяем две величины, характеризующие водопроницаемость: скорость впитывания и скорость фильтрации. Скорость впитывания определяется количеством воды, прошедшем в единицу времени на максимальное насыщение исследуемого слоя почвы (до предельной полевой влагоемкости). Скорость фильтрации есть скорость прохождения воды через слой почвы максимально насыщенный водой. Естественно, что твердой границы между первой и второй фазами нет.

Первую фазу можно подразделить на две стадии. Первая стадия – чистое впитывание, когда вода попадает на почву, не достигшую полевой влагоемкости, и передвигается в ней под действием всасывающих сил поверхности частиц почво-грунтов и капиллярных менисков. Действие силы тяжести не значительно. Во второй стадии преобладает просачивание. На этой стадии абсорбирующая способность почвы уменьшается до минимума, а преобладает пленочное, капиллярное и гравитационное передвижение воды. Переход ко второй стадии происходит быстрее в тех почвах и грунтах, которые обладают большей некапиллярной скважностью. По некапиллярным порам вода передвигается под действием силы тяжести действие молекулярных сил в некапиллярных порах ничтожно. Таким образом, задерживание воды в почве обусловливается ее капиллярной скважностью, а фильтрация находится в зависимости от некапиллярных промежутков в почве. И, наконец, в фазе фильтрации вода передвигается через исследуемый почвенный горизонт под действием силы тяжести.

При характеристике водопроницаемости почвы помимо скорости впитывания и скорости фильтрации, дается, и суммарная величина впитывания за определенный промежуток времени – слой воды (в миллиметрах). Скорости впитывания и фильтрации даются, как правило, в миллиметрах в минуту.

Н.А. Качинским (1965) предложена градация почв по водопроницаемости. Если почва пропускает за 1 час более 1000 мм воды при напоре 5 см и температуре 10°С, водопроницаемость считается провальной, от 1000 до 500 мм – излишне высокой, от 500 до 100 – наилучшей, от 100 до 70 мм – хорошей, от 70 до 30 мм – удовлетворительной, менее 30 мм – неудовлетворительной.

Наиболее широко применяемым в работах почвоведов является определение водопроницаемости почв с помощью рам (квадратов), погруженных в почву на глубину 5-10 см. Площадь квадратов колеблется в различных пределах (до 1 м²) и определяется, как правило, количеством воды, которое можно доставить к месту опыта. Для предотвращения растекания воды в стороны употребляются защитные рамы, площадь которых больше площади внутренних рам. С их помощью создается защитный экран переувлажненной почвы вокруг почвенного монолита, ограниченного внутренней рамой, по которой идет расчет водопроницаемости почвы. Во внутренней и внешней раме поддерживается постоянный уровень воды в 2-5 см. Опыты проводятся в нескольких повторностях. Для определения потерь, на впитывание воды в почву при расчетах максимальных ливневых расходов на малых водосборах, применяется двухрядное ограждение из колец. Недостатком этих способов определения водопроницаемости почвы является невозможность поддерживать постоянный уровень воды. При понижении уровня вода вновь подливается и измеряется объем залитой воды.

Существует и более совершенный способ определения водопроницаемости почвы, заключающийся в автоматическом поддерживании постоянного уровня воды при помощи сосудов Мариотта или других приспособлений. Все эти приборы имеют те или иные недостатки: малая глубина погружения прибора в почву, вследствие чего возможно боковое растекание воды, малая площадь внутреннего цилиндра, а также малый объем сосуда, из которого подается вода.

В настоящее время для определения водопроницаемости почвы широко применяется инфильтрометр Нестерова. Инфильтрометр ПВН состоит из двух цилиндрических колец высотой 150 см. Диаметр внутреннего кольца равен 226 мм, внешний – 450 мм, таким образом, площадь, ограниченная внутренним кольцом равна 400 см², внешним – 1600 см². Кольца забиваются в почву на глубину 8-10 см. Как во внутреннем, так и во внешнем кольцах во время опыта над поверхностью почвы с помощью сосудов Мариотта поддерживается постоянный уровень воды высотой 5 см. Слой впитывающейся воды в почву определяется по величине падения уровня воды в сосуде, установленном над внутренним кольцом. Цена одного деления на водомерном стекле сосуда равна 0,1 л, что в пересчете на слой почвы во внутреннем кольце составляет 2,5 мм.

И.С. Шпак применял инфильтрометр с цилиндрическими кольцами значительно большей высоты, которые забивались на глубину до 50 см. Инструментальная ошибка инфильтрометра складывается из ошибки определения величины падения уровня, которая соответствует объему впитавшейся за определенное время в почву воды, и ошибки времени. Возможная ошибка отсчета по водомерному стеклу равна половине наименьшего деления, что составляет 0,05 л. Так как наименьший интервал времени при установившейся величине инфильтрации равен 10 мин, а точность отсчета по секундомеру 0,2 сек, то относительная ошибка времени мала, и ею можно пренебречь. Таким образом, абсолютная инструментальная погрешность результатов исследований по инфильтрометру не превышает ±0,125 мм/мин. Наблюдения желательно проводить при одинаковом температурном режиме воды, воздуха и почвы, чтобы влияние этого фактора на точность измерения инфильтрации была незначительным.

С помощью инфильтрометра ПВН, как и при определении водопроницаемости почвы, методом заливаемых колец, определяется максимальное количество воды, которое данная почва способна впитывать и профильтровать через себя в определенное время. Водопроницаемость почвы, Г.П. Сурмач (1976) называет «максимальной», в отличие от «реальной», учитываемой при наличии дождя и стока.

Установленная с помощью инфильтрометра величина водопроницаемости почвы, как правило, больше, чем водопроницаемость, определяемая с помощью дождевания. При сплошном затоплении поверхности земли вода просачивается в почву под действием гидростатического напора и почти полностью заполняет капиллярные и некапиллярные поры, которые в этом случае работают всем сечением. При дождевании же, когда интенсивность дождя не превышает скорости впитывания, вода в почву поступает под действием силы тяжести, а также капиллярных и молекулярных сил. Увлажнение почвы при дождевании сельскохозяйственных полей должно проходить без образования луж и поверхностного стока (то есть без гидростатического напора). Поэтому метод заливаемых колец при определении водопроницаемости почвы и соответствующем расчете интенсивности дождя совершенно неприемлем.

На основании сопоставлении показаний инфильтрометра ПВН с данными, полученными при дождевании, пришли к выводу, что интенсивность впитывания (инфильтрации) по ПВН значительно выше, чем по дождевальной установке. Объясняется это тем, что интенсивность впитывания воды в почву просто равна интенсивности дождевания. Величины же фильтрации по данным дождевальной установки в основном довольно не плохо совпадают с величиной фильтрации, полученной с помощью ПВН, несмотря на то, что величина последней, может быть завышена.

Таким образом, в тех случаях, когда необходимо получить лишь сравнительные характеристики инфильтрационной способности различных почв на разных угодьях, а не определение величины «реальной» водопроницаемости, применение инфильтрометра ПВН весьма целесообразно. Важным обстоятельством является и то, что работа с инфильтрометром чрезвычайно проста и не требует громоздкого оборудования.

Водопроницаемость почв в основном зависит от механического состава, оструктуренности, а также от плотности и влажности верхнего горизонта почвы.

Водопроницаемость почв теснейшим образом связана с механическим составом, который определяет размер почвенных пор, что в свою очередь влияет на скорость просачивания воды через почву. Почвы, сложенные крупнозернистыми породами обладают широкими порами, по которым вода передвигается под влиянием силы тяжести. Почвы, сложенные из мелкозема, обладают меньшей водопроницаемостью, так как в таких почвах некапиллярных пор мало, в основном это капиллярные поры, движение воды, по которым из верхних слоев почвы в нижние происходит под действием капиллярных сил. Водопроницаемость бесструктурных почв полностью зависит от механического состава.

Однако прямая связь между свойствами механических элементов, слагающих почвы, и водопроницаемостью отмечена лишь для почв легкого механического состава (песок, супесь) и для тяжелых, но полностью оструктуренных почв. Водопроницаемость же почв, обладающих хорошей структурой, определяется не механическим составом, а почти полностью их структурно-агрегатным состоянием.

Почвы с тяжелым механическим составом, но хорошо оструктуренные, могут обладать гораздо лучшей водопроницаемостью, чем почвы более легкого механического состава, но плохо оструктуренные. Об этом свидетельствуют данные, приведенные в таблице 1.

Таблица 1- Водопроницаемость различных типов почв