Водная эрозия почв в лесостепной зоне юго-востока Западной Сибири тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.27, доктор биологических наук Путилин, Александр Федорович

• Путилин, Александр Федорович
• доктор биологических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор биологических наук Путилин, Александр Федорович

Введение

I. Глава. История вопроса. Методика. Объект

II. Глава. Эрозионная оценка природно-климатических условий и антропогенного фактора

2.1. Рельеф

2.2. Неотектоника

2.3. Геология и рыхлые отложения

2.4. Климат

2.5. Растительность

2.6. Почвы

2.7. Антропогенный фактор

III.

Глава. Ососбенности формирования поверхностного стока талых и ливневых вод и смыва почв

3.1. Процесс снеготаяния

3.2. Формирование поверхностного стока весной

3.3. Весенний сток и смыв почв на Бие-Чумышской возвышенности.

3.4. Сток и смыв почв на отвальной зяби в Присалаирье

3.5. Ливневая эрозия почв

3.6. Динамика увлажнения почв на водосборе

IV. Глава. Теоретические аспекты эрозионных процессов.

V. Глава. Особенности и закономерности зарождения и развития оврагов.

5.1. Морфология оврагов

5.2. Моделирование процесса зарождения водобойного колодца

5.3. Генезис оврагов

VI. Глава. Распространение, морфометрия и динамика роста оврагов

6.1. Овраги Алтайского края

6.2. Овраги Новосибирской области

6.3. Морфометрические показатели оврагов

6.4. Сезонный прирост оврагов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Водная эрозия почв в лесостепной зоне юго-востока Западной Сибири»

Бурное развитие науки и техники в конце XX века отразилось в усиленной антропогенной нагрузке на естественные биоценозы и ландшафтную оболочку в целом. В частности ландшафты водосборов испытывают сверх высокий антропогенный пресс, который вызвал интенсивное проявление водной эрозии смыв и разрушение оврагами почв. В тематических исследованиях эрозионных процессов накоплен обширный фактический материал, который требует нового обобщения на геосистемном уровне с общегеографических, экологических и биосферных позиций. Обоснованность системного подхода обусловлена с одной стороны требованиями получения большего количества продукции с агроценоза определенного водосбора (геосистемы), при ограниченном плодородии его почв, с другой - множественностью экологических функций почвенного покрова. Своевременность такого подхода в оценке роли и значении эрозионных процессов вызвана необходимостью решения ряда теоретических и практических вопросов создания эрозионноустойчивых агроландшафтов и выработки принципов экологического природопользования на локальном региональном и глобальных уровнях.

Большинство исследований процессов водной эрозии почв проводятся в европейской части России, где до 30-40% пашни имеют различную степень смытости (Кузнецов и др., 1996). В Сибири же изучение этих вопросов началось намного позже. Эта огромная территория имеет специфические природно-климатические условия, обусловившие особенности проявления процессов водной эрозии почв. В Новосибирской области и Алтайском крае находится 996,6 тыс. га слабосмытых и 270 тыс. га средне и сильносмытых почв, что в сумме составляет 11,3% пахотных земель (Реймхе и др., 1989). Овражная эрозия в площадном отношении значительно уступает плоскостной эрозии, но в результате роста оврагов все почвенные горизонты полностью уничтожаются и происходит кардинальная переработка рельефа склонов.

Исследования эрозии почв были обусловлены запросами сельскохозяйственного производства в связи со смывом почв и падением плодородия. Поэтому основное внимание было уделено непосредственно изучению процессов эрозии почв на склонах. В этой связи большая часть публикаций по эрозионной тематике ограничена узкими рамками сельскохозяйственных нужд, определением зависимости смыва почв на склоновых землях и практическими рекомендациями по ее сокращению. Были утрачены географические и геоморфологические аспекты этой проблемы, тогда как в природе эрозионно-денудационный процесс происходит в пределах конкретного водосборного бассейна (геохимического ландшафта), в котором водоразделы, склоны и днища долин взаимосвязаны миграцией потока вещества и энергии, главным агентом последних выступает поверхностный сток талых и ливневых вод (Перельман, 1966). Исходя из этого основополагающего постулата наши исследования базировались на:

- концепции географического подхода к изучаемому явлению и анализе пространственной дифференциации эродированных зон в пределах водосборов разного типа;

- представлении поверхности (морфоскульптуры) морфоструктуры (возвышенности, плато), как совокупности иерархически соподчиненных водосборных бассейнов, имеющих четкие границы- водоразделы;

- анализе взаимодействия потока вещества и энергии с поверхностью почв в пределах водосборных бассейнов, определяющий эрозионный процесс;

- зависимости интенсивности процессов эрозии почв от специфики сочетания гидротермических, климатических и почвенных условий с типом морфоскульптурных поверхностей морфоструктуры.

Вышеизложенные основные положения определили цели настоящей работы: исследование географии и динамики процессов водной эрозии и выявление закономерности ее развития (проявления) на различных типах водосборов в почвенно-биоклиматической обстановке лесостепной зоны юго-востока Западной Сибири; разработка эрозионно-денудационной классификации водосборов (геосистем) на основе анализа потока вещества и энергии в ландшафте.

Достижение поставленных целей осуществлялось решением следующих задач:

Заключение диссертации по теме «Почвоведение», Путилин, Александр Федорович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лесостепная зона юго-востока Западной Сибири является базовым регионом производства продуктов питания, в том числе возделывания зерновых культур. Здесь сосредоточены основные массивы черноземов, обладающих высоким естественным плодородием. Благоприятные сочетания гидротермических параметров позволяют производить и собирать довольно высокий для сибирских условий урожай сельскохозяйственных культур. Вместе с тем, специфические сибирские погодно-климатические условия в сочетании с широким развитием лессовидных почвообразующих пород и значительным расчленением рельефа на фоне широкой площадной распашки водосборов обуславливают интенсивное развитие процессов водной эрозии почв. Смыв почв сопровождается снижением содержания гумуса, вымыванием растворимых химических компонентов почв и вносимых минеральных удобрений. Все это ведет к деградации земель и существенному снижению их плодородия. В результате развития оврагов происходит полное уничтожение всех почвенных горизонтов и существенное изменение рельефа склонов водосборов.

Имеющиеся материалы эрозионных исследований, как правило, описывают процесс водной эрозии почв на конкретных склонах и склоновых поверхностях, причем результаты исследований переносятся на значительные территории. В природе эрозионно-денудационный процесс происходит в пределах конкретного водосборного бассейна геохимического ландшафта (Перельман,1966). Поэтому разработанная эрозионно-денудационно-водосборная классификация геосистем включает в себя концепцию географического подхода к исследуемому явлению на основе анализа потока вещества и энергии в пределах водосборов разного типа и порядка. Это позволяет четко: во-первых, определить границы перехода пластового (микроструйчатого) поверхностного стока в ручейковый линейный поверхностный сток в пределах примитивного водосбора ложбины стока; во-вторых, обосновать расположение зон эродированных почв в пределах конкретного водосбора относительно водораздела; в третьих, произвести пространственную дифференциацию эродированных почв на водосборах разного типа и порядков. На основе этой классификации любая территория может быть проанализирована в свете развития эрозионно-денудационных процессов на водосборных бассейнах. Предлагаемая концепция выделения (ЭДВ) геосистем, их классификация и диагностика - это новый аспект теоретической основы частного процесса эрозии почв, который является частью общей теории развития рельефа. Такой подход позволяет полнее познать сложнейший эрозионно-денудационный процесс в пределах водосборных бассейнов разного типа и служит основой для выработки комплекса научно-обоснованных мероприятий по снижению смыва почв и эффективному закреплению оврагов. Все это, в определенной степени, позволит внести вклад в решение современной важной проблемы человечества - увеличение производства продуктов питания.

Интенсивное развитие процессов водной эрозии почв на юго-востоке Западной Сибири происходит в условиях широкого распространения склоновых земель при значительном и высоком горизонтальном и вертикальном расчленении рельефа. Большая часть (60-80%) пахотных земель расположена на склонах различной (1-6°) крутизны, из них наиболее эрозионноопасными являются нижние участки склонов с уклонами 3-4° прямого и выпуклого профиля. Крутые и очень крутые (916°) нижние нераспаханные участки склонов присетьевого фонда находятся в динамически неустойчивом состоянии вследствие воздействия на них большого объема поверхностного стока, формирующегося на вышележащих распаханных частях водосборного бассейна. Естественная лугово-степная растительность и лес на большей части территории полностью уничтожены в результате широкой распашки, а оставшиеся фрагменты естественной растительности испытывают интенсивную антропогенную нагрузку.

На сельскохозяйственных угодьях в течение длительного холодного периода накапливается большой запас воды в снеге от 80 до 160 мм, который в процессе весеннего снеготаяния при глубоком и сильном промерзании почв формирует большой объем поверхностного стока с высокими модулями. На обрабатываемых склонах коэффициент поверхностного стока составляет от 55 до 73% в зависимости от обработки и водно-физических характеристик пахотного горизонта и почвенного профиля. При этом, из трех наиболее распространенных обработок полей в этом регионе: отвальной, безотвальной и плоскорезной, на первой наблюдается наибольший сток и смыв почв, а наименьшие показатели получены на плоскорезной обработке склонов. Наименьший смыв почв весной наблюдается на склонах, залуженных многолетними травами, однако, коэффициент поверхностного стока талых вод здесь составляет от 70 до 90% и может вызвать линейный размыв нижележащих

Г» чу V склонов. В лесу поверхностный сток талых вод наименыпии и составляет 18-23% от запасов воды в снеге при отсутствии смыва почв; с усилением антропогенной нагрузки сток талых вод может достигать 40%.

В теплое время года наибольшую эрозионную опасность представляют дожди ливневого характера, выпадающие в мае - августе; весенние и осенние осадки, как правило, имеют незначительную интенсивность и практически полностью поглощаются почвой. Около половины осадков летнего времени выпадает в виде ливней слоем выше 9 мм при интенсивности от 0,6 до 2,3 мм/мин. Ливни слоем 9-15 мм выпадают ежегодно по несколько раз, но поверхностный сток формируют незначительный, и смыва почв практически не наблюдается. Ливни слоем 15-25 мм выпадают редко, вызывают небольшой объем поверхностного стока, который может производить допустимый (1-3 т/га) смыв почв. Крупные ливни слоем свыше 25 мм формируют большой объем поверхностного стока с кратковременным воздействием с высокими модулями, вызывают значительный смыв почв, зачастую превышающий допустимые эрозионные пределы. Такие ливни выпадают раз в 3-4 года и действуют локально, что значительно снижает их общее эрозионное значение для всей площади региона. Катастрофические ливни слоем свыше 35 мм с высокой максимальной интенсивностью (2,2-2,7 мм/мин) формируют большой объем поверхностного стока с высокими модулями и производят разрушительный размыв и смыв почв на склонах по ложбинам стока на глубину пахотного слоя. Такие ливни выпадают раз в 5-7 лет. Они значительно углубляют вершины и тальвеги имеющихся оврагов, а иногда вызывают зарождение новых.

Режим увлажнения почв на различных элементах водосборов зависит от многих причин, в том числе и от сельскохозяйственного использования. Как отмечалось выше, на распаханных склонах значительно увеличивается поверхностный сток талых и ливневых вод, в результате чего в почву поступает меньше влаги. Наибольшее увлажнение имеют пологие приводораздельные территории водосбора и склоны северных экспозиций. Южные склоны менее увлажнены вследствие более высокой испаряемости и наличия на них основного количества эродированных почв, обладающих посредственными водно-физическими свойствами.

Лесостепная зона юго-востока Западной Сибири является областью широкого распространения лессовидных суглинков, которые, как показали исследования в других регионах, по своим физико-механическим свойствам являются наиболее благоприятной почвообразующей породой для интенсивного зарождения и роста оврагов. В сочетании с хорошо расчлененным рельефом и большими объемами поверхностного стока талых и ливневых вод, формирующимися на агроландшафтах, эта территория имеет большую потенциальную опасность развития оврагов. Неотектонические движения (плейстоцена), общей положительной направленности обусловили поднятие большей части территории в виде морфоструктур, выраженных в орографическом плане современного рельефа. Это Приобское плато, Черепановская равнина, Колывань-Томская и Бие-Чумышская возвышенности, Присалаирская наклонная возвышенная равнина, в их морфоскульптуре преобладают выпуклые поверхности склонов. Новейшие положительные тектонические движения голоцена вызвали усиленный донный врез рек, в результате которого в рельефе днищ долин крупных рек и их притоков сформировались пойменно-террасовые уступы и висячие устья балок и логов, являющиеся наиболее ослабленным элементом ландшафта водосбора. Энергия поверхностного стока собирается по всей площади водосборного бассейна в один мощный водный поток, который при падении с пойменно-террасового уступа приобретает дополнительную кинетическую энергию, последняя резко усиливает его размывающую способность в результате чего происходит зарождение водобойного колодца донного оврага. При дальнейшем развитии и росте донного оврага происходит подрезка устьев логов меньшего порядка и малых древних задернованных отрицательных линейных форм (ложбин стока разного порядка); от образовавшихся висячих устьев начинается развитие новых донных и склоновых оврагов более мелкого порядка. В результате этого процесса возникают овражные системы. При средней незначительной (0,01-0,05 км/км2) протяженности оврагов по территории лесостепной зоны в местах локального развития (овражных систем) длина их достигает 1,6-2,7 км/км2. Наибольшая встречаемость подобных мест наблюдается вдоль рек, имеющих пойменно-террасовый уступ и крутые склоны, опирающиеся на днища долин. Накопление больших запасов воды в снеге и высокий коэффициент поверхностного стока талых вод в сочетании с легкоразмываемыми лессовидными суглинками обуславливают значительную (от 3 до 8 м) величину среднегодового прироста вершин оврагов, основная часть которого приходится на весну. В результате исследований установлено, что большинство донных оврагов лесостепной зоны юго-востока Западной Сибири возникло при нарушении естественного динамического равновесия ландшафтов водосборов и связано с появлением в рельефе пойменно-террасовых уступов при усиленной донной эрозии рек, которая обусловлена положительными неотектоническими движениями. Генезис склоновых оврагов преимущественно антропогенный.

Таким образом, территория лесостепной зоны Западной Сибири характеризуется своеобразным специфическим сочетанием гидротермических, орографических, геологических, неотектонических, почвенных и растительных условий, которые при высокой антропогенной нагрузке обуславливают интенсивное развитие процессов водной эрозии почв. В силу необходимости производства продуктов питания и невозможности сокращения пахотных площадей, необходимо при ведении сельского хозяйства применять комплекс фитомелиоративных, гидротехнических и агротехнических приемов и мероприятий с учетом всей площади водосборных бассейнов разного типа независимо от их размеров. Результатом рационального землепользования должно быть сокращение объема поверхностного стока и смыва почв талыми и ливневыми водами до предельно допустимых норм, что позволит сохранять существующий почвенный покров и поддерживать его естественный уровень плодородия.