/
Author: Кузнецов М.С. Глазунов Г.П.
Tags: почвоведение почвенные исследования внешняя геодинамика (экзогенные процессы) сельскохозяйственные мелиорации
ISBN: 5-211-03381-7
Year: 1996
Text
МХЖузнецов
П П. Глазунов
И ОХРАНА
ПОЧВ
Рекомендовано Государственным комитетом Российской
Федерации по высшему образованию в качестве учебника для
студентов высших учебных заведений, обучающихся по
направлению и специальности "Почвоведение"
ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
19%
ББК. 40.64
К 89
УДК 631.4+551.31
I' с ц с и киты:
кафедра почвоведения Томского государственного университета
(зав. кафедрой, профессор М./". Танзыбаев),
академик РАСХН А.Н. Каштанов
Федеральная целевая программа книгоиздания России
Кузнецов М.С., Глазунов Г.П.
К 89 Эрозия и охрана почв: Учебник. — М.: Изд-во МГУ, 1996. —
335 с, ил.
ISBN 5-211-03381-7
В учебнике рассмотрены основные причины, условия и последствия
распространения эрозии почв. Изложены современные представления о механизме
процессов отрыва, переноса, отложения частиц почвы водными и воздушными
потоками. Описаны современные методы изучения процессов эрозии и
эродированных почв, способы моделирования, пропюзирования и предупреждения
эрозионных процессов.
Для студентов, аспирантов факультета почвоведения и для широкого круга
специалистов, интересующихся проблемами охраны почв от эрозии.
„ 3702040000D309000000) -054 „ е „„„„„л
К 077Г021-96 объявления ББК 40.64
(р\ Кузнецов М.С.,
ISBN 5-2 1 1-0338 1-7 ^ Глазунов Г.П., 1996
Предисловие
Проблема охраны почв от эрозии становится все более
актуальной. Это связано, во-первых, с осознанием выдающейся роли почвы в
жизни биосферы, во-вторых, с признанием того факта, что почвенный
покров России находится сейчас в критическом состоянии.
Действительно, к настоящему времени убедительно показано, что почва является
не только основньм средством сельскохозяйственного производства,. но
и важнейшим компонентом наземных биогеоценозов, мощным
аккумулятором энергии на Земле, регулятором состава атмосферы и гидросферы,
надежным барьером на пути миграции загрязняющих веществ
(Вернадский, 1926; Добровольский, Никитин, 1990). Приходится,
однако, констатировать, что этот незаменимый компонент биосферы
претерпевает значительную деградацию. Из всех ее видов наиболее масштабной
и вредоносной является эрозия почв. В документах Конференции ООН
по окружающей среде и развитию, проходившей в Рио-де-Жанейро в
1992 г., приведены следующие цифры по степени деградации почвенного
покрова Земли:
крайняя степень деградации 1% умеренная» 46%
сильная» 15% легкая» 38%
и по соотношению наиболее распространенных видов деградации:
водная эрозия 56% химическая деградация 12%
ветровая» 28% физическая » 4%.
Поэтому не случайно, что в университетах России уделяется
большое внимание проблемам охраны почв от эрозии. В настоящее
время курс лекций "Эрозия и охрана почв" включен в типовой учебный
план подготовки специалистов-почвоведов в университетах. Кроме того,
аналогичные курсы лекций или соответствующие разделы других курсов
читаются в сельскохозяйственных, лесохозяйственных,
гидромелиоративных, землеустроительных и педагогических вузах.
В 1982 г. на факультете почвоведения, Московского
университета открыта первая в нашей стране кафедра эрозии почв, и с этого же
времени здесь читается общефакультетский курс лекций по охране почв
от эрозии. За указанный период было издано три учебных пособия (в
1985, 1988, -L989 гг.), которые по существу представляют собой в сумме
конспект этих лекций, на основе которого и подготовлен настоящий
учебник. Его издание представляется своевременным, так как до сих пор
нет учебника, охватывающего программу курса "Эрозия и охрана почв",
читаемого студентам университетов, специализирующимся в области
почвоведения. Ощущают недостаток в современном учебном пособии по
защите почв от эрозии студенты, аспиранты и слушатели ФПК вузов,
ведущих подготовку специалистов и в других областях науки и
производства.
3
Большой известностью пользовалось и пользуется до сих пор
учебное пособие П.С.Захарова "Эрозия почв и меры борьбы с ней",
выдержавшее два издания A971, 1978 гг.). Книга равномерно охватывает
основные закономерности развития эрозии почв и весь комплекс
мероприятий по защите почв от водной и ветровой эрозии, однако она не
вполне соответствует университетским требованиям к подготовке
специалистов в этой области. В частности, в ней недостаточно внимания
уделено изложению теории эрозионных процессов, проблем моделирования
эрозии почв и разработки количественных методов проектирования про-
тивоэрозионньгх мероприятий. Это же относится к учебным пособиям
М.ИЛопырева и Е.И.Рябова "Защита земель от эрозии и охрана
природы" A989) для студентов землеустроительных специальностей вузов,
Ю.С.Толчельникова "Эрозия и дефляция почв. Способы борьбы с
ними" A990) - для студентов агрономических специальностей, а также
И.Н.Сазонова, М.А.Штофеля и А.И.Пилипенко "Система мероприятий
против эрозии почв" A984) - для студентов специализирующихся в
области лесного хозяйства.
В 1983 г. вышла первая часть учебника М.Н.Заславского
"Эрозиоведение" для студентов географических и почвенных
специальностей вузов, а в 1987 г. - вторая его часть "Эрозиоведение . Основы
цротивоэрозионного земледелия". К сожалению, учебник не охватывает
проблем ветровой эрозии почв, изложение которых предусмотрено
программами курсов лекций, читаемых обычно студентам. По-видимому,
автор предполагал выпустить отдельно учебник по дефляциоведению,
однако не успел выполнить задуманного. Большую помощь в изложении
основ охраны почв от эрозии оказали преподавателям университетов
учебные пособия Н.В.Евцихевича "Эрозия почв и грунтов и борьба с
ней" A973), Л.Ф.Смирновой "Ветровая эрозия почв" A985) и
Д.АЛобанова, М.Г.Танзыбаева "Эрозия почв и меры борьбы с ней"
A986), а также учебная литература по проблемам охраны почв,
охватывающая в значительной мере вопросы защиты почв от эрозии. Это
учебное пособие Г.В.Добровольского, Л.А.Гршпиной "Охрана почв" A985) и
книга того же названия, написанная А.М.Ивлевым, А.МДербенцевой
A985). При подготовке настоящего учебника авторы использовали
большой опыт преподавания основ охраны почв от эрозии в
университетах, обобщенный в указанных учебных пособиях. Однако с момента их
издания прошло более десятилетия, характеризовавшегося крупными
достижениями в области теории эрозионных процессов и их практического
приложения. Отражение их в учебной литературе является одной из
задач настоящей книги.
4
1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ ОБ ЭРОЗИИ ПОЧВ И ЭРОЗИО-
ВЕДЕНИИ
1.1 Определение понятия "эрозия почв", классификация
эрозионных процессов
Слово "эрозия" имеет иностранное происхождение (от лат.,
через франц. "erodere" - разъедать). Понятие "эрозия" многозначно, оно
используется в почвоведении, геологии, медицине, технике и т.д. В
почвоведении это понятие также многозначно, встречаются термины:
эрозия структуры почв, военная эрозия, химическая эрозия, водная и
ветровая эрозия. Под эрозией почвы в настоящем учебнике понимается
совокупность взаимосвязанных процессов отрыва, переноса и отложения
почвы (иногда материнской и подстилающей пород) поверхностным стоком
временных водных потоков и ветром. Водная эрозия происходит под
влиянием стока дождевых, талых, поливных и сбросных вод. Эрозия
берегов морей, рек, озер и водохранилищ сюда не входит, поскольку в
этих случаях потоки воды имеют постоянный, а не временный характер.
Присутствие слова "поверхностный" в определении эрозии почвы
позволяет отделить ее от суффозии. Ветровую эрозию почвы часто называют
дефляцией почвы. Слово "дефляция" также иностранного
происхождения (от фр. "de"- прочь и лат."Ааге" - дуть). Использование термина
"дефляция почвы" вместо термина "ветровая эрозии почвы" оправдывает
себя с точки зрения удобства словообразования: производные термины
"противодефляционная стойкость", "противодефляционные
мероприятия", например, более удобны, чем "противоветроэрозионная стойкость"
и "противоветроэрозионные мероприятия". Тогда соответствующими
производными от термина "водная эрозия" будут "противоэрозионная
стойкость", "противоэрозионные мероприятия", а производными от
"эрозии почв" - "противоэрозионная и противодефлящюнная стойкость",
"противоэрозионные и противодефляционные мероприятия" и т.д.
Следует отметить, однако, что такая точка зрения не является
общепринятой. Одни авторы (Бараев, 1975; Зайцева, 1970; Федорович, 1984 и
другие) справедливо считают, что ветровая эрозия почвы не исчерпывается
дефляцией, но включает перенос, измельчение и отложение почвенных
частиц ветром с образованием эоловых наносов и погребенных почв и
используют соответствующие термины. Другие, например А.С.Козменко
A954), Г.И.Швебс A981) и МЛ.Заславский A983), исследовавшие, в
основном, взаимодействие почвы с водными потоками, предлагали под
эрозией почвы понимать лшпь водную эрозию, термин ветровая эрозия
полностью заменить дефляцией, а от термина, объединяющего эти два
процесса, отказаться вовсе. Это последнее предложение, как нам
сейчас кажется, несет в себе больше недостатков, чем преимуществ. Это
обусловлено тем, что процессы водной и ветровой эрозии почвы наряду
с различиями имеют много общего как в механизме процессов, так и во
внешних формах их проявления, а также в методах защиты почв.
Именно поэтому и преподавание основ охраны почв от эрозии охватывает
проблемы защиты почв как от водной, так и от ветровой эрозии, а
также от совместного их проявления. Подобная точка зрения была
высказана ранее С.С.Соболевым A948), В.В.Звонковым A963),
Ц.Е.Мирцхулавой A970), А.Н.Каштановым A974), исследовавшими весь
комплекс проблем охраны почв от разрушения потоками воды и ветра.
Необходимым условием возникновения водной эрозии почвы
является сток поверхностных вод или поверхностный сток. Различают три
основных вида поверхностного стока: дождевой сток, талый и сток
поливной воды. Им соответствуют три вида эрозии почв: 1) дождевая
эрозия (или ливневая - при сильных дождях); 2) эрозия при снеготаянии;
3) ирригационная эрозия. Указанные виды эрозии различаются не только
по источнику стока, но и по механизму процесса, а также по величине
причиняемого ими ущерба.
Эрозия при снеготаянии отличается меньшей выраженностью,
но большей продолжительностью, чем дождевая эрозия. Например, в
Московской обл. длительность снеготаяния в среднем составляет
примерно один месяц, а продолжительность смывания почвы талыми водами
- около одной недели. Потери почвы от эрозии при снеготаянии
составляют чаще всего несколько тонн с гектара.
Продолжительность процесса эрозии почвы при дождях гораздо
меньше, чем при снеготаянии и измеряется минутами и часами, а
количество смываемой почвы - больше. Оно может достигать десятков тонн
6
на гектар. В этом случае количество смываемой почвы зависит не
только от параметров водного потока, но и от параметров дождевых капель.
Чем больше масса и скорость дождевой капли, тем больше ее
кинетическая энергия и тем большие разрушения она причиняет почве.
При ударе капли о почву происходит разрушение самой капли и
некоторого очень небольшого объема почвы, с которым взаимодействует капля.
Продукты разрушения разлетаются в стороны в виде брызг. Часть брызг
попадает при этом не на поверхность почвы, а во временные водотоки
(струйки, ручейки) и уносится ими. Таким образом, дождь способствует
"нагружению" потоков твердой фазой. Кроме того, дождевые капли,
попадая в поток, турбулизируют его и повышают его размывающую и
транспортирующую способность.
Ирригационная эрозия, т.е. эрозия почвы при орошении, делится
на подвиды в зависимости от способа орошения: эрозия при поливе
напуском по бороздам, по полосам, по чекам; при дождевании.
Бороздковый полив применяют при орошении хлопчатника,
кукурузы, томатов, сахарной свёклы. Ширина междурядий на посевах
этих культур составляет 0,6-0,9 м,- а ширина водного потока в поливной
бЬрозде - до 0,2 м. Потери почвы за один полив могут достигать 100
т/га. В пересчете на единицу времени это гораздо больше, чем при
дождевой эрозии или при эрозии во время снеготаяния. Объясняется это
тем, что при поливе по бороздам количество воды, взаимодействующей с
почвой в единицу времени, гораздо больше, чем при дождях или при
снеготаянии.
Полив по полосам применяют при орошении трав и зерновых
культур. Ширина полос измеряется единицами метров. Ширина водною
потока при поливе по полосам равна ширине самих полос. Поэтому
скорость таких потоков невелика и ирригационная эрозия выражена слабее,
чем при поливе по бороздам.
При поливе по чекам ирригационная эрозия выражена еще
слабее. Объясняется это тем, что уклон чеков (обычно рисовых) очень мал,
малы и скорость водного потока и связанная с ней величина смыва
почвы.
Дождевание - один из самых перспективных видов орошения.
Его используют при орошении практически всех сельскохозяйственных
культур. Этот вид орошения в настоящее время находит все большее
распространение. Поверхностный сток и эрозия почв при поливе
дождеванием возникают в том случае, когда интенсивность дождевания
начинает превышать интенсивность впшътания воды почвой. Эрозия почв
при поливе дождеванием является наименее изученным подвидом
ирригационной эрозии.
7
По морфологическим признакам эрозионных форм различают:
1) поверхностную эрозию, или смыв почвы; 2) линейную эрозию, или
размыв почвы. Каждый из перечисленных видов эрозии может
сопровождаться проявлением смыва или размыва почвы, но чаще всего - и
того и другого, в зависимости от местоположения изучаемого участка на
склоне.
Поверхностная эрозия, или смыв, в свою очередь делится на
плоскостную и струйчатую. Различие это достаточно условное.
Считается, что плоскостная эрозия вызывается движением сплошной пелены
стока. Практически условия для ее образования создаются редко и смыв
почвы осуществляется преимущественно струйчатыми потоками.
Граница перехода поверхностной эрозии в линейную также условна:
считается, что если следы эрозии на поле исчезают в результате обычной
обработки почвы, то это - поверхностная эрозия, если нет - линейная.
Необходимым условием ветровой эрозии почв является ветер,
скорость которого достаточна для перемещения частиц почвы. По
таким внешним признакам, как интенсивность, продолжительность и
масштабы явления, а также размер ущерба, различают повседневную
ветровую эрозию и пыльные бури. Различие это достаточно условно.
Отличительными признаками повседневной ветровой эрозии можно считать
относительно низкую скорость ветра, лишь незначительно
превышающую критическую для почв, и связанную с этим пространственную
ограниченность явления - повседневная эрозия чаще всего ограничена
масштабами одного или нескольких соседних полей на территории которых
развиваются все стадии процесса - от выдувания почвы до отложения
наносов. Практически все пахотные почвы в той или иной степени
подвержены повседневной ветровой эрозии, в особенности при
обработке.
При больших скоростях ветра, значительно превышающих
критическую для почв, существенно увеличиваются высота подъема
почвенных частиц в воздух, которая достигает сотен метров, и дальность их
переноса, достигающая сотен и тысяч км. В метеорологии перенос
сильным ветром большого количества пыли, сопровождающийся ухудшением
видимости, называется пыльной бурей. Пыльные бури - грозное явление,
масштабы которого не раз принимали размах стихийного бедствия.
Именно пыльные бури 30-х годов нашего столетия, катастрофические по
своим последствиям, послужили побудительным мотивом для создания в
США Службы охраны почв. Пыльным бурям, их географическим
особенностям и геологической деятельности, посвящена обширная
литература (Наливкин, 1970). Незабываемые впечатления остаются у человека,
застигнутого пыльной бурей в поле. Вот как описывает пыльную бурю в
Павлодарской обл. в 1963 г. Ф.Т.Моргун A981) в своей книге "Поле без
плуга": "Дул ураганный ветер с запада и ветровая эрозия бушевала
вовсю. Бывало днем, а чаще вечером и ночью, ветер на какое-то время
стихал, а поутру, собравшись с силой вновь начинал свою дьявольскую
работу. Утро превращалось в сумерки, а день - в ночь. Из темноты
наветренной стороны накатывали новые и новые грозовые валы
разбушевавшейся стихии. Отяжелевший от массы пыли воздух немилосердно
хлестал землю. Комья земли разлетались на мелкие частички,
превращались в пыль. И это лишь усиливало цепную реакцию уничтожения
пахотного горизонта. Тучи поднятой в воздух почвы закрывали солнце в
безоблачном небе. Каждый новый удар ветра болью отдавался в сердце и
мозгу".
С количественной стороны процесс эрозии почв характеризуют
интенсивностью смыва (или сдувания), выражаемой в т/га в год, либо
мощностью утраченного слоя почвы в единицу времени (мм/год). В этих
же единицах измеряют и скорость почвообразования. О степени
опасности эрозии можно судить, сопоставив интенсивность смыва (или
сдувания) почвы со скоростью почвообразовательного процесса. Если
интенсивность эрозии меньше скорости почвообразования, то можно
предположить, что она не представляет опасности для данной почвы. Такую
эрозию принято считать нормальной. Если интенсивность потерь почвы
больше скорости почвообразования, ее считают ускоренной.
Определение интенсивности потерь почвы от эрозии - вполне
разрешимая задача, хотя и трудоемкая. Методы определения
интенсивности потерь почвы от разных видов эрозии будут рассмотрены в
специальном разделе. Гораздо труднее измерить скорость
почвообразовательного процесса. Чаще всего для этой цели определяют
каким-либо способом (например, радиоуглеродным методом) время
образования гумусового горизонта и измеряют его мощность. Разделив
мощность гумусового горизонта на время его образования получают среднюю
скорость почвообразовательного процесса в мм/год.
Минимальная величина, менее 0,1 мм/год, получена для
солонцов и светло-каштановых почв, 0,1-0,2 мм/год - для подзолистых, почв,
максимальная среди зональных почв Русской равнины - 0,4-0,45 мм/год
- для черноземов оподзоленных, выщелоченных и типичных.
Промежуточное положение занимают дерново-подзолистые почвы,
темно-каштановые почвы, черноземы мипеллярно-карбонатные и южные, серые
лесные почвы и черноземы обыкновенные (Геннадиев и др., 1987). Следует
отметить, что указанные результаты получены из допущения линейной
зависимости между мощностью гумусового горизонта и его возрастом. В
действительности же скорость почвообразования убывает во времени,
9
поэтому для современных целинных почв она, по-видимому, на порядок
меньше.
По скоростям культурного почвообразовательного процесса
пока нет надежных экспериментальных данных. В связи с этим до сих пор
не решен удовлетворительно вопрос о величинах допустимых потерь
почвы, служащих основой при использовании количественньк методов
проектирования противоэрозионных мероприятий. Наиболее
приемлемыми, на наш взгляд, являются в настоящее время достаточно жесткие,
но все же реальные с практической стороны рекомендации,
разработанные Г.П.Сурмачем A992): 0,5-2,0 т/га в год @,05-0,2 мм/год при
плотности сложения почвы 1 т/м3) в зависимости от типа почвы, степени ее
смытости и плотности материнской породы (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Среднегодовой предельно допустимый смыв почвы (т/га)
Почвы
Дерново-подзолистые, светло-серые лесные на
лёссовых и других рыхлых породах
Серые и темно-серые лесные, черноземные и
темно-каштановые
Каштановые, светло-каштановые, сероземные
Почвы, сформировавшиеся на опоках и мелах
Степень смытости
несмыгые и
слабосмытые
2,0
2,0
1,5
1,0
средне-
смытые
1,5
2,0
1,5
0,5
сильно-
смытые
1,0
1,5
1,0
0,5
В США Службой охраны почв приняты более высокие уровни
допустимых потерь почвы: 2-11 т/га в год в зависимости от мощности
почвы, а в Кении для мощных суглинистых почв, развитых на
вулканических отложениях, допускаются еще большие значения - 13-15
т/га в год. Следует отметить, что задача установления допустимого
уровня потерь почвы, помимо естественно-научного, имеет и экономический
характер. Верхний уровень определяется, в значительной мере,
экономическими соображениями - наличием сил и средств для защиты почв
от эрозии на единицу пораженной площади.
Для оценки интенсивности потерь почвы при ускоренной эрозии
Н.А.Шикулой, А.Г.Рожковым и П.С.Трегубовым A972) разработана
классификация, приведенная в табл. 1.2. Позднее, по-видимому, в связи
с более полным осознанием размеров ущерба, причиняемого эрозией
почв окружающей среде и экономике страны, произошло некоторое
"ужесточение" оценки интенсивности эрозии. Это нашло отражение и в
классификации, предложенной М.Н.Заславским A983): незначительный
смьш - до 0,5 т/га в год (до 0,05 мм/год при плотности сложения почвы
1 т/м3); слабый - 0,5-1 т/га @,05-0,1 мм/год); средний - 1-5 т/га @,1-0,5
10
MM/ГОД); СИЛЬНЫЙ - 5-10 Т/га @,5-1 Таблица 1.2
MM/ГОД); Очень СИЛЬНЫЙ СМЫВ - более 10 Шкала для оценки интенсивности
т/га ( более 1 мм/год). эрозии почв
Эрозия почв в тех масштабах, в
которых она наблюдается сейчас,
является, несомненно, результатом
человеческой деятельности, поэтому ее
называют антропогенной эрозией. Было бы
неправильно, однако, причину
возникновения эрозии относить
исключительно на счет деятельности человека.
Эрозия почв без вмешательства
человека существовала и существует в настоящее время. Она называется
геологической эрозией. Понятие антропогенной эрозии часто
необоснованно отождествляют с понятием ускоренной эрозии, а понятие
геологической эрозии - с понятием нормальной эрозии. И если
антропогенная эрозия чаще всего (но не всегда!) бывает ускоренной, то
геологическая не обязательно бывает нормальной.
1.2 Ущерб, причиняемый эрозией почв народному хозяйству и
окружающей среде
Эрозия почв наносит большой урон народному хозяйству страны
и в первую очередь - земельным ресурсам: снижается плодородие почв и
сокращаются площади обрабатываемых земель. Велика территория
нашей Родины - 17,1 МЛН.КМ2 и велики, на первый взгляд, земельные
ресурсы - около 12 га на одного жителя страны. Но избыток земельных
ресурсов - кажущийся. Объясняется это тем, что значительная часть
территории приходится на зону с холодным климатом и крутые склоны.
На обширных пространствах распространены заболоченные, засоленные
и маломощные почвы, и только на 13% территории почвы используются
для воздельшания сельскохозяйственных культур. Вот почему пахотных
почв в стране не так уж много, всего около 0,89 га на одного жителя, и
эта цифра ежегодно сокращается на 0,0065 га (в среднем за последние
20 лет).
В мировом масштабе земельные ресурсы также не безграничны.
В настоящее время на Земле в сельском хозяйстве используется около
1,5-109 га земель. Потенциально пригодных к использованию земель
насчитывается около 3,2-109 га, однако вовлечение в сельскохозяйственное
использование новых земель обусловлено все возрастающими
капитальными вложениями на их освоение, включая мелиорацию и ирригацию.
Потеря почвы за
год, мм
Меньше скорости
почвообразования
<0,5
0,5- 1
1 -2
2-5
>5
Оценка эрозии
Эрозия
отсутствует
Слабая
Средняя
Сильная
Очень сильная
Катастрофическая
11
Положение осложняется также географической неравномерностью
распределения народонаселения: на 7% суши сконцентрировано 70%
человечества. И в этих сложных условиях часть пахотных почв ежегодно и
во все возрастающих масштабах отчуждается для целей строительства -
городского, трансаортного и промышленного. Кроме того, часть почв
ежегодно безвозвратно теряется в результате эрозии. Только в
черноземной зоне России овраги ежедневно "съедают" до 70-80 га земли. Но
овраги - это крайняя степень проявления эрозии. Более широко
распространена поверхностная эрозия. Она не столь заметна, как овражная, но
очень вредна. Под действием поверхностной эрозии снижается
плодородие почвы, повреждаются растения, а это приводит к потере 10-70%
урожая.
От эрозии почв страдает не только сельское хозяйство. Почва,
смываемая с полей, откладывается в прудах, озерах, водохранилищах,
попадает в каналы и реки. В некоторых случаях пруды полностью
заиливаются в течение 10-15 лет. Заиливание водоемов и повышение
мутности воды в реках затрудняет действие гидроэлектростанций, работу
систем водоснабжения и водного транспорта. Количество наносов,
транспортируемых рекой, зависит от интенсивности эрозии почв в ее
бассейне и может достигать очень большой величины. Наибольшей
мутностью воды отличаются реки Хуанхэ и Янцзы (до 35-40 кг/м3).
Расчистка водохранилищ, каналов и рек требует больших капитальных
вложений.
Важно отметить, что при стоке воды и смыве почвы с пашни
отчуждается от 10 до 30% вносимых удобрений и пестицидов, и они не
только безвозвратно теряются, но и оказывают огромное негативное
влияние на экологическое состояние территории, особенно на качество
воды в реках, прудах и водохранилищах. В США на очистку воды
тратится около одного миллиона долларов в день. В нашей стране чистая
вода также достается с большими затратами.
Особое значение имеет эрозия почв в миграции радионуклидов.
Радиоактивные изотопы, например цезий-137, прочно сорбируются
почвой и перемещаются вместе с ней, в результате чего при смьше и
дефляции почв происходит территориальное перераспределение
радионуклидов, сосредоточенных, главным образом, в пахотном горизонте.
Развитие эрозии почв на загрязненной территории может вызвать
образование новых очагов радиоактивности в местах аккумуляции смытой
или сдутой почвы с повышенным содержанием радионуклидов.
Аналогичным путем образуются очаги вторичного загрязнения почв
некоторыми гербицидами, а также засоления. Вторичное засоление в результате
отложения содержащих растворимые соли эоловых наносов в настоящее
12
время широко распространено в окрестностях высыхающего Аральского
моря.
Огромный ущерб народному хозяйству приносит и ветровая
эрозия почв. Повседневной ветровой эрозии в разной степени подвержены
практически все пахотные почвы. Увеличение интенсивности дефляции
до масштабов пыльных бурь характерно только для некоторых регионов
СНГ- юга Украины, Белоруссии, Северного Кавказа, Поволжья,
северного Казахстана, Восточной Сибири, республик Средней Азии.
Особенно сильно пыльные бури проявились в период освоения
целинных и залежных земель в 1954-1960 гг., а в 1962-1965 гг. зона
проявления ветровой эрозии почв в этом регионе достигла максимума. К
настоящему времени процессы ветровой эрозии в этом регионе
приостановлены. Большая заслуга в этом принадлежит ученым Института
зернового хозяйства (пос. Шортанды, Казахстан), возглавлявшихся
А.И.Бараевым. В других регионах ветровая эрозия почв продолжает
наносить урон народному хозяйству.
Ущерб, причиняемый народному хозяйству ветровой эрозией
почв, весьма многообразен. Уменьшается плодородие почвы, что связано
с уменьшением мощности гумусового горизонта в результате его сдува-
ния. Гибнут в результате выдувания и засыпания почвой посевы
сельскохозяйственных культур. Даже если интенсивность ветровой эрозии
почв невелика, наблюдается уменьшение урожайности
сельскохозяйственных культур в результате засекания их скачущими почвенными
частицами. Часто по причине засыпания гибнут и полезащитные лесные
полосы.
При сильных пыльных бурях затрудняется работа
промышленных предприятий и транспорта, засыпаются каналы. В пустынных
районах выдувание почв и грунтов (чаще всего легкого гранулометрического
состава) из-под опор нарушает работу линий электропередачи, нефте- и
газопроводов. Ветровая эрозия почв наносит большой ущерб авиации -
высокое содержание пыли в атмосфере в окрестностях аэродромов
приводит к преждевременному износу двигателей. Увеличение запыленности
воздуха отрицательно сказывается и на здоровье людей.
1.3 Распространение эрозии почв в СНГ
Закономерности проявления эрозионных процессов и
распространения эродированных почв в масштабах всей страны впервые были
показаны на Почвенно-эрозионной карте СССР (М 1:5000 000),
изданной в 1968 г. под редакцией С.С.Соболева.
13
Водная эрозия почв получила широкое распространение по
правобережьям Днепра (от Киева до Запорожья), Волги (от Нижнего
Новгорода до Волгограда), Дона (от Воронежа до Ростова), Северского
Донца, Десны, Днестра и их притоков, на Среднерусской, Волыно-
Подольской, Донецкой, Клинско-Дмитровской, Ставропольской
возвышенностях, в Высоком Заволжье (Башкирия), на Общем Сырте и в При-
уралье, вдоль сибирских рек, особенно Оби, Иртыша и их притоков, в
предгорьях и горных областях Крыма, Кавказа, Урала, Карпат, в горах
Средней Азии и Казахстана.
Ветровая эрозия в виде пыльных бурь распространена в районах
с неустойчивым и недостаточным увлажнением, расположенных
преимущественно к югу от линии, проходящей через Балту - Кременчуг -
Полтаву - Харьков - Балашов - Самару - Уфу - Магнитогорск - Омск
- озеро Чаны и далее в Алтайский край через Хабары, Баево и Ребриху.
Эта линия проходит примерно по южной границе лесостепи, но в
засушливом Заволжье она поднимается к северу, захватывая часть лесостепи.
Повседневная ветровая эрозия наблюдается на территориях,
расположенных севернее этой линии, в Центрально-Черноземной полосе (на
посевах сахарной свёклы), в лесной зоне, в основном на массивах легкого
гранулометрического состава и переосушенных торфяниках, а также в
тундре и лесотундре.
В проявлении эрозионных процессов и распространении
эродированных почв легко прослеживается зональность, которая определяется
закономерными изменениями природных и антропогенных факторов
эрозии (Сильвестров и др., 1972; Кальянов, 1976).
Тундра и лесотундра
Ландшафты тундры и лесотундры испытывают все
увеличивающуюся нагрузку, связанную с разведкой, добычей и транспортировкой
полезных ископаемых, в первую очередь нефти и газа. Нерациональная
хозяйственная деятельность сопровождается механическим нарушением
почвенного покрова и уничтожением растительности на больших
площадях, а это в свою очередь, приводит к появлению термокарста и
созданию условий для проявления эрозионных процессов. Тундровые
ландшафты и почвы легко подвергаются деградации, но медленно
восстанавливаются. Так, скорость роста оврагов в тундре достигает 25 м/год, а
интенсивность смыва на участках с нарушенным почвенным покровом -
50 т/га. Ветровая эрозия носит очаговый характер и проявляется в
основном на песках. В то же время на ненарушенных территориях смьш
почвы практически отсутствует.
14
Наглядным показателем масштабов и скорости деградации почв
и ландшафтов тундры и лесотундры является сокращение площади
оленьих пастбищ, которое за период с 1965 по 1990 г. составило около
70,6-106га!
Лесная зона
В северной и восточной частях лесной зоны широко
распространены эрозионноопасные земли, однако преобладающая часть
территории находится под лесом и надежно защищена от развития эрозии почв.
На лишенных леса участках прибрежных склонов долин Северной
Двины, Сухоны, Вычегды, Юга и Лузы, Унжи, Вятки, Камы; в бассейне
Чепцы, а также повсеместно вблизи селений встречаются отдельные
оврага, чаще всего донные. На некоторых освоенных участках
правобережья Вятки и на Среднем Урале смыв достигает значительных величин. В
западной и южной частях зоны интенсивность эрозионных процессов
возрастает в связи с увеличением площади пашни. На участках
конечных морен в Белоруссии смытые почвы занимают около 8% пашни, на
юге Псковской обл. - местами до 25%. На наиболее освоенных
участках Смоленско-Московской возвышенности смьпые почвы занимают до
25-30% пашни. Умеренный смыв почвы наблюдается также на Клинс-
ко-Дмитровской гряде. Значительный смыв почвы и оврагообразование
характерны для Овручского кряжа и правобережий Десны и Сейма.
Ветровая эрозия почв в лесной зоне носит очаговый характер.
Очага ветровой эрозии возникают в результате сведения леса на песках
и песчаных почвах, а также в результате осушения и распахивания
избыточно увлажненных почв. Наиболее крупные очаги ветровой эрозии
почв расположены на территории Полесья. Так^в Белоруссии ветровой
эрозии подвержено около 7,6% пашни. В Полесье Украины сильные
пыльные бури повторяются 1-2 раза в 10 лет.
На юге Западной Сибири в подтаежной и южно-таежной
подзонах ветровая эрозия почв проявляется локально. На Сахалине сильная
ветровая эрозия наблюдается на строительных площадках, вырубках,
гарях.
Лесостепь и степь
Для лесостепной и степной зон характерна максимальная
степень освоенности территории. Особенно велика до/и пашни на
Среднерусской, Приволжской возвышенностях и в Кодрах. Это обстоятельство,
а также широкое распространение покровных отложений низкой проти-
воэрозионной стойкости, значительное количество осадков в эрозионно-
15
опасный период, высокая расчлененность территории создали условия
для максимального развития процессов водной эрозии. Особенно
высокие модули твердого стока характерны для Среднерусской,
Ставропольской возвышенностей, территории Молдавии, районов Высокого
Заволжья и Донбасса. Средний ежегодный смыв почвы с площадей пашни на
Бугульминско-Белебеевской возвышенности определяется в пределах от
10-25 до 40-50 т/га, а процессами смыва охвачено до 50%, а иногда до
75% пашни. Во многих хозяйствах центральной лесостепи до 30-40%, а
иногда и до 50% пашни размещено на смытых почвах.
Высокая степень распаханности территории, неустойчивое,
периодически недостаточное увлажнение, высокая повторяемость ветров,
часто суховейных, способствуют широкому распространению ветровой
эрозии почв в этих зонах. Наиболее хорошо документированы
катастрофические проявления ветровой эрозии в виде пыльных бурь. После
пыльной бури 1837 г. юг Европейской России во второй половине XIX
столетия не менее семи раз страдал от этого бедствия. В последующем
частота проявления пыльных бурь все более увеличивалась. Наибольший
ущерб нанесли грандиозные пыльные бури 1892, 1928, I960, 1969 гг. В
I960 г. от пыльных бурь пострадали посевы на площади более 4 млн га.
Несколько менее сильными были пыльные бури 1974 и 1984 гг. Слабые
и Пространственно более ограниченные пыльные бури и повседневная
ветровая эрозия в разных частях этих зон проявляются практически
ежегодно.
Огромные территории подвержены ветровой эрозии в Западной
Сибири и, особенно, в Восточной Сибири, где поражено до 22% пашни
(из общей площади 13,5 млн га). Широкому распространению ветровой
эрозии в Сибири, в Казахстане, на южном Урале и в Поволжье
положило начало массового освоения целинных и залежных земель. Начиная с
1954 г. было освоено 41,8- 10б га. В худшие по метеорологическим
условиям годы ветровой эрозии здесь подвергалось до 6-106 га земель.
Внедрение почвозащитной системы земледелия (или отдельных ее
элементов) позволило уменьшить размах ветровой эрозии.
Полупустыня и пустыня
Водная эрозия в полупустынной и пустынной зонах развита
значительно меньше, чем в степной и лесостепной, в связи с меньшей
распаханностью территории. Нерациональная хозяйственная
деятельность здесь сопровождается, главньм образом, ветровой эрозией. Из
72-106 га пустынь Средней Азии 37 • 10б га представлено дефляционно
опасными песчаными почвами и заросшими песками, из них 10- 10б га
16
подвергаются ветровой эрозии, а 2,5 • 106 га составляют подвижные
пески. В орошаемой зоне Узбекистана на районы с активными ветрами,
сопровождающимися пыльными бурями разной интенсивности, приходится
около 3 • 106 га. Интенсивные пыльные бури проходят по территории
высохшего дна Аральского моря.
Предгорья и горы
В литературе имеется немало сведений о развитии эрозии почв в
различных горных районах страны. При благоприятных природных
условиях и невысокой антропогенной нагрузке растительность горных
лесов, лугов и степей надежно защищает почву от эрозии. Однако при
сведении растительности эрозия почв проявляется очень сильно, гораздо
сильнее, чем на равнине. Так, например, из-за ненормированного выпаса
скота на горных пастбищах Азербайджана годовой смыв почвы достигал
300-500 т/га, а на пашне горных районов Средней Азии - 200-300 м3/га
в год.
Закономерности проявления и распространения ветровой эрозии
почв в горных районах изучены значительно хуже, чем в равнинных. Для
гор характерен более напряженный ветровой режим, более высокие
скорости ветра, поэтому нарушение хрупкого равновесия между почвой
и ветром часто сопровождается ветровой эрозией. Это характерно для
низкогорных районов Северного Кавказа и Закавказья. В Грузии,
например, имеется 296-103 га слабо, 21 • 103 га средне и 24-103 га сильно
эродированных ветром почв. Ветровая эрозия почв широко
распространена в Ферганской долине, в межгорных впадинах Юго-Западного Па-
миро-Алая, в межгорных котловинах Саян и гор Забайкалья.
Прогноз развития эрозионных процессов
Большой интерес представляет вопрос о темпах эрозии почв и
перспективах изменения эродированности почвенного покрова. Имеется
довольно много разрозненных данных по величинам смыва почв за
отдельные ливни или периоды снеготаяния в разных природных и
хозяйственных условиях, однако несравненно меньше результатов
многолетних наблюдений, дающих возможность рассчитать средние годовые
потери почвы. Сбор и, особенно, интерпретацию такого рода материалов
следует проводить с учетом размеров водосбора, так как величина смыва
обратно пропорциональна водосборной площади. Это связано с тем, что
значительная часть смываемой почвы не доходит до базиса эрозии, а
отлагается по пути на нижних частях склонов, в балках, на пойме, а также
в лесах, лесополосах и на лугах. Так, например, в большие реки попада-
2 Эрозия и охрана почв
17
ет лишь около 1% смываемого материала, а до малых рек и водоемов
доходит 3-5%. Поэтому с элементарного водосбора площадью 5-10 га
потери почвы будут при прочих равных условиях в десятки раз больше,
чем с водосбора площадью более 100 км2.
Данные по среднему многолетнему смыву почвы с малых
водосборов можно получить, используя наблюдения за скоростью заиления
прудов. Результаты, полученные в 40-50-е годы в
Центральночерноземной области в пределах Среднерусской возвышенности,
свидетельствуют о том, что средняя годовая скорость смша почвы в этот
период составляла около 7 т/га с колебаниями от 4 до 11 т/га. Средний
многолетний смыв почвы в опольях Брянской обл. (возвышенных
равнинах с серыми лесными почвами) составляет 5 т/га, а непосредственно с
эродируемых участков пашни около 13 т/га в год и даже 15-20 т/га с
некоторых полей. Для дерново-подзолистых и серых лесных почв
Мордовии приводятся величины среднего смыва от 2 до 4 т/га в год.
Таким образом, величины среднегодового смыва в возвышенных
районах значительно выше принятых допустимых норм. То же можно
сказать и о потерях почвы в дефляционно опасных районах. В результате
площади эродированных почв заметно увеличиваются и достигают,
например в России 28,2% пашни1, при этом прирост смытых почв в
черноземной полосе России составляет, в среднем 0,3%, а в некоторых
районах Молдавии и на Валдайской возвышенности примерно 1% в год.
Продолжается интенсивное разрушение почв оврагами.
Детальный учет количества оврагов по аэрофотоснимкам крупного масштаба с
перерывом в съемках одной и той же территории в 25-35 лет
убедительно свидетельствует о том, что во всех физико-географических зонах
площадь оврагов растет весьма быстро. В Курской обл., например,
современная интенсивность оврагообразования более чем в 2 раза выше,
чем за предшествующие примерно 150 лет земледелия.
При оценке перспектив изменения эродированное™ почв
следует рассматривать не только современные темпы эрозии, но и возможное
изменение климатических и хозяйственных условий, влияющих на
интенсивность эрозионных процессов. Предстоящие изменения климата,
обусловленные парниковым эффектом, приведут к общему потеплению,
сопровождающемуся увеличением количества осадков в районах
севернее 50° с.ш. и уменьшением - в более южных районах. Эти изменения
климата могут повысить интенсивность водной эрозии северных
территорий в результате усиления солифлюкдии (перемещения почв и грунтов
1 Государственный доклад "О состоянии окружающей природной
среды Российской Федерации в 1992 году" ("Белая книга").
18
под влиянием силы тяжести при их попеременном промерзании-
оттаивании) и увеличения интенсивности стока, а также ветровой эрозии
южных территорий вследствие их аридизации.
Очень важными для развития эрозионных процессов, во всяком
случае в ближайшем будущем, окажутся изменения в хозяйственной
деятельности. В последние 10-15 лет наблюдается устойчивое ослабление
внимания к судьбе почвенного покрова России и мероприятиям по его
охране. Переход к многоукладным формам собственности на землю (в
особенности к краткосрочной аренде) может ускорить деградацию
почвенного покрова, если государство не возьмет эту проблему под
жесткий контроль.
1.4 Краткие сведения из истории исследований процессов
эрозии почв и мер защиты от них
История изучения эрозионных процессов и борьбы с ними на
территории нашей страны наиболее обстоятельно изложена в
фундаментальной монографии С.С.Соболева A948). Наблюдение процессов
эрозии почв и применение противоэрозионных мероприятий и сооружений
имеют многовековую историю, однако наука об эрозии почв начала
формироваться сравнительно недавно. М.Н.Заславский A983) выделил
три этапа в ее становлении и развитии в нашей стране: первый - до
1917 г.; второй - с 1917 по 1967г. и третей - после 1967 г.
Первый этап
Первые сведения об эрозии почв на территории нашей страны
можно найти у Геродота, а также в многочисленных русских летописях
и писцовых книгах (Соболев, 1948). Научный подход к проблеме эрозии
почв в пашей стране впервые применил М.ВЛомоносов, который в
своих работах 1751-1763 гг. отмечал разрушающую и сортирующую
деятельность водных потоков, а также выдувание земли в местах, не
защищенных растительностью. Его работы, а также многочисленные, хотя и
попутные наблюдения естествоиспытателей екатерининской эпохи дали
интересный материал к познанию процессов эрозии и ее
распространения в XVIII в.
Во второй половине XVIII и в первой половине XIX в. трудами
многих ученых и практиков (М.И.Афонин, СДруковнев, СЛесли,
Н.Н.Шишка, А.Т.Болотов, В.Я.Ломиковский) был разработан ряд
приемов по регулированию и задержанию талых и ливневых вод на полях,
предложены меры борьбы с овражной эрозией, заложены основы
агролесомелиорации. В середине XIX в. В.А.Киприяновым установлен меха-
19
низм зарождения и роста оврагов, выделены стадии их развития;
примерно в это же время А.Гроссул-Толстым положено начало изучению
географии эрозионных процессов.
Во второй половине XIX в. главная роль в разработке методов
защиты почв от эрозии и связанной с ней засухи принадлежит
А.Н.Шишкину, разработавшему комплекс мероприятий по задержанию
зимних осадков и талых вод на полях, а также по борьбе с коркообразо-
ванием на поверхности почвы. Последующий период развития
исследований по эрозии почв и борьбе с ней в России тесно связан с работами
В.В.Докучаева, его учеников и совремешшков. Вопросы почвенной
эрозии рассматривались В. В Докучаевым уже в первых его работах, таких
как "Оврага и их значение" A877), "Способы образования речных долин
Европейской России" A878), а в наиболее обобщенном и
систематизированном виде излагаются в его классической работе "Русский
чернозем" A883), в отчетах Нижегородской и Полтавской экспедиций A882-
1884гг.) и в знаменитой книге "Наши степи прежде и теперь" A892).
Большое значение для познания закономерностей эрозии почв
имеют исследования В.ВДокучаева по влиянию рельефа на смыв и
аккумуляцию. Он установил, что на крутых склонах под действием
стекающих атмосферных осадков происходит обеднение почв гумусом,
наиболее тонкими глинистыми частицами, элементами минерального
питания и обогащение грубым, скелетным материалом. Перегной и мелкозем,
вымытые из почв повышенных участков, откладываются в нижних
частях склонов и у их основания, что приводит к образованию в этих
местах почв с более мощным профилем, обогащенных мелкоземом,
гумусом, нередко слоистых. Эти наблюдения послужили В.ВДокучаеву
основанием для выделения в составленных им классификациях почв A886
и 1888 it.) двух классов: "почвы перемытые" и "почвы наземнонанос-
ные", что в современной терминологии соответствует смытым и
намытым почвам.
Летом 1891 г. степной край России поразила сильная засуха,
охватившая более трети черноземной полосы и вызвавшая небывалый
неурожай. Лучшие представители русской интеллигенции сразу
откликнулись на народное горе. В числе первых был В.ВДокучаев. В 1892 г.
он издал в пользу пострадавших от неурожаев свою книгу "Наши степи
прежде и теперь", в которой изложил план реконструкции сельского
хозяйства черноземной полосы России с целью борьбы с засухой, охраны
почв и "оздоровления" всего степного сельского хозяйства. В основу
этого плана положены следующие необходимые мероприятия:
1) регулирование рек, больших и малых;
20
2) регулирование оврагов и балок с целью предотвращения дальнейшего
размывания их дна и берегов;
3) регулирование водного хозяйства степей посредством создания на
водораздельных пространствах системы прудов по замкнутым
понижениям и путям естественного стока дождевых и снеговых вод;
использование накопленных вод для орошения; облесение берегов прудов,
песчаных массивов и не удобных для пашни участков;
4) выработка оптимальных соотношений площадей пашни, луга, леса,
вод, сообразуясь с местными климатическими, грунтовыми,
почвенными условиями и главной возделываемой культурой;
5) определение оптимальных систем обработки почвы для наилучшего
использования влаги, оптимальных сортов возделываемых культур
применительно к местным природным условиям.
Дня развития знаний по эрозии почв и мерам борьбы с ней
большое значение имеют работы выдающегося ученого П.А.Костычева,
такие, как его капитальный труд "Почвы Черноземной области России,
их происхождение, состав и свойства" A886), "К вопросу об обработке
черноземных почв" A891), "О борьбе с засухой посредством обработки
полей и накопления на них снега" A893) и др. Наблюдая за состоянием
целинных и пахотных почв, П.А.Костычев пришел к важному выводу,
что причиной эрозии является бессистемная распашка земель. Почва,
покрытая растительностью, не страдает от эрозии. Растительность
предохраняет поверхность от механического действия падающего дождя,
служит фильтром, задерживая мелкие частицы и затрудняя
перекатывание более крупных частиц, замедляет течение потоков воды по
поверхности почвы. Напротив, обработка земель, уничтожая связь между
почвенными частицами, разрушая структуру, делает почву крайне
неустойчивой по отношению к размывающему и смывающему действию воды.
Особую ценность представляют выполненные П.А.Костычевым
исследования структуры черноземов, наблюдения за ее изменением при
распашке, изучение вопросов восстановления структуры при оставлении пашни
под залежь.
Вопросы борьбы с засухой и эрозией почв волновали многих
ученых. Большой вклад в решение этих проблем внес современник
В.В.Докучаева и П.А.Костычева А.А.Измаильский, опубликовавший в
1893 г. книгу "Как высохла наша степь". Для предупреждения
иссушения пахотных почв А.А.Измаильский рекомендовал производить на них
глубокую вспашку и поддерживать поверхность почвы в рыхлом
состоянии. Действенными мерами он считал облесение оврагов, устройство
запруд на степных ложбинах, а для предотвращения твердого стока -
создание искусственного рельефа путем террасирования склонов. В ка-
21
честве первоочередных мер он рекомендовал снегозадержание,
устройство кулис из кукурузы или гаоляна среди посевов низких злаков.
В 1892 г. П.П.Тихобразовым, проводившим работы по борьбе с
засухой в Тамбовской губернии по программе, разработанной
В.ВДокучаевым, были впервые предложены постоянные земляные валы
с широким основанием, обеспечивающие накопление влаги и
беспрепятственный проход сельскохозяйственных машин и орудий. Такие валы,
так называемые валы-террасы, применяются и в настоящее время на
больших площадях в США.
История развития исследований по эрозии почв и борьбе с ней в
конце XIX - начале XX в. тесно связана с работами непосредственных
учеников В.В.Докучаева, среди которых был Г.Н.Высоцкий. Для
познания закономерностей ветровой эрозии почв большое значение имеет
одна из первых работ Г.Н.Высоцкого "Материалы по изучению черных
бурь в степях России", опубликованная в 1894 г. в трудах экспедиции
Лесного департамента. В работе детально рассмотрены вопросы
распределения и аккумуляции продуктов ветровой эрозии в зависимости от
характера растительного покрова и рельефа. Последующие работы
Г.Н.Высоцкого посвящены различным вопросам степного лесоразведения
и его значению в деле охраны почв от эрозии. Г.Н.Высоцким было
установлено, что в условиях засушливой степи лес не может расти
большими массивами и что технология лесоразведения здесь должна быть иной,
чем в лесной зоне. Им были подобраны породы деревьев и кустарников,
наиболее пригодные для создания полезащитных полос в степи. В целом
работами Г.Н. Высоцкого был заложен научный фундамент
полезащитного лесоразведения.
Страшная засуха 1891 г. заставила царское правительство
принять ряд мер. В 1892 г. была снаряжена правительственная экспедиция
по обводнению юго-восточной части России под руководством
М.Н.Анненкова. Экспедиция проводила свои работы в бассейне Дона -
в Тульской, Рязанской, Орловской, Тамбовской и Воронежской
губерниях. Программу работ экспедиции разрабатывал В.В.Докучаев.
Основная цель экспедиции - борьба с засухой путем регулирования
поверхностного стока талых и ливневых вод, борьба с оврагами, регулирование
речного стока, организация орошения. Экспедиция М.Н.Анненкова была
кратковременной, но, несмотря на это, она полностью осуществила на
практике намеченную программу, организовала опытные и
показательные пункты по регулированию поверхностного стока. В целом
экспедиция внесла крупный вклад в разработку агротехнических и
гидротехнических приемов борьбы с засухой и эрозией почв.
22
В 1894 г. начала работать правительственная экспедиция по
исследованию источников главнейших рек Европейской России под
руководством А.А.Тилло. Работами этой экспедиции было внесено много
нового в изучение процессов почвенной эрозии. Большая часть этих
исследований связана с именем С.Н.Никжгаиа, руководившего работами
гидрогеологического отдела экспедиции. С.Н.Никитиным бьии выделены
три основных типа оврагов по их расположению относительно
материнской формы (долины или балки): вершинные, склоновые и донные (по
современной терминологии). Им было показано, что овражность тесно
связана с распространением лёсса и лессовидных суглинков. Для борьбы
с оврагами С.Н.Нюштин особенно рекомендовал фитомелноративные
приемы, считая их более эффективными, чем дорогостоящие
инженерные сооружения.
Много сделал для разработки мероприятий по борьбе с засухой
и эрозией почв П.В.Янковский, опубликовавший с 1891 по 1914 г.
серию статей и брошюр. В своих исследованиях П.ВЛнковский основное
внимание сосредоточил на вопросах накопления и сохранения влаги в
почве. Работы П.В.Янковского, наряду с исследованиями А.Н.Шишкина
и ПА.Костычева, послужили базой для выработки основных
агротехнических приемов по накоплению и сохранению в яочве влаги и борьбе с
эрозией почв.
Одновременно с разработкой проблем борьбы с засухой и
водной эрозией почв в этот период много внимания уделялось вопросам
ветровой эрозии. В 1884 г. появилась работа Н.А.Соколова "Дюны, их
образование, развитие и внутреннее строение", в которой автор
сформулировал основные закономерности развития процессов ветровой эрозии,
проверив свои положения тщательными наблюдениями в природе и
экспериментами в лаборатории. В частности, он установил три способа
перемещения песчинок ветром: перекатыванием и волочением, прыжками,
во взвешенном состоянии; изучил действие различных преград на
аккумуляцию продуктов дефляции.
Вопросам ветровой эрозии почв посвящена также работа
А.А.Колесова "Природа песков и их облесение" A900), в которой
рассматриваются методы борьбы с выдуванием почв применительно к
засушливым условиям юга России.
Интересные наблюдения над процессами ветровой эрозии почв
были сделаны учеником В.ВДокучаева ПФ.Бараковым A913). Им было
показано, что от ветра особенно страдают поля, занятые посевами
сахарной свёклы, что связано с ее биологическими особенностями и
технологией возделывания, а также низкой противодефляционной
стойкостью черноземов в сухие годы.
23
Огромный вред сельскому хозяйству России наносили овраги.
Исследованием причин оврагообразования, а также разработкой методов
борьбы с овражной эрозией занимались ИЛеваковский A870-1890),
В.Масальский A897), А.А.Гельфер A901).
Большое значение для познания процессов овражной эрозии и
борьбы с ней имела Тульская земская гидрологическая экспедиция,
возглавляемая А.С.Козменко и проводившая в 1909-1913 гг. исследования в
центральной части Среднерусской возвышенности. В результате работы
экспедиции была составлена "Карта размыва водосбора рек Зуши,
Плавы и Труды в пределах Тульской губернии" A912), на которой показаны
различные овраги, подмывы берегов, смыв почвы. Материалы
экспедиции позволили по-новому оценить важнейший фактор оврагообразования
- глубину местных базисов эрозии (Козменко, 1937).
Для борьбы с оврагами важное значение имеет метод,
разработанный В.М.Борткевичем A915). Сущность метода заключается в том,
что для задержания воды выше оврага устраивается система канав и
валов, расположенных по горизонталям.
Широкое развитие в России водной и ветровой эрозии
поставило правительство перед необходимостью усилить работу по охране почв.
С этой целью в конце XIX в. были созданы постоянно действующие
песчано-овражные партии, в задачу которых входило укрепление и
облесение песков и оврагов. Однако работы по борьбе с оврагами не
охватывали всей овражно-балочной системы, укреплялись лишь отдельные
овраги, расположенные преимущественно у дорог и населенных пунктов.
Основное внимание было сосредоточено на закреплении самих оврагов,
в то время как работа по охране почв от эрозии на водоразделе
совершенно игнорировалась.
В целом песчано-овражные партии, несмотря на недостатки,
сыграли положительную роль в деле борьбы с эрозией почв. Они
являлись хорошей школой для воспитания высококвалифицированных
кадров лесомелиораторов и накопили богатый практический опыт борьбы с
дефляцией и овражной эрозией.
Подводя итог исследованиям по эрозии почв за 40 лет, которые
охватывают период деятельности В.ВДокучаева и его современников,
необходимо прежде всего отметить, что это было время очень быстрого
развития как теоретических, так и практических работ по изучению
эрозионных процессов и методов борьбы с ними. За этот период было
выполнено огромное количество работ по борьбе с оврагами,
подвижными песками, смывом почв. Усилиями отдельных ученых, научных
обществ, земских и правительственных экспедиций ко времени
Октябрьской революции в России фактически был создан фундамент учения о
24
природе водной и ветровой эрозии почв и разработаны основные методы
борьбы с ними.
Второй этап
Октябрьская революция открыла новый этап в развитии
проблемы охраны ыочв от эрозии. Во исполнение декрета "Об охране природы"
создавалась сеть противоэрозионных станций и опорных пунктов. В
1923 г. под руководством А.С.Козменко в Орловской обл. была
организована Новосильская опытная овражная станция, сыгравшая важную
роль в разработке научных основ оротивоэрозионной мелиорации.
А.С.Козменко совместно со своими сотрудниками разработал комплекс
противоэрозионных мероприятий для лесостепной зоны европейской
части СССР, дифференцировав их по трем эрозионным фондам земельных
угодий (гидрографическому, присетевому, приводораздельному).
Оригинальные взгляды на эрозию почв и меры борьбы с ней
высказал В.Р.Вильямс. Эрозию почв и меры борьбы с ней он
рассматривал сквозь призму травопольной системы земледелия. По Вильямсу
главной причиной эрозии является бес структурность пахотных почв склонов.
С помощью системы мероприятий, центральным звеном которых
является культура многолетних трав в нолевых и кормовых севооборотах,
происходит окультуривание почв, придание им комковатой водопрочной
структуры.
В 1932 г. в Почвенном институте имени В.ВДокучаева
усилиями видного почвоведа А.М.Павкова был создан отдел по изучению
эрозии почв. На первом этапе существования отдела проводился сбор
материалов по изучению эрозии почв, методам ее исследования и
эффективности противоэрозионных мероприятий, применявшихся s нашей стране
и за рубежом, особенно в США.
В проведении этих работ А.М.Панков проявил много энергии.
Он выезжал на опытные овражные станции и опорные пункты
знакомиться с работами по борьбе с эрозией, с их тематикой, методами
проведения, обсудить полученные результаты. Таким образом, отдел эрозии
Почвенного института им. В.В. Докучаева стал общесоюзным центром
координации противоэрозионных исследований. В этот же период были
созданы еще два научных центра по изучению эрозии почв. В 1931 г. в
Москве был организован (а затем переведён в 1958 г. в Волгоград)
Всесоюзный научно-исследовательский институт агролесомелиорации
(ВНИАЛМИ) с отделом борьбы с эрозией почв, который с 1938 г.
возглавил А.С.Козменко. В Тбилиси в Закавказском институте водного
хозяйства в 1932 г. начала работать группа эрозии почв, которую возгла-
25
вил В.Б.Гуссак. Произошло достаточно четкое разделение функций
между этими научными коллективами. В Почвенном институте им.
В.В.Докучаева на первый план выступили вопросы картографирования
эрозии почв, оценки степени ее выраженности, районирования
территорий, подверженных эрозии. Во ВНИАЛМИ занимались
преимущественно вопросами борьбы с эрозией с помощью лесонасаждений и
задержания стока на эродируемых склонах. Институт располагал стационарами,
где изучались применительно к условиям лесостепной, степной и
полупустынной зон наиболее подходящие древесные и кустарниковые
породы, способы их посадки, плотность насаждений в полосах, их
оптимальная ширина и расстояние между ними, лесорастительные свойства почв.
В Закавказском научно-исследовательском институте водного хозяйства
основное внимание уделялось вопросам изучения рациональных методов
борьбы с эрозией почв на горных склонах черноморских субтропиков,
где развивалось и приобретало все большее хозяйственное значение
возделывание чая, цитрусовых и других ценных культур. Особенно большое
внимание уделялось изучению природы противоэрозионной стойкости
почв, для чего проводились полевые и лабораторные исследования с
использованием метода моделирования и определением физических,
физико-механических и химических свойств исследуемых почв.
4-7 марта 1936 г. в Москве состоялось Первое Всесоюзное
совещание по борьбе с эрозией почв, организованное по инициативе
Советской секции Международной ассоциации почвоведов. Работой
совещания руководили Д.Г.Виленский и А.М.Панков. Материалы совещания
были опубликованы в виде сборника "Борьба с эрозией почв", изданного
в 1938 г. В статье А.М.Панкова "Проблема почвенных эрозий"
акцентировалось внимание на вопросах количественного учета площадей
смытых и смываемых почв; на проблеме сохранения в почве влаги для
культурных растений и на необходимости рационального использования
удобрений на эродируемых почвах. Эта три проблемы стали
лейтмотивом совещания и определили содержание сборника.
После смерти А.МЛанкова его преемником в Почвенном
институте стал С.С.Соболев, сохранивший прежнюю тематику эрозионных
исследований. Первоочередными задачами были учет и
картографирование эродированных почв, а также исследование специфики и степени
выраженности различных процессов эрозии. К этому времени на
почвенной карте, составленной сотрудниками Почвенного института под
руководством Л.И.Прасолова и опубликованной в 1930 г., уже были
выделены районы, наиболее пострадавшие от эрозии, где поверхность
обогащена хрящом, щебнем, галькой, валунами и наблюдаются выходы
материнских и коренных пород (Соболев, 1948). Кроме того, в 1925 г.
26
А.Н.Костяковым по статистическим данным была составлена
картограмма распространения оврагов в европейской части СССР, а
Н.А.Розовым - аналогичная картограмма для Украины. С.С.Соболевым и
его сотрудниками на основании маршрутных исследований, проводимых
с 1935 г., а также детальных почвенно-эрозионных исследований на
"ключах", проведенных в 1939-1940 гг. в разных географических
районах европейской части СССР, к 1940 г. была составлена (в первом
варианте) почвенно-эрозионная карта европейской части СССР в
масштабе 1:5 000 000. Кроме того, под руководством С.С.Соболева были
составлены карты распространения и густоты овражно-балочной сети,
глубины шавнейших местных базисов эрозии, средних уклонов поверхности
и типов эрозионного расчленения.
Таким образом, менее чем за 10 лет, предшествовавших началу
Великой Отечественной войны, был сделан гигантский скачок в
познании различных проявлений эрозии почв и разработке мероприятий по
борьбе с ней. Произошла дифференциация отдельных направлений в
этой области. Среди почвоведов помимо географов и картографов,
фиксирующих процессы эрозии в природных условиях и на почвенно-
эрозионных картах, появились специалисты, изучающие физико-
механические, физические, химические и физико-химические свойства
эродированных почв в поисках критериев выраженности процессов
эрозии; почвоведы-агрохимики, занимающиеся вопросами удобрения
эродированных почв; агрономы, изучающие способы их обработки и
разрабатывающие соответствующие севообороты. Было установлено, что любой
конкретный вопрос должен решаться с учетом экологических условий,
на фоне которых развиваются процессы эрозии и проводятся противо-
эрозионные мероприятия. Однако достигнутые успехи в области
изучения эрозии не были в достаточной мере реализованы в производстве.
Лишь частично удавалось задержать развитие эрозионных процессов в
тех немногих случаях, когда противоэрозионные мероприятия
проводились последовательно и систематически.
Отечественная война нанесла колоссальный урон стране, ее
народному хозяйству и природным богатствам, особенно почве. Из строя
были выведены огромные площади пашни, луга и леса, раны на теле
земли превращались в очаги развитая эрозии. Работы по восстановлению
земельного фонда в первые послевоенные годы имели преимущественно
культуртехнический, агролесомелиоративный и одновременно противо-
эрозионный характер.
С 1948 г. разворачиваются работы по реализации Постановления
Совета Министров СССР и ЦК ВКП(б) "О плане полезащитных
лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов
27
и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и
лесостепных районах европейской части СССР". Замышлялась
грандиозная программа наступления на засуху и одновременно на эрозию почв.
Важнейшим звеном программы являлись государственные защитные
лесные полосы. Общая их протяженность составила около 12 тыс. км.
Многие из них достигли 20 - 25-летнего возраста и продолжают
выполнять природоохранные функции, способствуют улучшению
микроклимата и водного режима прилегающих территорий (Павловский, 1986).
Помимо выполнения мелиоративной и почвозащитной роли, созданные
лесополосы являются своеобразной природной лабораторией по изучению
способов создания лесных насаждений в тяжелых лесорастительных
условиях юго-востока и Западной Сибири.
Особенностью послевоенных исследований является попытка
дифференцировать противоэрозионные мероприятия в зависимости от
климатических, почвенных, геологических, гидрологических и
геоморфологических условий и создать региональные системы противоэрози-
онных мероприятий в качестве составной части региональных систем
ведения хозяйства. В Почвенном институте им. В.В.Докучаева
продолжал энергично работать отдел эрозии почв, возглавляемый на
протяжении 30 лет С.С.Соболевым. По его инициативе институт организовывал
всесоюзные и региональные конференции и совещания по охране почв
от эрозии. Их итоги публиковались в сборниках "Эрозия почв и борьба
с нею" A957), "Защита почв от эрозии" A964) и др. С.С.Соболеву
принадлежат многочисленные публикации по актуальным вопросам охраны
почв. Особое значение имеет его двухтомная монография "Развитие
эрозионных процессов на территории европейской часта СССР" A948,
1960). Работы сотрудников отдела в этот период внесли большой вклад в
разработку проблемы классификации и картографирования
эродированных почв, эффективное™ противоэрозионных мероприятий в различных
природных условиях.
Сильный коллектив специалистов по эрозии почв сложился в
Институте географии АН СССР. Д.Л .Арманд, возглавлявший отдел
эрозии почв, издал в 1961 г. монографию "Физико-географические основы
проектирования сети полезащитных лесных полос", а также
редактировал ряд сборников по вопросам борьбы с эрозией почв, в том числе
"Районирование территории СССР по основным факторам эрозии"
A965) и "Региональные системы противоэрозионных мероприятий"
A972), подготовленных СИ.Сильвестровым и его сотрудниками.
Ряд оригинальных, глубоких исследований по эрозии почв
выполнен в этот период в Московском университете Н.И.Маккавеевым на
28
географическом факультете, А.Г.Гаелем и Л.Ф.Смирновой, ВЛЛидовым
и В.К.Орловой на биолого-почвенном факультете.
В конце 40-х начале 50-х годов началось широкое изучение
эрозии почв в Молдавии. В 1950 г. М.Н.Заславский был назначен
руководителем вновь созданной противоэрозионнои станции, которая позже
была преобразована в отдел защиты почв от эрозии Молдавского
научно-исследовательского института почвоведения и агрохимии
им.Н.А.Димо. Получили широкую известность методические
исследования этого коллектива, направленные на создание лабораторных и
полевых дождевальных установок для изучения эрозии почв и
совершенствование стокоприемного оборудования на стоковых площадках, а также
разработка и внедрение в производство ряда важных противоэрозионньгх
мероприятий: полосного размещения; культур на склонах, напашного
террасирования, чересполосного освоения малопродуктивных склонов,
выполаживания и засыпки оврагов с сохранением на поверхности
гумусового горизонта (М.Н.Заславский "Эрозия ночв и земледелие на
склонах", 1966; А.Г.Рожков "Борьба с оврагами", 1981).
С приходом в 1955 г. в Институт почвоведения и агрохимии АН
Узбекистана В.Б.Гуссака здесь сложился отдел эрозии почв, который
внес впоследствии существенный вклад в изучение закономерностей
эрозии сероземов на богаре и при поливе, а также в разработку метода
повышения водопрочности и противоэрозионнои стойкости сероземов с
помощью полимеров-структурообразователей.
Крупным региональным центром противоэрозионньгх
исследований стал сектор эрозии почв в МСХ Азербайджана, созданный в начале
50-х годов под руководством К.А.Алекперова.
Третий этап
Его начало связано с выходом Постановления ЦК КПСС и
Совета Министров СССР от 20 марта 1967 г. "О неотложных мерах по
защите почв от ветровой и водной эрозии". Постановление обязало
министерства сельского хозяйства, мелиорации и водного хозяйства, высшего
и среднего образования СССР, Советы министров союзных республик,
АН СССР и ВАСХНИЛ "принять конкретные меры к коренному
улучшению исследований в этой области и внедрению в производство
проверенных на практике методов защиты почв и повышения их плодородия,
укрепить кадрами и оснастить оборудованием лаборатории и отделы
институтов и областных опытных станций, ведущих исследования по
борьбе с эрозией почв".
29
Огромное значение для борьбы с ветровой эрозией почв имела
работа Всесоюзного научно-исследовательского института зернового
хозяйства (пос. Шортанды, Казахстан), возглавлявшегося А.И.Бараевым,
охватившая не только территорию Северного Казахстана, но и степные
районы Сибири. Вслед за Т.С.Мальневым, А.И.Бараев стал горячим и
активньш сторонником введения системы обработки почвы
безотвальными орудиями, обеспечивающими сохранение стерни на полях в целях
снегонакопления и защиты почвы от выдувания ветрами, столь
характерными для этих мест (А.И.Бараев "Почвозащитное земледелие", 1975).
За успехи в разработке и внедрении почвозащитной системы земледелия
в Казахстане группе ученых во главе с А.ИЛЗараевым была присуждена
в 1972 г. Ленинская премия. Указанные работы послужили позднее
основой для разработки нового, полтавского варианта бесплужной
обработки почвы (Ф.Т.Моргун, Н.К.Шикула "Почвозащитное бесплужное
земледелие", 1984).
В 1967 г. во исполнение Постановления был создан
Государственный научно-исследовательский институт земельных ресурсов МСХ
СССР, одной из основных задач которого была разработка научных
основ проектирования противоэрозионных мероприятий. В 1970 г. в г.
Курске начал работать Всесоюзный научно-исследовательский институт
защиты почв от эрозии, переименованный затем во Всесоюзный научно-
исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии
(ВНИИЗиЗПЭ), а в 1974 г. в г. Луганске - Украинский научно-
исследовательский институт защиты почв от эрозии. В 1967 г. на
географическом факультете Московского университета была создана под
руководством Н.И.Маккавеева Проблемная лаборатория эрозии почв и
русловых процессов. В 1982 г. на факультете почвоведения открыта
первая в нашей стране кафедра эрозии почв. Лаборатории защиты почв
от эрозии и научно-исследовательские группы создаются во многих
научно-исследовательских институтах почвоведческого, гидротехнического
и сельскохозяйственного направлений. Московский университет
становится методологическим и методическим центром эрозиоведения в
стране. Здесь издается тематический сборник "Эрозия почв и русловые
процессы", регулярно собирается Всесоюзная межвузовская конференция по
проблеме "Закономерности проявления эрозионных и русловых
процессов в различных природных условиях".
Существенной особенностью третьего этапа развития
исследований по охране почв от эрозии является выделение в этот период нового
самостоятельного раздела почвоведения - эрозиоведения. Крупный вклад
в его формирование внес М.Н.Заславский. Постановка вопроса об эро-
зиоведении как о самостоятельном направлении стала возможной в ре-
30
зультате дифференциации научных нанравлений внутри почвоведения и
интеграции научных знаний но проблеме охраны почв от эрозии.
Однако простая сумма знаний не дает еще нового направления.
Г.И.Швебс A981) справедливо считает, что для нового научного
направления характерны присущие только ему объект исследования,
специфические методы его познавия и задачи, которые не решаются никаким
другим научным направлением. К этому следует, по-видимому, добавить
еще одно необходимое условие - наличие теоретического фундамента в
основе нового научного направления.
Объектом эрозиоведения являются процессы водной и ветровой
эрозии почв, происходящие в разных природных и хозяйственных
условиях, а также результаты их протекания - смытые и дефлированные, а
также намытые и навеянные почвы и методы их мелиорации.
Методы, применяемые в эрозиоведении, часто заимствованы из
других направлений почвоведения, а также из таких наук
географического цикла как метеорология, гидрология и геоморфология,
геологического - грунтоведение и технического - гидравлика, аэро- и
гидромеханика. К специфическим методам эрозиоведения можно отнести прежде
всего метод наблюдения за смывом почвы на стоковых площадках.
Задачи, решаемые эрозиоведением, достаточно специфичны
вследствие особенности почвы как объекта взаимодействия с потоками
воды и ветра. Во-первых, важнейшей составной частью почвы являются
живые организмы (животные, растения, микроорганизмы), что часто
является определяющим фактором в решении проблемы ее охраны. Во-
вторых, почва - не только важнейший компонент биосферы, но и
предмет сельскохозяйственной деятельности, поэтому мероприятия по охране
почв должны хорошо вписываться в систему земледелия и стать ее
элементом.
В настоящее время интенсивно ведутся исследования по
разработке теоретических основ эрозиоведения. Здесь можно выделить
четыре основных направления:
• развитие теории единого эрозионно-аккумулятивного процесса;
• исследование особенностей формирования и движения взвесенесущих
водных потоков на поверхности почвы и воздушных - в
приповерхностном слое атмосферы;
в разработка теории противоэрозионной и противодефляционной
стойкости почв;
• создание экспериментально-теоретических моделей эрозии почв на
основе знания механизма процесса с учетом достижений в первых
трех направлениях.
41
Отличительной чертой развития эрозиоведения явилось активное
использование последних достижений гидрологии, гидравлики, гидро- и
аэромеханики при разработке теории эрозионных процессов. К
основополагающим исследованиям в указанных выше направлениях следует
отнести изданные ранее работы Н.И.Маккавеева ("Русло реки и эрозия в
ее бассейне", 1955), В.В.Звонкова ("Водная и ветровая эрозия земли",
1963), а также вышедшие в этот период книги Ц.Е.Мирцхулавы
("Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии", 1970,
"Основы физики и механики эрозии русел", 1988). Дальнейшее развитие
эти исследования получили в работах эрозиоведов Московского и
Одесского университетов, ГрузНИИГиМ, ЮжНИИГиМ, Института
почвоведения и фотосинтеза АН СССР, ВНИИЗиЗПЭ, ВНИАЛМИ, Брянского
педагогического института и других учреждений.
Одновременно интенсивно развивается эмпирическое
направление в эрозиоведении, в основе которого лежит выяснение
количественных закономерностей влияния, так называемых, "факторов эрозии"
(климата, рельефа, почвы, растительности и хозяйственной деятельности
человека) на интенсивность водной и ветровой эрозии почв.
Значительных успехов в этом направлении достигли американские исследователи,
получившие на основе большого экспериментального материала
"универсальное уравнение потерь почвы" (Wischmeier, Smith, 1965) и
"уравнение ветровой эрозии" (Woodruff, Siddoway, 1965). Частично под
влиянием американской школы и в значительной мере и без него в
нашей стране также развивалось эмпирическое направление.
Достигнуты определенные успехи и в решении земледельческих,
лесоводческих и гидротехнических аспектов проблемы защиты почв от
эрозии. Интенсивно развивается почвозащитная система земледелия с
контурно-мелиоративной организацией территории (А.Н.Каштанов,
М.Н.Заславский "Почвоводоохранное земледелие", 1984). К настоящему
времени она значительно дополнена с учетом местных особенностей
природных и хозяйственных условий разных регионов России. Новая
система земледелия предусматривает дифференцированный подход к
размещению полевых, кормовых и почвозащитных севооборотов,
применению способов и технологий основной обработки почвы, внесению
удобрений с учетом крутизны склонов, эродированности почв и
биологических особенностей культур, а также устройство валов-террас с широким
основанием, валов-канав, совмещенных с узкими водорегулирующими
лесными полосами и других гидротехнических сооружений.
Таким образом, эрозиоведение имеет достаточно прочные
теоретические основы, особенно интенсивно развиваемые в последнее время.
32
В целом можно констатировать, что в настоящее время оно вполне
оформилось как самостоятельное направление почвоведения.
Во многих случаях достигнуты хорошие практические
результаты в защите почв от эрозии. Например, широко внедрена
почвозащитная технология обработки почв в Казахстане и Западной Сибири. В
хозяйствах, использующих почвозащитные технологии, растет урожайность
сельскохозяйственных культур, снижаются затраты, сохраняются почвы
и повышается их плодородие.
Значительные успехи в деле охраны почв достигнуты в
Чувашии. Здесь организованы специальные противоэрозионные звенья,
которые осуществляют комплекс агротехнических и лесомелиоративных
противоэрозионных мероприятий, создаются пруды, проводится
улучшение лугов и пастбищ. Опыт, накопленный в Чувашии по охране почв и
природы вообще, хорошо описан в книге А.П.Айдака "И взойдут
семена", вышедшей в Чебоксарах в 1993 году. Однако в целом по России
темпы внедрения противоэрозионных мероприятий (особенно в районах
распространения водной эрозии почв) еще очень низки.
3 Эрозия и охрана почв
33
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭРОЗИИ ПОЧВ
2.1 Закономерности движения жидкости и газа
2.1.1 Основные гидравлические характеристики потока
Поперечное сечение потока,
перпендикулярное к линиям тока, его пересекающим,
называется живым сечением потока со и
выражается в см2 или м2. Длина линии контакта
Рис 2.1. Поперечное сечение живого сечения с ложем потока называется пе-
прлмоугольного русла римегром смоченности х и измеряется в м или
см. Отношение площади живого сечения к периметру смоченности
называется гидравлическим радиусом R, имеющим размерность длины,
X
Для достаточно широких русел периметр смоченности мало
отличается от ширины потока, поэтому гидравлический радиус примерно
равен глубине потока. Действительно, для прямоугольного русла
(рис.2.1), можно записать:
ЬН
R = .
Ы-2Н
Если Ь»Н, то слагаемым 2Я можно пренебречь, тогда
Ъ
Объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в
единицу времени, назьтается расходом потока Q. Он выражается в м3/с
34
в
А
s"^ i
i
i
Ф 'D
- -J
L
_ _ .
К
Ф
_ _ —,
N
или л/с. Длина пути, проходимого водой в единицу времени, называется
скоростью потока и измеряется в м/с или см/с.
с м Найдем связь между расходом,
скоростью и живым сечением потока.
Для этого выберем в потоке какой-
либо элемент ABCD живого сечения
площадью со (рис. 2.2). Предположим,
что все его точки перемещаются с
одной и той же скоростью и. Тогда за
Рис. 2.2. Элемент руслового потока „ ,
единичный промежуток времени
выбранный элемент сечения переместится на расстояние и и займет
положение KLMN. Объем воды, прошедшей через сечение ABCD в единицу
времени, равен исо, поэтому можно записать: Q=ua>.
Однако в реальных условиях скорость в разных точках живого
сечения не постоянна. В открытых потоках (имеющих поверхность
раздела вода-воздух) максимальная скорость потока наблюдается вблизи
поверхности, а минимальная - у дна. Поэтому для реальных потоков
вводится понятие средней скорости V, определяемой как та фиктивная
постоянная для всех точек живого сечения скорость потока, при
которой расход воды такой же, как и при истинном распределении
скоростей. Тогда можно записать: Q = Voo, т.е. расход потока (м3/с) в данном
сечении равен произведению площади живого сечения (м2) на среднюю
скорость в этом сечении (м/с). Это уравнение широко используется для
определения средней скорости потока
а>
2.1.2 Режимы течения
Ламинарный режим характеризуется упорядоченным парал-
лельноструйным движением без образования вихрей. Турбулентный
режим - хаотичным беспорядочным движением, когда струи постоянно
отклоняются и пересекаются друг с другом. Скорость в турбулентном
потоке непрерывно пульсирует, изменяясь как по величине, так и по
направлению. Однако несмотря на это, направление поступательного
движения всего потока остается неизменным. Скорость потока в данной
точке при этом колеблется около некоторого постоянного, не
зависимого от времени, значения - усредненной скорости й' (рис.2.3). Не следует
путать ее со средней скоростью V.
Скорость в каждый данный момент времени в заданной точке
называется мгновенной скоростью. Пульсацию продольных состав-
35
ляющих схорости течения можно описать кривой нормального
распределения, при этом выполняется соотношение и'тах - й' ~ За, где и'тах -
максимальная пульсационная
U , см/с скорость, и' - усредненная
скорость, а - среднеквадратичное
отклонение. В крупных каналах
пульсация скоростей потока в
придонной области такова, что
1 2 *• с максимальная пульсационная
Рис. 2.3. Осциллограмма пульсации скорости скорость В 1,35 - 2,15 раза
больше усредненной в данной точке. Для мелких склоновых потоков
этот вопрос исследован пока недостаточно, однако известно, что с
уменьшением глубины потока размах пульсации скорости уменьшается
(Мирцхулава, 1967).
Для измерения пульсации скоростей в потоке применяются
малоинерционные приборы высокой точности - термоанемометры.
Принцип их действия состоит в том, что интенсивность теплообмена между
потоком и введенным в него телом, а с ним и электрическое
сопротивление этого тела, зависит от скорости течения. Если через рабочий
орган термоанемометра в виде металлической нити или пленки,
помещенный в изучаемый поток, пропускать электрический ток с
известными характеристиками, то по изменению этих характеристик
(напряжения или силы тока) можно с высокой точностью судить об
изменениях (пульсациях) скорости потока.
Следует отметить, что непосредственно у твердой стенки даже в
турбулентных потоках существует весьма тонкий слой, в котором
скорости, в том числе и цульсационыые, равны нулю. Выше расположен
тонкий пристеночный слой, так называемый вязкий подслой потока,
который отличается по своим свойствам от основной толщи потока,
называемой турбулентным ядром. Долгое время считали, что в пределах этого
слоя движение является ламинарным, и пульсации скорости в нем
отсутствуют, однако в настоящее время установлено, что пульсации скорости
и давления все же передаются и в вязкий подслой.
Показателем степени турбулентности является безразмерное
число Рейнольдса Re, определяемое по формуле
VH
Re= ,
где Н - глубина потока, м; V- скорость течения, м/с; у -
кинематическая вязкость (при г = 20°С для воды r= 10~6 ь?/с).
#ik{\^
36
/>о'
где ц - динамическая вязкость жидкости (коэффициент внутреннего
трения), рь - ее плотность. Плотность жидкости и ее вязкость
уменьшаются при повышении температуры. Например, при изменении
температуры воды от 0 до 100° ее плотность уменьшается на 4%, а вязкость -
примерно в 6 раз. В связи с этим вязкость воды существенно меняется (в
2,4 раза) даже в интервале колебаний температуры естественных
потоков (от 0 до 30°С). Иначе ведут себя газы. Так, плотность воздуха при
нормальном атмосферном давлении с увеличением температуры от 0 до
80° уменьшается на 18% (как и воды, но более заметно), а вязкость,
наоборот, увеличивается: динамическая (//) - в 1,8, а кинематическая {v) -
в 1,6 раза.
Для потоков с открытой водной поверхностью ламинарный
режим наблюдается при Re <300, а турбулентный - при Re >600. При 300
<Re < 600 поток может быть либо турбулентным, либо ламинарным в
зависимости от шероховатости и характера русла. Турбулентность
потока имеет большое значение для развития эрозионных процессов.
Частицы почвы отрываются от поверхности в результате воздействия струй
воды с высокими мгновенными значениями скорости, соответствующими
максимальным пульсациям скорости потока. Кроме того, под действием
длительной пульсирующей нагрузки со стороны потока на почвенные
частицы происходит постепенное ослабление внутри- и межагрегатного
сцепления, которое в результате приводит к снижению противоэрозион-
ной стойкости почвы или грунта. Пульсацию скорости в турбулентных
потоках учитывают путем введения соответствующего коэффициента в
уравнение критической скорости потока, который будет рассмотрен в
разделе о критических скоростях потока. Следует добавить, что
большую роль в переносе частиц играют вихри, которые также формируются
в турбулентных потоках.
В природных условиях ламинарные потоки могут встречаться
лишь на хорошо задернованных склонах, где вода течет ровным слоем
малой глубины с небольшими скоростями, а также на распаханных
склонах в начальной фазе снеготаяния, когда талая вода испытывает на
своем пути сопротивление снега. Фильтрационные потоки также
характеризуются ламинарным режимом ввиду малого диаметра пор и
незначительной скорости. Турбулентное же движение преобладает в текущих
водах и в атмосфере, с ним и связаны процессы водной и ветровой
эрозии.
37
2.1.3 Закономерности движения жидкости
Значительная роль в ламинарном движении жидкости
принадлежит ее вязкости. Именно благодаря вязкости формируется непрерывное
скоростное поле потока, а также происходит поглощение части
механической энергии потока и переход ее в тепловую, т.е. диссипация
энергии, которая является источником гидродинамического сопротивления.
Основное уравнение теории вязкого потока жидкости,
установленное Ньютоном, показывает, что при стационарном движении
действующая сила F уравновешивается силами внутреннего трения
жидкости:
„du
F = /<S—,
dh
где S - величина поверхности сдвига, ц - коэффициент внутреннего
трения, и - скорость потока, h - расстояние от дна. Введя касательное
напряжение трения т = F/S, имеем:
du
z = ju—. B.1)
dh
Следует отметить, что уравнение B.1) справедливо лишь для
"ньютоновских" жидкостей (к которым относится вода и другие обычные
жидкости - глицерин, масло, нефть и др.). Для суспензий с большим
количеством твердых частиц (неньютоновских жидкостей) движение
начинается лишь при достижении некоторой величины касательного
напряжения (напряжения сдвига, г0). Математически это выражается
следующим образом
du
r = /a— + r0. B.2)
dh
Рассмотрим случай равномерного течения жидкости по очень
широкому прямоугольному руслу, наклоненному под углом а к
горизонту. На столб жидкости, имеющий основанием единицу поверхности
русла, действуют две противоположно направленные силы, параллельные
дну.
1. Составляющая силы тяжести, F = Р Sina. Вес столба воды,
приведенньш к единице поверхности дна (Р) окажется равным pogH, где
Ро - плотность воды, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; Н -
глубина потока, м. Тогда, обозначив Sina через /, получим: F = pogHI.
2. Сила внутреннего трения жидкости (г, Н/м2).
Поскольку рассматривается равномерное движение жидкости,
эти силы можно приравнять. Тогда получим:
PogHI = т. B.3)
38
Известно, что при ламинарном движении жидкости сила
внутреннего трения прямо пропорциональна динамической вязкости и
отношению средней скорости потока V к его глубине в первой степени.
Следовательно , можно записать: pogHI = 3/uV/H или
V = ^t. B.4)
3v
где v - кинематическая вязкость (м^/с). Полученная зависимость носит
имя французского ученого Пуазейля.
При турбулентном режиме течения жидкости сопротивление
прямо пропорционально ее плотности и средней скорости в квадрате, из
чего следует:
PogHI = ApoV2, B.5)
где А - безразмерный коэффициент.
Если обозначить в формуле B.5) yjg/A через С, то получим
формулу Шези:
V = СШ , B.6)
которая при Н ~ R принимает вид:
V = Cy[RJ,
где V - средняя скорость потока, м/с; С - коэффициент Шези, м°'5/с;
R - гидравлический радиус, м; Я - глубина потока, м; / - Sina, где а -
угол наклона водной поверхности, который при равномерном движении
равен углу наклона склона; при малых значениях а в целях упрощения
экспериментального определения величины / принимают Sina » tga « /.
Оба уравнения (Пуазейля и Шези) описывают равномерное движение
потока глубиной Н при уклоне водной поверхности /, однако их
структура резко различается. В первом случае глубина возведена в квадрат, во
втором - в степень 0,5 и, следовательно, в первом случае ее влияние
гораздо больше, чем во втором. Далее, уклон в уравнении B.4) стоит в
более высокой степени, чем в B.6) и, наконец, в уравнении Пуазейля
скорость движения зависит от вязкости, а в уравнении Шези - не зависит.
Дело в том, что в турбулентных потоках кроме молекулярной вязкости
появляется так называемая турбулентная вязкость (гт), обусловленная
перемешиванием жидкости, приводящим к возникновению
дополнительных сил сопротивления на поверхности взаимодействия слоев. Полное
касательное напряжение трения (гп), выражается следующим уравнением
гп = гт+ т.
Поскольку первый член уравнения гораздо больше второго, можно
записать гп « г-р.
Для расчета коэффициента Шези используют ряд эмпирических
формул. Наиболее простая из них - формула Маннинга:
39
nl/б
С = ^—, B.7)
где Им - коэффициент шероховатости. Более сложная - формула
Павловского (сокращенная):
С = при R< 1 м. B.8)
Формула Маннинга является частным случаем формулы Павловского
при пп = 0,012.
Эти формулы применяются чаще всего для расчета скорости
движения воды в каналах, а также во временной оросительной сети
(временных оросителях, выводных и поливных бороздах). Для расчета
скорости движения потоков на склонах при дождях и снеготаянии
преимущественно применяется формула Базена:
87
С =
1+-^
где пБ - коэффициент шероховатости.
с = 87Я1/2 при R1'2 «мБ. B.9)
"Б
Размерность в формулах B.7) - B.9) та же, что и в формуле Шези B.6).
Применительно к склоновым потокам, у которых ширина
значительно больше глубины, гидравлический радиус R потока в формулах
B.7) - B.9) можно заменить на его глубину Я.
2.1.4 Коэффициент шероховатости поверхности
Величина коэффициента шероховатости определяется
величиной выступов на дне и стенках русла, формой русла в плане, наличием в
нем растительности и других источников местных сопротивлений.
Значение коэффициента шероховатости можно рассчитать по формулам
B.6) и B.7) или B.8), B.9), измерив среднюю скорость потока,
гидравлический радиус и уклон водной поверхности.
Для прямых незаросших и незасоренных русел коэффициент
шероховатости (ип), естественно, связан тесной зависимостью с
величиной выступов шероховатости. Эта зависимость имеет вид:
„п = 0,044/31/б, B.10)
где А - высота выступов шероховатости, м.
Коэффициент шероховатости характеризует шероховатость,
создаваемую равнозернистыми или разнозернистыми грунтами,
формирующими ложе потоков, равномерно распределенную по их длине. Для по-
40
Растительность
Редкая
Средняя
Густая
Значение Пр/П при hp /H
0,2 - 0,5
1,3 - 2,0
1,5 -2,7
1,6 - 3,0
0,5- 1,0
2,0 - 2,5
2,7 - 7,4
3,0 - 30,0
ТОКОВ На СКЛОНаХ актуальным ЯВЛЯеТСЯ Таблица 2.1
ВОПРОС О ДОПОЛНИТеЛЬНЫХ ИЛИ Так НазЫ- Веяние растительности на коэф-
_ фициент шероховатости
ваемых местных сопротивлениях. В
природных условиях источники местного
сопротивления в большинстве случаев
рассредоточены в русле беспорядочно. К
ним относятся: массивные выступы,
донные гряды и сельскохозяйственные
растения. Именно растения являются основным источником местных
сопротивлений и причиной увеличения коэффициента шероховатости.
Степень его увеличения,
характеризуемая величиной отноше- Пп
ния коэффициентов шерохова- ~ ffi
тости при наличии раститель- ' , -^ ^
ности и в ее отсутствие, пр/п, 0.03 •
зависит от густоты раститель-
ности и доли глубины потока,
занятой ею, hP/H (табл.2.1).
В соответствии с
формулой B.10) коэффициент
шероховатости прямых неза-
росших русел зависит только от величины выступов. Однако эта
зависимость справедлива лишь при достаточно высоких скоростях потока. При
Таблица 2.2
Коэффициент шероховатости поверхности склонов в формуле Павловского Пп и
показатель шероховатости Пъ в формуле Базена
■ — — -г
г
0.1 0,2 0,3 V. м/с
Рис. 2.4. Зависимость коэффициента
шероховатости (пп) от скорости потока (V) при 0,14
мм<Л<0,25 мм A), 4 мм£А£б мм B)
Характеристика поверхности склонов
Поливные борозды с прямым, чистым и гладким ложем
Такие же борозды, недостаточно спланированные; сравнительно прямые
и ровные русла водотоков
Борозды в междурядьях пропашных культур вдоль склона; ровные
склоны без дерна; сравнительно ровные и прямые промоины на склонах и
по дну оврагов
Пашня после культивации; промоины на склонах и по дну оврагов с
неровным дном, извилистые, засоренные породой и растительностью;
русла балок, заросшие растительностью, без промоин
Заросшие борозды в междурядьях пропашных культур вдоль склона;
выгон с редкой травой
Выгон со скошенной травой средней густоты; зерновые
Выгон с нескошенной травой средней густоты
Выгон с густой травой; двухлетняя густая трава
Кочковатая заросшая поверхность, очень густая трава
Пи
0,025
0,030
0,033
0,040
0,050
0,067
0,080
0,100
0,133
Лб
1,25
1,50
1,75
2,75
3,75
5,50
7,0
9,0
12,0
41
малых скоростях коэффициент шероховатости зависит не только от
величины выступов, но и от скорости потока (рис.2.4):
пп = 0,05^0Д? + 0,0652e~10'65V, B.11)
где е - основание натурального логарифма, V - средняя скорость
потока, м/с, а остальные обозначения прежние.
Более высокие значения коэффициента шероховатости при
малых скоростях потока обусловлены, по-видимому, тем, что в этом случае
каждый выступ в полной мере проявляет свое тормозящее действие,
тогда как при больших скоростях часть из них попадает в "гидравлическую
тень" более крупных выступов шероховатости. Данные по
коэффициентам шероховатости реальных склоновых потоков весьма
немногочисленны, часть из них представлена в табл.2.2.
2.1.5 Распределение скоростей водного и воздушного потоков по
вертикали
Ламинарный и турбулентный потоки
различаются по характеру вертикального
распределения продольных скоростей потока.
При ламинарном режиме движения скорость
постепенно уменьшается от поверхностных
слоев к глубинным за счет трения слоев
жидкости друг о друга. В турбулентных потоках
распределение продольной скорости «h
описывается криволинейной зависимостью,
причем максимум скорости потока также
наблюдается вблизи поверхности потока, а минимум - у дна (рис. 2.5). Однако
в турбулентном потоке, в отличие от ламинарного, происходит
выравнивание скоростей в значительной толще потока, и лишь в нижних слоях
скорость падает резко. На рисунке треугольниками обозначены выступы
геометрической шероховатости высотой Л на дне потока. Скорость
потока на уровне выступов шероховатости называется донной скоростью
и обозначается ил.
Для практических расчетов, связанных с распределением
продольных скоростей водного потока по вертикали, используются
эмпирические формулы степенного и логарифмического вида. Наиболее
простая из них имеет вид:
-
h
■
и
пов _
Uh 7
.*./
н
uU
Рис. 2.5. Профиль продольной
скорости в турбулентном
потоке
»-vt
0,17
B.12)
где иь - скорость потока на расстоянии h от дна; V - средняя скорость
потока; Я - глубина потока.
42
Эта формула является частным случаем более общей
зависимости вида
где х изменяется от 1/6 до 1/3 при изменении относительной
шероховатости русла (А/Н) от величины порядка тысячных и сотых долей до
десятых.
Широко используется также несколько более сложная формула,
так называемая логарифмическая зависимость Гончарова, которая
записывается следующим образом:
1,25 V
ИЛ
lg
Ю'
Если заменить Я на А, то получатся следующие соотношения
донной и средней скоростей потока:
\х
«<.-(*+О v(£) •
ил~—7 77\- B.13)
4157
В реальных склоновых потоках профиль скоростей часто
бывает деформирован в результате влияния местных сопротивлений, однако
соотношение донных и средних скоростей при этом сохраняется.
В потоках с песчаным дном величина выступов шероховатости
обусловлена диаметром частиц. Если представить, что песчинки одного
и того же диаметра лежат ровным слоем, тесно соприкасаясь друг с
другом, то величина выступов шероховатости окажется равной половине
диаметра частил. Однако в природных условиях для дна рек справедливо
следующее соотношение: А - 0,7d, где d - средний диаметр песчинок.
Для русел потоков, текущих по поверхности почвы, шероховатость
обусловлена размером водопрочных агрегатов почвы, так как
неводопрочные - быстро разрушаются в потоке воды. При этом вьшолняется
подобное же соотношение _
А = 0,7 d,
где d - средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов, найденный
по результатам структурного анализа почвы по методу Саввинова
("мокрое" просеивание).
-^d,Px+d2P2+...+dnPn
100
43
где d\, йъ ..., dn- средний диаметр агрегатов данной фракции;
Ръ Ръ ■■•> Рл- весовое содержание фракции в почве, %.
В основу практических расчетов, связанных с распределением
усредненных продольных скоростей воздушного потока (далее просто —
скоростей) по вертикали, применяют логарифмическую зависимость, в
которой для обозначения высоты принято использовать букву г:
hz=— In —, B.14)
X *о
где иг - скорость ветра на высоте г , м/с;
X - безразмерная постоянная Кармана, равная 0,4;
v. - величина, имеющая размерность скорости, так называемая
"динамическая скорость", м/с.
v* =
где г - касательное напряжение трения, Н/м2;
ро- плотность воздуха, кг/м3;
Zo — расстояние от поверхности почвы, на котором скорость воздушного
потока предполагается равной нулю, м. Оно, очевидно, связано с
высотой неровностей на поверхности: чем выше неровности, тем
сильнее тормозится поток, тем больше го- В связи с этим величину zq
назвали параметром шероховатости почвенной поверхности.
Записав выражение B.14) для двух скоростей ветра, иг\ и и^, на
высотах z\ и гг и разделив, соответственно, левые и правые части
полученных уравнений, получим
^ = —1^. B.15)
% кД
г0
Используя это уравнение, легко найти скорость ветра на любой высоте
uzi, если известны скорость на высоте флюгера ид, и параметр
шероховатости (го). Высота флюгера обычно 10 м.
Поскольку параметр шероховатости является характеристикой
аэродинамического сопротивления поверхности, следует ожидать его
зависимости от величины и взаимного расположения выступов на этой
поверхности. Опытами многих авторов в аэродинамических трубах, а
также измерениями в натурных условиях найдена зависимость параметра
шероховатости от характеристик поверхности, обтекаемой воздушным
потоком. Так, в случае плоской поверхности, покрытой одинарным сло-
44
и-,п/с
1
&,2
О 1 2Uz>M/c -3 -1 О
Рис. 2,6. Зависимость скорости ветра (иг) от высоты (z)
ем песчинок одинакового размера д при максимальной плотности их
расположения на этой плоскости, зависимость имеет вид:
г0 -—д.
30
В случае неоднородной по форме поверхности, каковой обычно
является поверхность почвы, зависимость сильно усложняется. Если на
поверхности почвы нет растительности, то величина параметра
шероховатости укладывается в диапазон:
6 д
— <z0<-.
100 5
где S - высота выступов на поверхности почвы, представленных
почвенными агрегатами, гребнями борозд и выбросами землероев.
Для экспериментального определения величины го наносим на
график (рис.2.6,а) результаты
синхронного измерения скоростей ветра на
разных высотах. В координатах z и иг
получится логарифмическая кривая,
описываемая уравнением 2.14. Если те
же данные нанести в координатах lnz
и Hz, получим прямую, пересекающую
ось lnz в точке lnz0 (рис.2.6,б). При
этом тангенс угла а оказывается рав-
НЬШ V. /%.
Если на поверхности почвы имеется растительность, то над ней
логарифмический профиль для скорости ветра также выполняется,
однако величина параметра шероховатости Zo в этом случае зависит от
высоты растений. По данным ряда авторов величина zo в 7-300 раз меньше
средней высоты растений. Столь большой разброс значений коэффици-
Таблица 2.3
Параметр шероховатости разных видов
земной поверхности
Вид поверхности
Поверхность пустыни
Снежная поверхность
Скошенная трава, пашня
Пшеничное поле
Трава высотой до 60 см
Лес, парк (деревья до 10 м)
Zo, см
0,03
0,05 - 0,1
1
5
4-9
20- 100
45
ента указывает на то, что параметр шероховатости зависит не только от
высоты растений. Он, очевидно, должен зависеть и от полноты
насаждения, его формы, определяемой биологическим видом растительности, ее
возрастом (или фазой развития). Значения параметра го для некоторых
видов поверхности, в том числе занятой растительностью, приведены в
табл.2.3.
2.2 Формирование стока поверхностных вод
2.2.1 Понятия - водораздельная линия, водосборная площадь,
бассейн
Водораздельной линией (или водоразделом) называется линия,
проходящая по наивысшим точкам местности (рис. 2.7). От водораздела
поверхностные воды стекают в разные стороны. Площадь, ограниченная
водораздельной линией, называется водосборной площадью или
водосбором. Грунтовые воды, хак и поверхностные, стекают в данный
водоем с определенной площади, называемой водосбором грунтовых вод. Он
также ограничен водораздельной линией, проходящей по наивысшим
точкам водоупорного слоя грунта, однако выявить ее бывает трудно. В
связи с этим в гидрологии введено понятие "бассейн", под которым
понимают площадь, с которой стекают и поверхностные, и грунтовые
воды. Эта площадь приравнивается к площади водосбора поверхностных
вод, при этом пренебрегают несовпадением водораздельных линий этих
водосборов.
Чтобы очертить на топографической карте (рис.2.7) водосбор
оврага или балки, необходимо провести линию из точки В замыкающего
створа, перпендикулярную горизонталям и проходящую между
одноименными горизонталями, и замкнуть ее на другом конце замыкающего
створа в точке А. Очевидно, что величина водосбора зависит от
положения выбранного створа. Чем ближе он расположен к вершине оврага
или балки, тем меньше водосборная площадь.
2.2.2 Элементы баланса воды для бассейна
Уравнение водного баланса для бассейна за данный промежуток
времени можно записать следующим образом:
х = у + а + Ъ,
где х - объем выпавших осадков, у - объем поверхностного стока, а -
объем воды, пошедшей на испарение и трансшрацию, Ъ - объем воды,
пошедшей на изменение запаса воды в бассейне (изменения уровня груи-
46
товых вод, объема водоемов, влажности почвы). Дня многолетнего
периода b стремится к нулю, поэтому можно записать:
х «у + а.
Разделив обе части равенства на х, получим
1*A + ylx.
Отношение объема стекшей воды у к объему выпавших осадков
х называется коэффициентом стока <т
а = ylx.
Отсюда следует, что сг« 1 — alx, т.е. с увеличением объема
выпадающих осадков увеличивается и коэффициент стока. Однако при
постоянном количестве осадков коэффициент стока зависит, главным
образом, от водопроницаемости почв и грунтов. Обычно тяжелые по
гранулометрическому составу почвы менее проницаемы, чем легкие. Почвы
с уплотненными горизонтами отличаются низкой водопроницаемостью.
Большое значение для
водопроницаемости ПОЧВ 100 loo
имеет водопрочность их
структуры, зависящая от „
содержания и
качественного состава гумуса,
состава обменных
оснований и других факторов.
Растительность также
оказывает многообразное
влияние на
водопроницаемость. ЕСЛИ вялзеш1ЯЯ Р"с 2.7. Водораздельная линия и водосборная площадь
оврага
часть растении
предохраняет поверхность почвы от разрушения прямыми ударами дождевых
капель, то корневая система повышает водопрочность структуры почвы, а
после отмирания оставляет в почве пустоты, по которым вода быстро
проникает в глубь почвенного профиля. В связи с этим почвы, покрытые
лесом, обладают исключительно высокой водопроницаемостью. Для
обрабатываемых почв большое значение имеет глубина, направление и вид
обработки. Влияние некоторых из перечисленных факторов отражено в
табл. 2.4.
Величина коэффициента стока зависит также от крутизны
склона. Чем круче склон, тем больше скорость стекания и,
следовательно, меньше время взаимодействия почвы с каждой данной порцией воды.
Поэтому с увеличением крутизны склона коэффициент стока возрастает.
Величина коэффициента стока зависит и от длины склона. Ее
увеличение при прочих равных условиях приводит к уменьшению
47
Таблица 2.4
Коэффициент стока сгдля разных почв при дождях (по данным II И, 1979)
Почвы
Дерново-аодэолистые я серые лесные;
смытые суглинистые черноземы
Черноземы обыкновенный и южный,
каштановые почвы ва ле'ссах,
карбонатные почвы, а также другие почвы
значительной задернованноств
Бурые н серо-бурые
пустынно-степные почвы, сероземы супесчаные и
песчаные
Суточный слой осадков, мм
£80
0,35
0,20
0,15
100
0,37
0,24
0,19
120
0,40
0,28
0,23
140
0,43
0,33
0,27
160
0,47
0,37
0,31
180
0,51
0,42
0,34
200
0,55
0,46
0,37
250
-
0,50
0,45
Таблн ца 2.5
Коэффициент весеннего стока дав
некоторых районов России
Районы
Центральный
Центральночерноземный
Поволжский
Озимые
0,5-0,8
0,5-0,75
0,4-0,6
Зябь
0,4-0,6
0,3-0,5
0,1-0,3
Многолетние травы
0,6-0,85
0,6-0,8
0,5-0,7
(редуищи) стока прежде-всего в связи с увеличением доли поверхности,
занятой водой и участвующей во
впитывании. Это явление можно
наблюдать на склонах, покрытых
естественной растительностью. На
распаханных склонах картина может
быть иной в связи со слиянием
струй по мере удаления от
водораздела.
Водопроницаемость почвы
при весеннем стоке зависит, главным образом, от количества свободных,
не занятых льдом, крупных пор. Это, в первую очередь, определяется
исходной пористостью почвы, ее влажностью в предзимний период и
погодными условиями зимы, в частности, наличием или отсутствием
зимних оттепелей. Водопроницаемость почвы окажется наименьшей, а
коэффициент стока наибольшим, если поздней осенью непосредственно
перед наступлением холодов выпадали дожди, а зима прерывалась
глубокими оттепелями. В табл. 2.5 приведены ориентировочные значения
коэффициента стока для некоторых районов европейской части России.
2.23 Показатели, используемые для описания стока
Объем воды, стекшей с определенной водосборной площади за
какой-либо отрезок времени, называют суммарным объемом стока М и
выражают в литрах, кубических метрах или километрах. Сток с
бассейна за одну секунду называется расходом стока Q. Толщина слоя
воды, которая накопилась бы на поверхности почвы, если бы сток
отсутствовал, а все остальные элементы водного баланса остались бы
прежними, называется слоем стока h и измеряется в миллиметрах. Для на-
48
ХОЖДеНИЯ СЛОЯ СТОКа Необходимо суммарный Таблица 2.6
Объем СТОКа М (М3) раЗДеЛИТЬ На ПЛОЩаДЬ ВО- Коэффициент К перехода
ДОСООра F (Км ): к слою стока заданной
М обеспеченности
Л = .
F1000
Расход воды Q (м3/с) с единицы
водосборной площади F (км2) называется модулем
стока д. Он выражается в л^с-км2):
Q 1000 М1000
q = , q = ,
F FT
где Г - продолжительность стока, с. Отсюда
ft 1000
* = —^~~ ■
Т
Среднее многолетнее значение стока
называется его нормой и может выражаться
его средним расходом, средним слоем и
средним модулем. Поскольку наиболее удачным для
картографирования является модуль стока, его
величину, отнесенную к центру тяжести
водосборных площадей, наносят на карту и
вычерчивают карту изолиний норм стока. По такой
карте легко определить средний многолетний
объем годового стока с водосборной площади.
2.2.4 Изменчивость стока
При проектировании противоэрозионных мероприятий
недостаточно знать средние показатели стока, так как при расчете на средние
значения противоэрозионные мероприятия не справятся с задержанием
или безопасным сбросом стока в те годы, когда он достигнет
максимальных величин. Поэтому противоэрозионные мероприятия
рассчитывают на максимальный сток, который может встретиться один раз в
некоторое число лет, т.е. вводится понятие обеспеченности стока (или
вероятности превышения). Обеспеченностью стока называется частота
появления стока расчетной величины (или повышающей расчетную) в
течение длительного промежутка времени. Обеспеченность принято
выражать в процентах. Если сток бьшает не менее заданной величины раз
в 10 лет, то обеспеченность составляет 10%, если 5 раз в 100 лет - 5%
и т.д. Если имеется ряд наблюдений, то для расчета обеспеченности
любого члена гидрологического ряда следовало бы имеющиеся величины
расположить в убывающем порядке и воспользоваться формулой
4 Эрозия и охрана почв
49
с.
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,20
1,30
Обеспеченность, %
1
1,83
1,99
2,16
2,33
2,51
2,70
2,89
3,09
3,29
3,50
3,71
3,92
4,15
4,38
4,61
4,83
5,05
5,53
6,02
5
1,54
1,64
1,74
1,84
1,94
2,04
2,15
2,25
2,36
2,46
2,57
2,67
2,78
2,89
3,00
3,11
3,22
3,40
3,60
10
1,40
1,47
1,54
1,60
1,67
1,74
1,80
1,87
1,94
2,00
2,06
2,12
2,19
2,25
2,30
2,35
2,40
2,50
2,57
20
1,24
1,28
1,31
1,35
1,38
1,41
1,44
1,47
1,50
1,52
1,54
1,56
1,58
1,59
1,61
1,62
1,63
1,63
1,62
р = —100%,
и
где р - обеспеченность в %, т - порядковый номер числа в убывающем
раду, п - общее число членов ряда. Следовательно, обеспеченность
последнего (наименьшего) члена ряда всегда окажется 100%. Однако при
продолжении наблюдений и увеличении числа членов ряда могут
появиться еще меньшие величины, поэтому вероятность 100% не реальна.
В связи с этим для расчета вероятности превышения гидрологических
величин рекомендована следующая формула:
/? = -—100%.
п + 1
При проектировании гидротехнических противоэрозионных
мероприятий выбирается вероятность превышения 5-10%,
лесомелиоративных и агротехнических - 30-25%.
Для расчета объема и расхода стока заданной обеспеченности
необходимо иметь их среднемноголетние величины и коэффициент
вариации стока. Коэффициентом вариации Cv какой-либо величины
называется отношение ее среднеквадратичного отклонения а к среднему
арифметическому значению М:
_f__j_ I(mi-mJ+(м2-мJ+-+(м„-мJ
М М У " и - 1
Далее, пользуясь табл. 2.6, легко найти коэффициент пересчета
к среднемкоголетаих величин в величины данной обеспеченности:
Мр% - к М,
где Мр% - гидрологическая величина обеспеченности Р%,
М - среднемкоголетняя величина,
Очевидно, что чем меньше выбранная обеспеченность, тем
больше величина к, так как редко встречающиеся величины
максимального стока окажутся большими, чем встречающиеся чаще. Величина
коэффициента к возрастает также с увеличением коэффициента вариации
(см. табл. 2.6). Это связано с тем, что чем больший разброс
гидрологической величины имеет место, тем большим окажется ее максимальное
значение ( и меньшим - минимальное).
2.2,5 Расчет максимальных объемов талого и ливневого стока
заданной обеспеченности
Объем талого стока при отсутствии данных наблюдений
рассчитывают по формуле
WTP% = 1000 hTP% F,
50
Рис. 2,8. Карта изолиний средних слоев стока h , приведенных к условиям типичного и
обыкновенного черноземов: А - с зяби; Б - с уплотненной пашни (озимые, травы, стерня)
raeWp% - объем талого стока вероятности превышения Р%, м3;
hp%~ слой стока за период весеннего половодья вероятности
превышения Р%, мм;
F - площадь водосбора, км2.
Существует несколько методик расчета hj>%- Наиболее удобна
при проектировании противоэрозионных мероприятий методика ВНИИ-
ЗиЗПЭ (Методические рекомендации..., 1985). Она наиболее полно
учитывает влияние генетического типа и гранулометрического состава
почв, плотности пахотного горизонта, а также экспозиции склона на
формирование весеннего стока. Расчет слоя весеннего стока заданной
вероятности превышения Р% проводится по формуле
hp% = h Kn ^э.с т^э Кр%,
,т „
где h - среднемноголетнии слои стока, приведенный к условиям несмы-
того типичного и обыкновенного средне- и тяжелосуглинистого
черноземов и определяемый по картам изолиний средних слоев
весеннего стока отдельно с зяби (рис. 2.8, Л) и уплотненной пашни
(занятой озимыми, многолетними травами, стерней) (рис. 2.8,Б).
Кэ - коэффициент, учитьшающий экспозицию склона (табл. 2.7);
Ки - поправочный коэффициент к среднему слою стока для различных
почв (табл. 2.8);
51
Таблица 2.8
Поправочные коэффициенты к среднему аескмнему слою стока для различных почн Кг.
Наименование почв | Зябь | Увлотненвая пашня
Средне- и тяжелосуглинистые почвы
Черноземы мощные и тучные
Черноземы выщелоченные, типичные, обыкновенные,
южные и каштановые почвы
Черноземы оползоленные
Темво-серые лесные
Серые лесные и дерново-карбонатные
Светло-серые лесные
Дерново-подзолистые
0,90
1,00
1,05
1,08
1,12
1,18
1,20
0,95 1
1,00
1,03
1,03
1,05
1,10
1,10
Легкосуглинистые
Дерново-подзолистые и серые лесные почвы лесной зоны
Серые лесные и черноземные почвы северной лесостепи
Черноземы и каштановые почвы южной лесостепи и степи
0,90
0,95
1,00
0,95
0,95
0,95
Супесчаные и песчаные
Дерново-подзолистые и серые лесные почвы лесной зоны
Серые лесные и черноземные почвы северной лесостепи
Черноземы и каштановые почвы южной лесостепи и степи
0,50 1 0,60
0,80 | 0,75
1,00 | 0,85
Глинистые, щебнистые суглинистые
Дерново-подзолистые и серые лесные почвы лесной зоны
Серые лесные и черноземные почвы лесостепи
Черноземы и каштановые почвы степной зоны
1,20
1,25
1,30
1,10
1,15
1,20
&э.ст - коэффициент, характеризующий влияние степени смытости
почвы на сток талых вод (табл. 2.13);
Кр% - коэффициент перехода от средяего слоя стока к слою нужной
обеспеченности (табл. 2.9, 2.10).
Введение коэффициента, учитывающего свойства почв (Ап).
связано с тем, что на картах (см. рис. 2.8 А,Б) даны изолинии средних
слоев весеннего стока, приведенных к условиям типичного и
обыкновенного средне- и тяжелосуглшшстого черноземов. Поэтому почвы с мень
шим содержанием гумуса s салу меньшей водопрочности структуры и,
следовательно, водопроницаемости характеризуются поправочным ко-
Для почв того же
генетического типа или
подтипа, но более легкого
гранулометрического
состава поправочный
коэффициент принимает
значения, не превышающие
единицы. Это объясняется
более высокой водопрони-
эффициентом, превышающим единицу.
Таблица 2.7
Поправочный коэффициент к слою весеннего стока
для склонов южной экспозиции А'э при
проектировании гидротехнических сооружений
Выраженность асимметрии
противоположных склонов
Слабая а умеренная
Резка»!
Рассеивающие водосборы
Обеспеченность стока, %
10 _j
0,83
0,74
0,83
25
0,80
0,70
0,80
50
0,75
0,62
0?75
52
Таблица 2.9
Коэффициент перехода от средней величины стока с зяби х стеку различной
обеспеченности Кръ
Почвы
Черноземы и каштановые
Черноземы
Церново-карбонатные
Черноземы
Серые лесные, дерново-карбонатные
Черноземы
Серые лесные
Черноземы
Серые лесные
Черноземы
Серые лесные
Черноземы
Серые лесные, дерново-подзолистые
Черноземы
Серые лесные, дерново-подзолистые
йт, мм
(рис. 2.8,4)
3
4
6
8
10
15
20
20
25
25
30
30
35
35
40
40
45
45
50
50
Обеспеченность стока, %
5
6,79
6,53
6,10
5,68
5,25
4,77
4,28
4,24
3,93
3,89
3,58
3,55
3,29
3,27
3,00
2,98
2,75
2,74
2,51
2,50
10
4,22
4,11
3,90
3,70
3,50
3,49
3,47
3,67
3,06
3,23
2,65
2,80
2,48
2,62
2,31
2,44
2,16
2,29
2,01
2,13
25
0,86
0,91
1,02
1,14
1,25
1,35
1,44
1,54
1,45
1,55
1,46
1,56
1,51
1,61
1,55
1,66
1,60
1,71
1,65
1,76
50
0
0
0
0,17
0,33
0,31
0,29
0,29
0,47
0,47
0,63
0,63
0,76
0,76
0,88
0,88
1,08
1,05
1,27
1,23
50
0
0
0
0
0
0
0
0
0,04
0,05
0,08
0,10
0,08
0,09
0,07
0,09
0,06
0,08
0,06
0,08
цаемостью легких почв. В случае глинистых и щебнистых почв
поправочный коэффициент больше единицы поскольку такие почвы
характеризуются пониженной водопроницаемостью.
Коэффициент Кц учитывает не все свойства почв. Влияние
степени смытости почвы на слой весеннего стока учитывается путем
введения еще одного коэффициента, Кэ. ст- В связи с меньшей
водопроницаемостью смытых почв коэффициент Кэ. ст возрастает от 1 для несмытых
аочв до 1,05; 1,12; 1,18 и 1,25, соответственно, для слабо-, средне-,
сильно- и очень (или весьма) сильносмытых почв (табл. 2.13).
Влияние экспозиции склона на величину слоя весеннего стока
связано с изменением запасов воды в снеге на склонах разной
экспозиции. В центре Русской равнины в зимний период преобладают южные
вегры, в связи с чем на наветренных южных склонах, особенно в их
нижних частях, снега накапливается меньше, чем на подветренных
северных склонах.
Влияние коэффициента вариации (С) на величину Кр%
осуществляется не прямо, а опосредованно - через слой стока (ftT), связанный
обратной зависимостью с коэффициентом вариации. Действительно,
найОольшие значения коэффициента вариации слоя весеннего стока
53
Таблица 2.10
Коэффициент перехода от средней величины стока с уплотненной пашни к стоку pas-
личной обеспеченности Кръ
Почвы
Черноземы н каштановые
Черноземы, серые лесные и дерново-
карбовагньге
Серые лесные и дерново-подзолистые
А? мм
(рис. 2.8,Е)
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
S5
Обеспеченность стока, %
5
3,00
2,93
2,86
2,79
2,72
2,65
2,59
2,53
2,57
2,70
2,82
2,67
2,55
2,40
2,33
2,26
10
2,48
2,4!
2,34
2,27
2,21
2,15
2,09
2,04
2,35
2,27
2,18
2,20
2,22
2,20
2,18
2,16
25
1,65
1,63
1,62
1,60
1,59
1,57
1,56
1,55
1,82
1,72
1,61
1,66
1,72
1,78
1,83
1,88
50
1,02
1,00
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,89
0,77
0,80
0,83
0,84
0,85
0,86
0,87
0,88
80
0,05
0,07
0,09
0,12
0,16
0,22
0,28
0,34
0,22
0,25
0,27
0,26
0,25
0,24
0,23
0,22
A,0-1,2) отмечаются для районов Кубани и юга Украины, где средний
слой весеннего стока - наименьший C-7 мм) на зяби. И наоборот,
наименьшие значения коэффициента вариации @,35-0,40) характерны для
некоторых центральных районов России (например, г. Москвы), где
средний слой весеннего стока с зяби составляет около 60 мм.
Вопросы снеготаяния и формирования талого стока более
подробно рассматриваются в гл. 3.
Объем стока при дождях (ливневого стока) рассчитывается так
же, как и объем талого стока:
WnP% = 1000 hjh F,
где1Ур% - объем ливневого стока вероятности превышения Р%, м3;
h%%- сл°й дождевого стока вероятности превышения Р%, мм;
Таблица 2.11
Значение переходного коэффициента X р%
Номер района
на рис. 2.10
I
II
III
2
Площадь водосбора, F, км
>0
50-10
10-1
< 1
50- 10
< 10
При вероятности превышения, %
/
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
5
0,69
0,60
0,50
0,46
0,44
0,40
10
0,55
0,42
0,34
0,30
0,26
0,23
25
0,36
0,22
0,15
0Д2
0,10
0,08
54
Рис. 2.9 Карта суточных слоев осадков однопроцентной обеспеченности за теплый период
(Н\%, мм)
F - плошадь водосбора, км2.
Для расчета hp% в настоящее время используется методика
Государственного гидрологического института (ГГИ):
hp% = # 1 %Л'р%<* 1Р(г)Кэ.ст •
где Н\% - суточный слой дождевых осадков однопроцентной
обеспеченности (рис. 2.9);
Я р% - коэффициент, зависящий от географического положения
водосбора и требуемой вероятности Р% (определяют по рис. 2.30 и табл.
2.11);
Таблица 2,12
Коэффициент редукции дождевых осадков ¥(т )
Район
Равнинные области запада и центра ETC
Равнинные области Украины
Возвышенности ETC, западный склон Урала
Восток Украины, низовья рек Волги и Дона, Южный Крым
Наветренные склоны возвышенностей ETC и Северное Предкавказье
При г= 150 мин
0,65
0,70
0,73
0,74
0,79
55
Рис. 2.10 Карта районов для коэффициентов Л'р% (применительно к таблице 2.11
а - коэффициент стока (табл. 2.4); W(r ) - коэффициент,
характеризующий редукцию дождевых осадков во времени (определяют по табг»
2.12; для лесной зоны при F < 50 км2 и лесостепной и стеиной зог
при I < F < 50 км2 У(т)= 1).
Къ.ст - коэффициент влияния степени эродированности почвы на стог
дождевой воды (табл. 2.13), введенный Г.П.Сурмачем A992).
В пределах Русской равнины максимум суточных слоев осадког
A60-180 мм) приходится на территорию Молдавии, а также юп-
западной и южной частей Украины (рис. 2.9). В центральных района:
России максимум суточных слоев осадков составляет 100-120 мм и ме-
Таблица 2.13
Коэффициент влияния степени смытогтн почвы на сток , А'э.ст
Почва
Несмытая
Слабо смытая
Средне смытая
Сильно смытая
Очень сильно смытая
При слое стока дождевых вод, мм
5
1
1,02
1,08
1,18
1,28
5-10
1
1,03
1,12
1,23
1,35
11-5
1
1,05
1,16
1,28
1,42
16-20
1
1,07
1,20
1,35
1,50
21-30
1
1,09
1,24
1,40
1,58
31-40
1
1,11
1,28
1,45
1,66
41-50
1
1,13
1,32
1,50
1,75
При
снеготаянии
1
1,05
1,12
1,18
1,25
56
нее. Для перехода от однопроцентной вероятности к требуемой дана
таблица значений переходного коэффициента Л'р% в зависимости от
выбранной вероятности превышения и номера географического района,
играющего роль коэффициента вариации. Поскольку переход
осуществляется от меньшей вероятности превышения к большей, переходный
коэффициент принимает значения, меньшие единицы.
Введение коэффициента редукции осадков во времени связано с
тем, что слои осадков уменьшаются при уменьшении продолжительности
их выпадения, а расчеты по методике ГГИ проводятся при
продолжительности 150 мин. Выбор интервала времени, меньшего 1 суток, связан,
видимо, с тем, что слой стока достигает максимума при дождях
сравнительно небольшой продолжительности (см. гл. 3).
Как и в случае весеннего стока, при расчете слоя дождевого
стока вводится поправочный коэффициент, отражающий различие в
водопроницаемости почв разной степени эродированности. Отметим, что
при дождевом стоке влияние степени смытости почвы проявляется тем
сильнее, чем больше слой стока (табл. 2.13).
Следует отметить, что существуют аналогичные методы расчета
максимальных расходов талого и дождевого стока, необходимых для
расчета водопропускных и водоотводных сооружений.
2.2.6 Расчет скорости движения воды по склону
При моделировании эрозионных процессов и проектировании
противоэрозионных мероприятий необходимо уметь рассчитывать наряду
с объемом и расходом стока скорость движения воды по склону.
Интенсивные осадки в летний период и таяние снега весной вызывают
формирование в приводораздельной части склона луж и мельчайших сгруек с
малыми скоростями движения воды. Продвигаясь вниз по склону, они
сливаются в отдельные крупные струи, глубина и скорость которых
увеличиваются по мере удаления от водораздела. При дальнейшей
концентрации стока и увеличении мощности струй происходит углубление ложа
потоков и образование водороин, промоин и оврагов.
Рассмотрим, как рассчитать скорость движения воды по склону.
Пусть вода стекает сплошным тонким слоем. Выделим на склоне
длиной х ленту шириной 1 м. В период поступления осадков между двумя
смежными сечениями х и x+dx поступает г осадков в единицу времени, а
впитьюается К. Тогда для полосы единичной ширины можно записать:
dQ
— = г-ЛГ, B.19)
dx
57
где Q - расход воды. Выразим расход воды через среднюю скорость Vx
и живое сечение а/.
Q=Vxa>= Vxh-\,
где h - глубина слоя воды. Однако при концентрации стока в отдельные
ручьи глубина воды будет возрастать пропорционально уменьшению
площади склона, занятой водой
H = h —,
h
где Я - глубина воды в ручьях, F, Ft - соответственно общая площадь и
площадь склона, занятая водой. Обозначим F/Fb через т' и назовем
коэффициентом микрорасчлененности склона. Тогда получим
Q=Vx^r. B.20)
Далее, выразив Vx по формуле Шези B.6) и Базена B.9) через
глубину потока Я, уклон / и коэффициент шероховатости пъ, получим
уравнение:
87 Н I0-5
Vx = —- B.21)
МБ
Подставляем это выражение в уравнение B.20)
87Я / '5
Q
Подставляем в уравнение B.19) полученное значение Q:
174 Я/0,5 , ч
<Ш = (r-K)dx.
пьт'
После интегрирования получим
87 Я2/°'5 , Л
— = (г-к)х.
пБт
\{г-К)т'хпЛ '
9,3 Г1Ь
Подстановка B.22) в уравнение B.21) дает следующее выражение:
9,3\(r-K)xmf5i0-25
у = L^ i J _
Учитывая, что г - К = га, где а - коэффициент стока, можно записать
58
„J „ Л0,5Г0,25
9,3{rcrxm) I
Vx = _^ _^ . B.23 )
n
0,5
Б
Выразим среднюю скорость потока через донную
Vx = Улх ,
\Л)
и, подставив в это уравнение значения Vx и Я, приведенные выше, в
результате получим
133(r<r*m')°'42/0'29/'17
^=——-ш • <2-24)
где J - высота выступов шероховатости поверхности склона. Значение
коэффициента микрорасчлененности склона т' выбирается в
зависимости от выровненности склона и направления обработки:
т'= 2,5 - в случае тщательно выровненного склона при направлении
пахоты поперек склона;
т'= 5,0 - то же, при пахоте вдоль склона;
т'= 5,0 - в случае средне выровненного склона при направлении пахоты
поперек склона;
т'= 8,5 - то же при пахоте вдоль склона;
т'= 8,5 - в случае плохо выровненного склона при вспашке поперек
склона;
т'= 13,5 - то же при пахоте вдоль склона.
Полученные уравнения позволяют рассчитать максимальную
скорость на расстоянии х от водораздела. Средняя скорость потока на
участке от 0 до х составляет 0,65 от максимальной.
2.3 Критические скорости водного и воздушного потоков,
соответствующие разным уровням смыва и дефляции почв
2.3.1 Физический смысл критических скоростей
Пусть на дне потока лежит частица со средним диаметром d
(рис.2.11). Рассмотрим силы, действующие на частицу. На переднюю ее
грань поток оказывает положительное давление как на любое
препятствие, встречающееся на пути потока; на тыльную - отрицательное,
вследствие образования за частицей зоны завихрений и циркуляции.
Сумма сил, обусловленных положительным давлением на переднюю
грань частицы и отрицательным давлением на заднюю, называется
лобовой силой Рд- Под действием этой силы частица стремится
перевернуться через точку опоры. Величина лобовой силы пропорциональна
59
квадрату донной скорости потока Ул,
площади сечения частицы и плотности
жидкости р.
у\
P* = <*iP d2 -А
2g
где а\ - коэффициент
пропорциональности. § - ускорение силы тяжести. Плечом
лобовой силы h является перпендикуляр,
Рис. 2.11. Схема еэаимодейстеия ОПущеННЫЙ ИЗ ТОЧКИ ОПОрЫ на НЗПраВЛе-
потока с лежащей на дне частицей НИе ДеЙСТВИЯ СИЛЫ. ОчеВИДНО, ЧТО еГО Ве-
(Мирцхулава, 1967) личина зависит от диаметра частицы и ее
формы.влияние которой учитывается коэффициентом Л\\ 1\ = Л\ d.
Кроме того, на частицу действует подъемная сила Рц,
обусловленная положительным давлением потока на нижнюю грань передней
части частицы и отрицательным давлением на верхнюю грань,
возникающим при обтекании ее потоком.
Pn = *2/> d2 ~А
Ч
где а2 - коэффициент пропорциональности .
Плечо подъемной силы /2 также связано с диаметром частицы и
ее формой: 12 = Л2 d. На частицу действует также равнодействующая ее
веса и выталкивающей силы Р%, удерживающая частицу на месте.
я d* ( \
о
где ро - плотность материала частицы (для кварцевого песка ро = 2,65
т/м3). Плечо этой силы k также можно выразить через диаметр
частицы: h = Лъ d.
При достижении некоторой скорости, когда частица приходит в
состояние неустойчивого равновесия, сумма моментов лобовой и
аодъемной сил равна моменту силы, удерживающей частицу на месте:
Pdi+Puh = Pth.
Рассмотрим, какие изменения происходят на поверхности грунта
и почвы при увеличении скорости потока. Можно представить, что для
русел, сложенных несвязными грунтами (песками, галечником), при
малых скоростях потока никакого движения частиц происходить не будет.
Увеличивая скорость, можно дойти до такого ее значения, при котором
отдельные частицы могут вибрировать под действием потока, а при
дальнейшем увеличении скорости - отрываться и перемещаться путем
перекатывания. Та наибольшая скорость потока, при которой еще не
60
происходит перемещения частиц, называется неразмывающей или не-
сдвигающей скоростью VH. Поскольку эта скорость соответствует
равенству моментов сил стремящихся оторвать частицу и удержать ее на
месте, можно записать:
2 1 ^
alpQd2^Ald + a2pQd2^A2d = ^{p-pQ)A,d,
2
Jtd
■Ръ{ахАх+а2А2) = —{р~ Ро)*ъ.
2g 6
\2g(/?-/>0)jrd А^_
6/>q ^l^l "*" ^2^2
Ж A-,
где Удн - донная неразмьшающая скорость. Обозначив £
через В2, получим
Vj._BEES. B.25)
1 /'О
где Л - эмпирический коэффициент. В настоящее время предложено
несколько формул такого типа, например, формула Гончарова:
\ 3,5/70
Движение частиц начинается под действием максимальных
пульсационных скоростей, поэтому с увеличением амплитуды пульсации
величина неразмывающей скорости для данного грунта понижается. Это
обстоятельство следует учитывать при эрозионных расчетах.
Экспериментальное определение неразмывающей скорости: обычно основано на
визуальном наблюдении поведения частиц при разных скоростях потока.
Следует отметить, что понятие "неразмывающая скорость"
лишено физического смысла применительно к реальным почвам.
Действительно, еще до того, как произойдет видимый отрыв первой частицы
почвы, потоком отчуждаются растворимые компоненты почвы, ионы
диффузного слоя и самые тонкие коллоидные частицы, потерявшие связь с
поверхностным слоем почвы благодаря процессу набухания.
При дальнейшем увеличении скорости потока число частиц
почвы или грунта, вовлеченных в движение, увеличивается. При этом
некоторые частицы начинают передвигаться не только перекатьшанием, но
и скачками, что свидетельствует о преобладании взвешивающего усилия
над лобовым. Подскакивают частицы по очень крутой траектории, а
61
снижаются по пологой. Высота скачка прямо пропорциональна
отношению плотности среды к плотности частицы. Поэтому при одинаковом
силовом воздействии потока на частицу почвы высота скачка в
воздушном потоке примерно в 800 раз больше, чем в водном. Скорость водного
потока, при которой начинается скачкообразное движение частиц,
называют скоростью начала скачка V-i- При скоростях потока в интервале
между VH и V2 происходит формирование гряд на дне потока, которые
обычно движутся вниз по течению. При скачкообразном движении
частиц наблюдается размывание гряд и их полное исчезновение.
Дальнейшее увеличение скорости водного потока приводит к
появлению в потоке взвешенных частиц. Скорость, при которой это
происходит, называется скоростью начала взвешивания частиц VB.
Предположим далее, что скорость потока, несущего взвешенные
наносы, начинает уменьшаться. Тогда по достижении некоторой
величины начнется оседание взвешенных частиц на дно. Минимальная
скорость потока, при которой этого еще не происходит, называется незаи-
ляющей скоростью Унез- Она оказывается несколько меньше скорости
начала взвешивания частиц Ув.
Перечисленные выше критические скорости потока имеют
определенный физический смысл, однако все они, за исключением нераз-
мывающей скорости, не являются строго количественными показателями
интенсивности смыва. В наибольшей мере этому требованию
удовлетворяет так называемая "размывающая" скорость потока Ур, под которой
понимается та наименьшая скорость, при которой наступает
непрекращающийся срыв почвенных частиц, приводящий к заметной эрозии почв.
На этом определении основан визуальный метод нахождения
размывающей скорости потока для несвязных и достаточно прочных
связных грунтов. Действительно, увеличивая скорость потока и
наблюдая поведение частиц на дне, можно установить ту минимальную
скорость, при которой наступает массовое перемещение частиц потоком.
Размывающая Ур и неразмывающая Ун скорости связаны простым
соотношением:
Ур = 1,41 Ун .
Для несвязных грунтов легче экспериментально определить не-
размывающую скорость, а для связных - размывающую. Для почв, как
было отмечено выше, понятие "неразмывающая скорость" не имеет
физического смысла, а определение размьюающеи скорости визуальным
способом не представляется возможным из-за плавного характера
нарастания интенсивности смыва при увеличении скорости потока (рис.
2.12,а). Картина меняется, если те же экспериментальные данные
откладывать в координатах - первая производная от интенсивности смыва
62
хи-2
q' и скорость потока V (рис. 2.12,6). На кривой хорошо видна точка
перегиба (перехода от вьшуклой кривой к вогнутой). Если далее взять за
ось ординат вторую производную от интенсивности смыва q", то
экспериментальные точки ложатся на кривую, имеющую точку минимума или
точку перехода горизонтальной прямой в вогнутую кривую (рис. 2.12,в).
Кривая на рис. 2.12,а описывается уравнением
q-q0 = a (V- V0T, B.27)
где q - интенсивность смыва, qo - начальная интенсивность смыва, а -
эмпирический коэффициент, V - скорость потока, Vb _ начальная
скорость потока, п - эмпирический показатель степени.
Тогда кривая на рис. 2.12,6 соответствует уравнению
q'= а п (V - V0)"-\
а кривая на рис. 2.12,в описывается уравнением
q" = а п (п-1) (V - V0)n
Легко видеть, что левая (ниспадающая) ветвь кривой
соответствует уравнению B.27) при п<2, горизонтальный участок - этому же
уравнению при п=2, а правая (восходящая) ветвь - при п>2. Опыт с
монофракциями чистого кварцевого песка, для которых размывающая
скорость потока была определена визуально, показали, что точки А я В
на рис.2.12,б и 2.12,в соответствуют размывающей скорости потока как
той наименьшей скорости движения воды, при которой вторая
производная от интенсивности смыва по
скорости потока начинает
возрастать при увеличении
скорости движения воды.
Из этого следует, что
кривую на рис. 2.12 нельзя
описать одним уравнением
степенного вида. Начальный, более
пологий участок кривой,
соответствующий меньшим
скоростям потока, описывается
степенной функцией при п< 2, а
более крутой - п>2. На этом
основана методика
экспериментального определения
размывающей скорости потока,
заключающаяся в нахождении точки
перехода графика степенной
функции порядка меньше или
равного 2 в график функции
-2 -1
Ч,гм-ниц
i 15 30 к
сп#го*г эоКсн,-
-i
V^<V
25 30W
-io
<,oegci/-v0)
Рис. 2.12. Зависимость интенсивности смыва
почвы от скорости потока
63
того же вида, но большего порядка. Это можно сделать, наложив
экспериментальные данные на график в координатах lg (q - до) и lg( V -
V0) (рис. 2.12,г). Абсцисса точки пересечения прямых соответствует
lg( Vv ~ V0) , откуда легко найти V? .
23.2 Метод расчета критических скоростей потоков для почв
Экспериментальное определение размывающей скорости потока
представляет собой довольно длительную процедуру и требует
специального оборудования. В связи с этим встает вопрос, нельзя ли
получить величину размывающей скорости расчетным путем на основе
оценки легко определяемых свойств почв?
Для частичек песка не обладающих межагрегатным сцеплением,
как было показано выше, можно вывести теоретическим путем формулу
несдвигающей скорости B.25), включающую диаметр частиц, их
шютность и плотность среды.
Формула B.25) основана на представлении о том, что
критическая скорость потока прямо пропорциональна корню
квадратному из диаметра частицы. Как показывают результаты опытов в
водных и воздушных потоках это предположение справедливо не во всем
диапазоне размеров частиц, встречающихся в почве. На рис. 2.13
схематически показана зависимость критической скорости потока от
диаметра почвенных частиц. Схема оказалась справедливой и для
водных и для воздушных потоков. Числовые значения критических
скоростей ветра и воды для частиц одинакового размера различаются,
естественно, весьма сильно, но общий характер зависимости
сохраняется. Критическая
скорость потока прямо
пропорциональна диаметру только для
частиц крупнее 0,02 см.
Уменьшение размера частиц почвы в
диапазоне 0 - 0,02см
сопровождается увеличением
критической скорости потока. Это
связано с проявлением сил
сцепления у мелких частиц.
Впервые влияние этих сил
количественно учтено в формуле
Ч> см / с
МО -
100 .
60 -
40 -
10
Н=15см
N^
^
'0,0
й'.СМ
Рис. 2.13. Зависимость пороговой скорости
потоки от размеров частиц
размывающей скорости потока для связных грунтов, предложенной
Ц.Е.Мирцхулавой A967). В почве различают внутриагрегатное
сцепление, проявляющееся при контакте почвы с водой в водопрочности
их структуры, и межагрегатное, возникающее в местах контакта
64
комочков почвы друг с другом. Сцепление возникает не только
вследствие взаимного притяжения частиц, но и под действием клеящих
веществ и корневых систем растений. Чаще всего почвы
характеризуются одновременным проявлением сил как внутриагрегатного, так
и межагрегатного сцепления, поэтому формулы критической скорости
водных потоков для почв содержат аргументы, учитывающие их влияние.
Рассмотрим формулу размывающей скорости водного потока для
почв, являющуюся модификацией формулы Ц.Е.Мирцхулавы для
связных грунтов. Она наиболее полно учитывает особенности
противоэрозионной стойкости почв (Кузнецов, 1981):
B.28)
VAp =1,55
/>о"'
100
1 - ^ К {р ~ А) С0050 - Sma) + 1.25C? А'
где Hipw - донная размывающая скорость потока для почвы исходной
влажности w, м/с;
g - ускорение силы тяжести, м/с2;
я?1 - коэффициент, зависящий от типа наносов в потоке @,85 - донные
корродирующие наносы; 1 - поток без наносов; 1,4 - взвешенные
наносы при концентрации > 0,1%);
гаг - коэффициент, характеризующий связывающее действие корневых
систем растений и зависящий от содержания корней диаметром
менее 1 мм (табл. 2.14);
р, ро - соответственно, плотность
Таблица 2.14
Зависимость коэффициента mi от
содержания корней R тоньше 1 мм
R, %
тг
0,00
1,0
0,10
1,4
0,15
2,0
0,20
4,8
0,25
14,0
твердой фазы почвы и воды, 7/м ;
п' - коэффициент, характеризующий
пульсацию скоростей в потоке и
принимаемый равным 2,3 для потоков на склонах;
Р- порозность почвенных агрегатов, %;
dv- средневзвешенный размер водопрочных агрегатов после мокрого
просеивания почвы на ситах по методу Саввинова при ее исходной
влажности w, м;
а - угол наклона русла потока, град;
К- коэффициент однородности почвы по сцеплению;
С^ - нормативная усталостная прочность почвы на разрыв,
характеризующая межагрегатное сцепление, т/м2.
где / - коэффициент,
зависящий от плотности почвы
(табл. 2.15);
Cw - сцепление почвы
Таблица 2.1
Зависимость параметра / от плотности почвы р.
Pv, т/м
/
1,20
0,000
1,45
0,005
1,55
0,010
1,60
1,65
0,020 |0,030
1,70
0,040
5 Эрозия и охрана почб
65
исходной влажности w (по методу Цытовича) после быстрого
затопления ее поверхности и насыщения до водовместимости, т/м2.
Метод Цытовича состоит в измерении глубины погружения
сферического штампа S (мм) определенного диаметра D (мм) под
нагрузкой Р (г) и расчета сцепления по формуле
С= ОД8 /и —^— 2
^ п DS (т/м),
где ft - коэффициент, уменьшающий значение сцепления путем учета
сил трения (табл. 2.16). При отсутствии
результатов специальных исследований
значение угла внутреннего трения <р°
приближенно определяется по коэффициенту
пористости и по влажности почвы на
границе раскатывания в шнур (табл. 2.17). Коэффициент пористости АГп
рассчитывается по формуле
Таблица 2.16
Зависимость коэффициента и
от угла внутреннего трения qf
f
f
0
1,0
ю
0,615
20
0,285
30
0,122
*п =
р-р.
где р- плотность твердой фазы почвы, pv -плотность почвы.
Таблица 2.17
Значение угла внутреннего трения <р°
Влажность почвы на
границе раскатывания в шнур, %
< 9,4
9,5- 12,4
12,5- 15,4
15.5- 18,4
18,5- 22.5
22,5- 26.4
26,5- 30,4
Коэффициент пористости
0.41-
0.50
30
25
24
-
-
-
-
0.51-
0,60
28
24
23
21
-
-
-
0,61-
0,70
27
23
22
22
20
-
-
0.71-
0.80
-
-
21
20
19
18
-
0,81-
0,95
-
-
-
19
18
17
16
0.96-1,10
-
-
-
18
17
16
15
Расчет коэффициента однородности почвы по сцеплению К
производится по материалам измерения сцепления:
С
где t - значение критерия Стьюдента, характеризующего вероятность
минимального сцепления и принимаемого равным 2 при вероятности
0,95 и тридцатикратной повторное™ измерения сцепления;
С- среднее значение сцепления;
<у- среднее квадратическое отклонение.
66
V л - 1
где Си Съ—, С„ - отдельные значения сцепления.
Анализ формулы B.28) показывает, что для рыхлых пахотных
горизонтов почв, имеющих плотность не более 1,2 т/м3 (/ = 0), не
связанных корнями растений {тг = 1), размываемых чистой водой (mi =
1), при сравнительно малых уклонах (cosa - since « 1) она приобретает
более простой вид:
^^^Ш1'^^"'^- B-29)
Таким образом, использование формулы B.28) дает возможность
довольно точно рассчитать критическую (размьюаюшую) скорость
водного потока для любой почвы, исходя из показателей некоторых
лепсо определяемых ее свойств и растительности. Знание критических
скоростей необходимо для оценки потенциальной опасности развития
эрозии и для расчета противоэрозионных мероприятий. Оказалось, что
величина смыва не превышает допустимых пределов, если скорость
потока оказывается ниже или равной так называемой допустимой V^on.,
составляющей 0,8 размывающей скорости:
^АДОП. = 0,8 Кдр.
Для расчета критических скоростей ветра для почв оригинальные
зависимости предложены В.В.Звонковым A963), М.И.Долгилевичем и
Ю.И.Васильевым A978) и другими. Применение этих зависимостей дает
довольно сильно различающиеся результаты, а получаемые величины
критических скоростей укладываются в диапазон от несдвигающей до
скорости начала массового движения частиц. Наиболее простая и в то
же время физически обоснованная зависимость для расчета скорости
начала массового движения частиц рыхлых, не связанных корнями
растений почв, имеет вид (Глазунов, 1983)
\ Ра
где Vml - скорость начала массового движения частиц, отнесенная к
высоте 1 см над поверхностью почвы;
(ko - средневзвешенный размер всех тех частиц, которые мельче
некоторого размера, соответствующего шестидесятипроцентному
персентилю на кривой агрегатного состава;
р - плотность почвенных частиц;
В - эмпирический коэффициент, равный 2,4.
67
2.4 Транспорт и аккумуляция наносов
Для правильного понимания процесса эрозии важно учитывать
не только размывающую, но и транспортирующую способность потока.
Под транспортирующей способностью потока понимают наибольший
возможный при данном гидравлическом режиме потока расход наносов.
Поток может переносить частицы либо перекатыванием и
волочением по дну, поднимая их на высоту, соизмеримую с диаметром
частиц (донные наносы), либо взвешиванием в толщу потока, когда высота
подъема частиц соизмерима с глубиной потока (взвешенные наносы).
Скачкообразное перемещение (сальтация) является переходной формой
движения. Перекатывание и волочение частиц происходит
преимущественно под действием лобового усилия при сравнительно малых
скоростях потока. При больших скоростях преобладает подъемное усилие,
приводящее к скачкообразному движению частиц. При еще более
высоких скоростях оторванные частицы уже не возвращаются на дно, а
подхватываются вихрями, возникающими в придонной области, и выносятся
в толщу потока. По мере приближения к поверхности потока энергия
вихря уменьшается в связи с увеличением ею диаметра, и частичка под
действием силы тяжести снова движется вниз, однако новый вихрь
подхватывает ее и снова выносит наверх. Чем крупнее частица, тем труднее
подняться ей до поверхности потока. Поэтому крупные частицы
концентрируются преимущественно в придонной области, а тонкие -
относительно равномерно распределяются в толще потока. Это приводит к
увеличению суммарной концентрации наносов (мутности) от
поверхности потока к дну.
Увеличение скорости потока сопровождается увеличением его
транспортирующей способности а это, в свою очередь, приводит к
увеличению размера переносимых потоком частиц. Эта зависимость
выражается формулой Эри:
Р = А V6,
где Р - вес переносимой частицы; А - коэффициент, зависящий от
уклона дна, формы и плотности частицы, глубины потока; V - средняя
скорость потока.
Формула Эри непосредственно выводится из уравнения нераз-
мывающей скорости потока. Если критическая скорость
пропорциональна корню квадратному из диаметра отрываемых частиц, то ее объем
(л S7б) и, следовательно, вес пропорционален скорости в шестой
степени.
Расчет твердого расхода производится раздельно для влекомых
по дну и взвешенных наносов. Для этого используются формулы Гонча-
68
i 2 3 4 d, им
рова, Великанова, Замарина, Леви и других
авторов (см. Кузнецов и др., 1992). Однако в а#|- CM/,°
обоих случаях расход наносов связан прямой
зависимостью со скоростью потока и
обратной - с гидравлической крупностью
влекомых частиц. Поэтому при уменьшении
скорости взвесенесущий поток начнет
освобождаться от влекомых частиц ввиду падения его
транспортирующей способности, причем
частицы разных размеров будут выпадать
последовательно от крупных к мелким по мере
достижения ПОТОКОМ СООТВеТСТВуюЩИХ ИМ ВСе Рис. 2.14. Связь между геомет-
более НИЗКИХ НезаИЛЯЮЩИХ СКОрОСТеЙ. ричестми и гидравлическими
« ~ размерами наносов
Гидравлической крупностью w назы- И *
вается скорость равномерного осаждения частиц в неподвижной воде.
Ее значение можно выбрать в зависимости от диаметра частиц ио табл.
2.18 или найти по графику, составленному Б.В.Архангельским (рис.
2.14).
Необходимо отметить, что гидравлическая крупность частиц
диаметром менее 0,1 мм обратно пропорциональна первой степени
кинематической вязкости жидкости и, следовательно, существенно зависит
от ее температуры, частиц диаметром 0,1-0,6 мм - степени 0,33,
диаметром 0,6-2 мм - степени 0,1 и более 2 мм - практически не зависит от
вязкости жидкости и, следовательно, ее температуры. Для тех же
градаций диаметра частиц гидравлическая крупность пропорциональна
диаметру, соответственно, в степенях 2; 1; 0,67; 0,5, что соответствует
переходу от ламинарного
обтекания ЧасТИЦ К ТурбулеШ- Таблица 2.18
Гидравлическая крупность частиц w диаметром d
ному.
Для расчета незаи-
ляющей скорости потоков,
несущих частицы диаметром
0,25 мм и текущих в руслах с коэффициентом шероховатости
0,0225, И.ИЛеви A957) предложил простую эмпирическую формулу:
Уне 3=0,5^,
где R - гидравлический радиус, м.
Для расчета иезаиляющей скорости потоков, несущих более
крупные частицы и текущих в руслах с иными показателями шерохова-
тосга.им была предложена следующая формула:
при температуре 9-12° С
d, мм
w, ми/с
1,00
106,0
0,50
52,8
0,30
27,7
0,10
5,0
Хараушев, 1969)
0,05
1,25
0,02
0,19
0,01
0,05
0,005
0,01
69
f G 1
lo.oij
где d - средний диаметр преобладающей массы частиц взвешенных
наносов, мм; w - гидравлическая крупность частиц диаметром d, мм/с; G -
степень насыщенности потока наносами, %; п - коэффициент
шероховатости.
Таким образом, незаиляющая скорость увеличивается с
увеличением гидравлической крупности частиц, мутности потока,
гидравлического радиуса и при уменьшении шероховатости русла п.
Более высокая транспортирующая способность мелких потоков
с шероховатым дном (к которым относятся потоки на склонах) по
сравнению с глубокими потоками, текущими по гладкому руслу,
объясняется, по-видимому, большими значениями средней по глубине потока
энергии вихрей в первом случае при той же средней скорости движения
воды и большем уклоне водной поверхности.
Для ориентировочных расчетов незаиляющей скорости
применяют также следующую простую формулу:
^„ = л20-2 ,
где А = 0,33 при средневзвешенных значениях w < 1,5 мм/с,
А = 0,44 при 1,5 < w < 2,5 мм/с, А = 0,55 при w > 2,5 мм/с.
Q - расход потока (м3/с).
Для ветровой эрозии, как и для водной, характерными являются
не только процесс отрыва частиц, но и процессы их переноса и
аккумуляции. В каждом явлении ветровой эрозии почв всегда обнаруживается
четыре стадии: дефляции, трансформации, аккумуляции и
стабилизации, которые закономерно сменяют друг друга в пространстве и во
времени. Каждой из стадий соответствует особый тип нарушения
почвенного покрова.
На начальной стадии, стадии дефляции, под действием
пульсирующего воздушного потока происходит ослабление и нарушение связей
между отдельными частицами поверхностного слоя почвы,
сопровождающееся их отрывом и переносом. На этой стадии начинается
формирование двухфазного потока воздух-почва. Твердая фаза этого потока
представлена катящимися по поверхности, скачущими или взвешенными
в потоке почвенными частицами. Разделение частиц на скачущие и
летящие достаточно условно. Тип движения каждой частицы в конечном
счете определяется ее размерами и скоростью ветра, а эти
характеристики подвержены периодическому изменению. Если вертикальная
составляющая скорости ветра, направленная вверх, превышает аэроразмер
частицы (аналог гидравлической крупности), то частица будет переме-
70
Диаметр,
мм
0,001
0,01
0,1
Аэроразмер, см/с
0,00824
0,824
82,4
Дальность
4-40-106 км
4-40-102 км
46-460 м
Максимальная высота
6Д-61 км
61-610 м
0,61-6,1 м
щаТЬСЯ ВО ВЗВешеННОМ СОСТОЯ- Таблица 2.19
НИИ, Причем ВЫСОТа, ДаЛЬНОСТЬ И Р*-™ые характеристики полета понвсн-
пых частиц при скорости негра 15 м/е (Из
ПрОДОЛЖИТеЛЬНОСТЬ ПОЛеТа Об- кш.га Ф. Пткджона и др., 1976)
ратно пропорциональны размеру
частиц (табл. 2.19).
Характерной особенностью стадии
дефляции является то, что число
отрывающихся от поверхности
частиц превышает число
возвращающихся на поверхность за то же время. В результате
интенсивность потерь почвы со временем возрастает или остается постоянной. На
этой стадии формируется зона выдувания с дефлированными почвами.
' С течением времени интенсивность выдувания в наветренной
части зоны дефляции начинает уменьшаться вследствие самоотмостки
или падения скорости ветра и стадия дефляции переходит в стадию
стабилизации. Явление самоотмостки обусловлено селективностью
выдувания - в первую очередь ветром уносятся наиболее подвижные частицы
а менее подвижные остаются. В результате этого происходит
увеличение критической скорости и, если она превысит фактическую скорость
ветра, сдувание почвы прекратится. Известны случаи, когда ветровая
эрозия прекращалась только после сдувания всего пахотного слоя и
выхода на дневную поверхность плужной подошвы.
Если длина поля достаточна для насыщения потока твердой
фазой, стадия дефляции сменяется стадией трансформации. При этом
число скачущих частиц в потоке достигает максимума и остается примерно
постоянным, соответствующим транспортирующей способности потока.
Двухфазный поток и почва находятся в состоянии, близком к
динамическому равновесию: число скачущих частиц, покинувших почвенную
поверхность в единицу времени, равно числу частиц, выпавших из
потока за это же время.
Теоретически и экспериментально наиболее обоснованной для
данной стадии является модель переноса песка (Bagnold, 1941):
D g
где q - расход твердой фазы через единицу ширины фронта в единицу
времени, г/(см-с); а - эмпирический коэффициент, зависящий от
параметров логарифмического профиля скорости ветра, равный
@,174/lg(z//fc)K, где к - параметр логарифмического профиля скорости
ветра для взвесенесущего потока, равный 1 см при среднем размере зе-
71
рен песка в потоке 0,025 см, z - высота над поверхностью, для которой
рассчитывают скорость, см; С - коэффициент, зависящий от степени
сортированности песка; С = 1,5 для примерно однородного
сортированного песка (монофракции); С = 1,8 для сортированного ветром песка
(песок дюн и т.п.); С = 2,8 для плохо сортированных песков; d -
средний размер песчинок в диапазоне от 0,01 до 0,1 см; D - средний размер
частиц "стандартного" песка, равный 0,025 см; р - плотность воздуха,
г/см3; g - ускорение силы тяжести, равное 981 см/с2; Vz - скорость ветра
на высоте г, см/с; Vz, - критическая скорость ветра на высоте г, см/с.
Большинство авторов моделей насыщенного переноса сходится
на том, что расход твердой фазы почво-воздушного потока
пропорционален кубу скорости ветра, а предложенные модели по форме близки
модели Бэгнольда.
Для этой стадии характерно образование рифелей на
поверхности почвы, которые перемещаются со скоростью на несколько порядков
меньшей, чем скорость самого двухфазного потока. На этой стадии
происходит транзит почвы из зоны дефляции, а также потеря почвы из
зоны трансформации за счет мелких частиц, переходящих во
взвешенное состояние. Для стадии трансформации характерно формирование
комплекса свеянно-навеянных почв.
Стадия трансформации сменяется стадией аккумуляции для
которой характерно преобладание процессов отложения твердой фазы из
почво-воздушного потока над процессами отрыва и выноса. Причиной
этого служит снижение транспортирующей способности ветра, которое
обусловлено уменьшением его скорости. Чаще всего оно происходит
либо в результате встречи потока с каким-то препятствием
(выступающими формами рельефа, растениями, инженерными
сооружениями и т.п.), либо в результате резкого увеличения живого сечения
потока (при пересечении долины реки, балки, оврага и т.п.). Проблема
математического моделирования ветроэрозионного процесса на стадии
аккумуляции разработана в наименьшей степени. В известных моделях
(Дубов и др., 1978) в расчет принимается лишь аккумуляция взвешенных
частиц. Для стадии аккумуляции характерно образование эоловых
отложений и погребенных почв.
72
3. ФАКТОРЫ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ
3.1 Климатические факторы
Непосредственное влияние на размах эрозионных процессов,
оказывают суммарное количество осадков, их вид, продолжительность,
интенсивность, а также время выпадения. Опосредованно на развитие
эрозионных процессов влияют температура, влажность воздуха, а также
скорость и продолжительность ветра.
Эрозия почвы во время дождя происходит при совместном
воздействии потока воды и падающих капель. Капли дождя разрушают
структуру почвы, создают в потоке добавочную турбулентность,
повышающую ее размывающую и транспортирующую способность, а также
нагружают поток при всплесках оторванными частицами почвы. Капли
дождя несут огромную энергию, однако большая часть ее (около 2/3)
расходуется на уплотнение почвы и меньшая - на отрыв и перемещение
частиц почвы. Удары капель дождя заставляют подниматься в воздух
десятки тонн почвы на одном гектаре, но только часть ее выносится
потоками воды. Само по себе разбрызгивание почвы также может привести к
некоторому преимущественному перемещению частиц с верхней части
склона на нижнюю, если уклон достаточно выражен. Это связано с тем,
что траектория движения частиц при всплесках вниз по склону длиннее,
чем вверх.
Масштабы эрозии при снеготаянии определяются параметрами
стока талых вод, которые обусловлены климатическими особенностями
конкретной местности, водопроницаемостью мерзлой почвы и ее проти-
воэрозионной стойкостью. В данном разделе мы ограничимся
рассмотрением характеристик климата, связанных с эрозией почв, а особенности
формирования дождевого стока и стока при снеготаянии рассмотрим в
разделе, посвященном почвенным и литологическим факторам.
73
Кинетическая энергия дождевой кашш, определяющая размер
причиняемых почве разрушений в месте ее падения, зависит от размера
капли (т.е. от ее массы) и ее скорости. Известно, что при движении
капли в воздухе скорость ее падения становится постоянной, а
численное ее значение зависит от состояния атмосферы и от размера капли
(корня квадратного из диаметра). В.В.Сластихин A964) предложил
следующую зависимость:
где VK- скорость падения дождевой капли, м/с; dK- диаметр капли, см.
Для практических целей можно пользоваться следующими при-
держками:
диаметр капли, мм: 0,1 0,3 0,5 1 2 3 4 5 б
конечная скорость, см/с: 27 117 206 403 649 806 883 909 930.
Постоянная скорость падения крупной кашш достигается при
падении ее с высоты около 20 м, мелкой капли- с меньшей высоты. Это
обстоятельство необходимо учитывать при моделировании дождевой
эрозии.
Сильное влияние на кинетическую энергию капель дождя
оказывает ветер. Расчеты, произведенные В.В.Сластихиным A990),
показали, что кинетическая энергия капель дождя со средним диаметром 1 мм,
падающих при ветре 4; 7 и 9 м/с, больше в 1,9; 3,6; 5,9 раза, чем ее
значение при штиле. Следовательно, скорость движения капель при
указанных параметрах ветра, соответственно, в 1,4; 1,9 и 2,4 раза больше, чем
в безветренную погоду. Увеличение скорости движения крупных капель
диаметром 4 мм в 1,3- 1,7 раза меньше.
По размеру капель дожди неоднородны, поэтому можно говорить
лишь о преобладающем размере капель. Для дождей интенсивностью
менее 1 мм/мин наблюдается четкая зависимость: чем больше
интенсивность, тем больше диаметр капли. Для приближенных расчетов
среднего диаметра капель id, мм) по известной интенсивности дождя (г,
мм/мин) можно пользоваться формулой (Мейсон, 1961)
dK * 2,2 г0-21.
Для дождей интенсивностью 2-3 мм/мин эта зависимость
становится обратной, а при дальнейшем увеличении интенсивности дождя
снова отмечается рост диаметра капель (Гудзон, 1974). При дождях
интенсивностью 1-2 мм/мин преобладают капли диаметром 2-3 мм. Для
сравнения отметим, что при дождях малой интенсивности - порядка 0,02
мм/мин преобладают капли диаметром 0,6 мм, а ливни интенсивностью
более 4,3 мм/мин содержат преимущественно капли размером 4,4 мм.
Капли размером больше 6 мм не встречаются, так как при падении они
сплющиваются и разрушаются под действием сил сопротивления возду-
74
Таблица 3.1
Размер и скорость дождевых капель в
зависимости от интенсивности дождя
(Мирцхулава, 1970)
ха. В соответствии с диаметром
капель изменяется и кинетическая
энергия дождя. В табл. 3.1
приведены характерные для средней
полосы России параметры
интенсивности дождей, размеров капель
и скоростей их падения.
Существует также тесная
обратная связь между
интенсивностью дождя и его
продолжительностью. Максимальную
интенсивность ДОЖДЯ Г„ако , ММ/МИН,
можно рассчитать по формуле ГА.Алексеева (Великанов
A + B-\gN
Характер осадков
Туман
Густой туман
Мелкий дождь
Легкий »
Умеренный »
Сильный »
Очень сильный »
Ливень
г, мм/мин
—
0,0003
0,0042
0,016
0,066
0,25
0,66
1,67
df,, мм
0,01
0,1
0,2
0,45
1,0
1,5
2,1
3,0
VK, м/с
0,003
0,25
0,75
2,6
4,0
5,0
6,0
7,0
1964):
C.1)
(\+т)л
где А и В - географические параметры, Т - продолжительность дождя,
мин, N - число лет, приходящееся на один заданный ливень, т.е.
величина, обратная повторяемости. Если обеспеченность берется равной
10 %, это значит, что расчетная интенсивность дождя при заданной его
длительности Т ожидается 1 раз за 10 лет (а N = 10), если
обеспеченность - 100%, то N = 1 и т.д. Различные сооружения в зависимости от
их значимости проектируются на дожди разной обеспеченности. Так,
водозадерживающие валы проектируются на осадки обеспеченностью
10%, а водопропускные сооружения в железнодорожном полотне - на
осадки обеспеченностью 1% .
Приведем для примера значения А я В для некоторых районов:
Архангельск, соответственно, 2,6 и 2,8; Москва - 4,3 и 3,3; Одесса - 4,1
и 4,4; Сочи - 6,0 и 5,0; Поти - 9,0 и 6,6; Волгоград - 3,0 и 2,6;
Екатеринбург - 3,2 и 3,1. Низкими значениями географических параметров
характеризуются северная, северо-восточная и юго-восточная части
Русской равнины, высокими - западные и центральные районы Кавказа,
особенно Черноморское побережье, Молдавия, юго-западная часть
Украины.
Логично было бы предположить, что в географическом плане
эрозия почв должна получить распространение в наиболее сильно
увлажненных регионах. В действительности переплетение причинно-
следственных связей, обусловливающих характер развития эрозии почв,
гораздо сложнее, чем представляется на первый взгляд. Сопоставление
количественных показателей увлажненности территорий и пораженности
их эрозионными процессами не показало существования тесной связи
75
между суммарным количеством осадков и размахом эрозии. Одной из
причин такого положения дел является то, что величина смьша почвы
теснее всего связана не с общим количеством осадков, а с их
интенсивностью. Причем имеет значение интенсивность осадков, усредненная не
за весь ливень, а только за некоторый его интервал, приуроченный к
пиковому значению интенсивности. В ходе экспериментальных
исследований делаются попытки связать величину смыва почвы за один
ливень со значением пяти-, десяти-, двадцати-, тридцатиминутной
интенсивности и так далее.
Для нахождения п-
минутной интенсивности дождя
необходимо иметь график
регистрируемой дождемером зависимости
слоя осадков (Нд от времени (г). На
этом графике находят место
выпадения наибольшего количества
осадков за n-минутный период
tjHHH (рис. 3.1). Разделив это количество
Рис. 3.1. Схема определения п-минутной ин- на и> НЭХОДЯТ ИСКОМуЮ ИНТеНСИВ-
тенсивности дождя „ _. __„,
ность дождя.
Следующие цифры дают представление о значениях
пятиминутной интенсивности дождей в разных регионах: Колхида - 3,8 мм/мин;
Закарпатье - 3,0 мм/мин; Подмосковье - 1,7 мм/мин; Предуралье - 0,8
мм/мин. Однако абсолютные максимумы интенсивности ливней
достигают еще больших величин, например, 10-12 мм/мин в Молдавии.
При увеличении выбранного интервала времени максимальная
интенсивность дождей падает. Например, 30-минутная интенсивность
дождей 20%-й обеспеченности составляет для субтропиков Закавказья
2,4-2,5 мм/мин, для районов Карпат и Подмосковья - 0,8 мм/мин, Пре-
дуралья - 0,6-0,7 мм/мин. Наиболее низкие значения этого показателя
на территории Русской равнины характерны для околополярных районов
на севере @,3-0,4 мм/мин) и Северного Прикаспия - на юго-востоке
@,5-0,6 мм/мин) (Ларионов, 1993).
Распределение п-минутных значений интенсивности ливней
подчиняется определенным географическим закономерностям, нашедшим
выражение в изменчивости значений параметров А и В в уравнении C.1)
и определяющим в значительной степени основную закономерность
распространения дождевой эрозии почв - уменьшение в направлении с юга
на север.
Размах эрозии при снеготаянии в значительной степени
определяется запасами воды в снеге. Распределение ее запасов подчиняется
76
следующей закономерности: с продвижением на север и восток запасы
воды в снеге увеличиваются. Представление об обычных величинах
запасов воды в снеге дают следующие цифры: Подмосковье примерно 100
мм; Северный Урал - 160 мм, Кубань - 10-15 мм.
Эрозионную способность талой воды характеризуют не только
запасы воды в снеге, но и интенсивность снеготаяния. Казалось бы в
южных районах этот показатель должен быть выше, чем в северных,
однако в действительности это не так: интенсивность снеготаяния,
например, в Подмосковье @,065 мм/мин) больше, чем на Кубани @,015
мм/мин). Объясняется это тем, что на юге ко времени весеннего
снеготаяния снег залегает не сплошной пеленой, а пятнами. В результате
оказывается, что интенсивность эрозии при снеготаянии нарастает с юга на
север и с запада на восток, т.е. обратно дождевой эрозии. По подсчетам
Г.П.Сурмача A992) на уровне прохождения изолинии среднего весеннего
стока с зяби 30 мм интенсивность смыва от талого стока в два раза
выше, чем от дождевого. Вдоль изолинии среднего весеннего стока с зяби
15 мм они сравниваются, а по мере продвижения на юго-восток, юг, и
особенно на юго-запад все больше преобладает дождевая эрозия. В юго-
западных районах Украины и в Молдавии это преобладание становится
подавляющим.
3.2 Топографические факторы
Совокупность форм горизонтального и вертикального
расчленения земной поверхности носит название рельеф. Рельеф слагается из
положительных (выпуклых) и отрицательных (вогнутых) форм,
ограниченных по сторонам различно ориентированными склонами. Рельеф
суши не только определяет особенности формирования стока талых и
дождевых вод и связанных с ним процессов эрозии и закономерности
залегания несмытых, смытых и намытых почв, но и сам часто
формируется под действием эрозии почв и горных пород. Рассмотрим некоторые
элементы рельефа суши, которые являются местом формирования стока
и проявления эрозии почв.
Сток формируется в пределах водосбора, под которым
понимается территория, ограниченная водораздельной линией. Элементами
водосбора являются водоразделы, склоны и гидрографическая сеть.
Водораздельным пространством или водоразделом (в отличие от водораздела
- водораздельной линии) на равнине понимают междуречье, не имеющее
стока в какую-либо речную систему, или со стоком, осуществляемым
слабоврезанными верховьями рек. В более широком плане - это
пространства, примыкающие к водораздельным линиям. Различают водо-
77
разделы первого порядка, ограничивающие водосборы суходольных
систем, и водоразделы более высоких порядков, которые ограничивают
водосборы лощин, ложбин. Гидрографической сетью называют сеть
понижений, по которым осуществляется сток поверхностных вод. В плане
эта сеть понижений имеет вид ветвящегося дерева. Верхняя часть этой
сети, обычно лишенная постоянных водотоков, называется суходольной
сетью. Различают следующие элементы суходольной сети (Козменко,
1954; Арманд, 1955).
Ложбина - верхнее звено гидрографической сети,
примыкающее к наиболее высоким частям водосборов, характеризующееся
небольшой глубиной @,5-2 м), пологими склонами, незаметно
переходящими в плакорное пространство водосбора в верхней части и в широкое
вогнутое днище - в нижней. Склоны ложбины даже в самом крутом
месте не бывают круче 3-8°. Водосбор ложбин обычно имеет площадь
несколько гектаров или несколько десятков гектаров. Переход ложбины в
лощину начинается обычно с пунктов сети, имеющих площадь
водосбора около 50 га, а в глубоко расчлененных районах - даже 10-15 га.
Ложбины обычно распахиваются.
Лощина - элемент гидрографической сети, отличающийся от
ложбины более резкими очертаниями, глубиной и крутизной склонов (8-
15°), а также иным геологическим строением берегов. Хотя сами склоны
лощины симметричны, мощность покровных пород зависит от
экспозиции: на солнечном берегу она меньше, чем на теневом. Русла потока в
днище лощины обычно не бывает. Лощины целесообразно засевать
травами. При дальнейшем развитии лощина переходит в более крупную
форму - балку (суходол, яр, байрак).
Балка - это вытянутая впадина, отделенная от присетевого
склона хорошо выраженной бровкой и имеющая внешнюю асимметрию
берегов и асимметрию покровных отложений. На крутых берегах
солнечной экспозиции покровная порода имеет малую мощность или почти
отсутствует. На теневых, более пологих склонах формируется мощный
плащ лёсса или лёссовидного суглинка. Глубина балок обычно 6-20 м,
ширина достигает 60-200 м, крутизна берегов 10-15°, а в подмытых
местах - до 35°, площадь водосбора - от 250 га и более до нескольких
тысяч гектаров. Характерной особенностью балки является обычно
хорошо выраженное русло временного водотока на ее дне, часто меандриру-
ющее, местами расширяющееся и сужающееся. На склонах балок
бывают заметны террасы или несколько нечетко выраженных бровок. В
глубоких балках местами наблюдается выклинивание грунтовых вод.
Широкие днища балок обычно имеют травяной покров. Балки впадают
в речные долины.
78
Долина реки - наиболее древнее звено шдрографической сети,
отличающееся от балки наличием постоянного водотока и связанных с
ним форм рельефа: пойм, притеррасных впадин, прирусловых валов и
др.
Формирование гидрографической сети в равнинных районах
произошло в ледниковый период, когда огромные массы талой воды
размывали поверхность коренных пород, а затем намывали покровные
породы, зараставшие с поверхности растительностью и превращавшиеся
в почвы (Козменко, 1954).
На другой способ образования современных балок указывал
В.В.Докучаев, отмечавший, что они могли сформироваться также путем
закрепления размывов, возникших в давние времена, например, по
берегам рек. Не исключена также возможность образования балки в
результате заиления русла малой реки.
Суходольная часть гидрографической сети по протяженности и
участию в формировании рельефа занимает преобладающее положение
по сравнению с речной сетью. А.С.Козменко подсчитал, что для
водосборов двух рек центральной лесостепи (Зуши и Красивой Мечи) ,
площадью 10450 км2 характерно следующее соотношение различных
элементов гидрографической сети по их длине: ложбины - 21%; лощины -
41; лощино-суходолы - 18; суходолы - 12 ; долины - 8%.
Преобладающую часть территории водосбора занимают
склоновые земли. Склоны различаются по форме, длине, крутизне и
экспозиции. Характеризуя форму склона, говорят о форме продольного и
поперечного профиля. По форме продольного профиля выделяют прямые,
выпуклые и вогнутые склоны. Иногда встречаются склоны сложной
формы - выпукло-вогнутые, вогнуто-выпуклые и ступенчатые. По форме
поперечного профиля также различают склоны прямые, выпуклые и
вогнутые. При вьшуклой форме поперечного профиля склона сток по
этому склону происходит по расходящимся направлениям, а склон
(водосбор) называют рассеивающим. При вогнутой форме поперечного
профиля склона сток по этому склону происходит по сходящимся
направлениям, а склон (водосбор) называют собирающим. Если
поперечный профиль склона прямой, то склон (водосбор) называют
нейтральным. Форма склона зависит от свойств почвы, подстилающей и
материнской породы. Прямыми и выпуклыми обычно бывают склоны,
сложенные легко размываемыми породами. Если трудно размываемые
породы залегают близко к поверхности, то образуются вогнутые склоны.
В местах, где наблюдается чередование рыхлых и твердых пород,
выходящих на поверхность, образуются ступенчатые склоны.
79
Водосборы с выпуклыми склонами преобладают в северной и
центральной частях Среднерусской возвышенности, на правобережной
Украине, в пределах Северных Увалов, возвышенностей бассейна
Северной Двины, на Вятских Увалах, левобережье Вятки, сложенных
моренными, покровными и лёссовидными суглинками. Водосборы с
вогнутыми и ступенчатыми склонами встречаются в Высоком Заволжье, на
Приволжской возвышенности и в пределах высокой часта
Ставропольской возвьппенности, где наблюдается близкое к поверхности залегание
коренных пород. Прямая форма склонов наблюдается в южной и юго-
восточной частях Среднерусской возвьппенности, в Кодрах, на Ергенях,
на западе Низкого Заволжья и на предалтайских равнинах (Миронова,
1972).
Под длиной склона понимают расстояние от водораздела до
бровки элемента гидрографической сети по линии наибольшего уклона.
Длина склонов сильно зависит от степени расчлененности территории,
которую характеризуют коэффициентом расчлененности К.
Коэффициент расчлененности территории равен отношению длины долинной и
балочной сети L в километрах на какой-либо территории к ее площади
S в квадратных километрах
К = US.
Длина склона L связана с коэффициентом расчлененности
территории
Ъ= 1/ Ж
Следовательно, чем больше степень расчлененности территории,
тем короче склоны.
Так, в зоне последнего (валдайского) оледенения формируется
самый молодой, моренный, увалисто-холмистый рельеф с короткими,
длиной 100-200 м, склонами (Новгородская, Псковская обл.). В зоне
московского оледенения, где рельеф более старый' и выработанный,
склоны обычно имеют длину 500-800 м (Смоленская, Тверская обл.).
На Среднерусской возвышенности, не затронутой оледенением, длина
склонов еще больше. При движении с севера на юг наблюдается
уменьшение крутизны склонов и увеличение их длины. По
классификации М.Н.Заславского A987) склоны разделяются на:
чрезвычайно короткие протяженностью до 50 м,
очень короткие » от 50 до 100 м,
короткие » от 100 до 200 м,
средней длины » от 200 до 500 м,
повышенной длины » от 500 до 1000 м,
длинные » от 1000 до 2000 м,
очень длинные » от 2000 до 4000 м,
чрезвычайно длинные » более 4000 м.
80
Под уклоном местности / понимают величину отношения
разности высот двух точек на линии наибольшего падения склона Ah к
горизонтальной проекции расстояния между ними Ь:
ДА
/:
'g<x,
Таблица 3.2
Классификация склонов по крутизне
(Брауде, 1959)
Склоны
Слабопологие
Пологие
Покатые
Покато-крутые
Крутые
Очень крутые
Чрезвычайно крутые
Обрывистые
Отвесные
Крутизна,
град.
до 1
1-2
2-5
5-9
9-20
20-30
30-45
45-70
70-90
Уклон (tg a)
< 0,017
0,017-0,035
0,035-0,087
0,087-0,158
0,158-0,364
0,364-0,577
0,577-1,000
1,000-2,747
> 2,747
где а - угол между линией,
проходящей через эти две точки, и
горизонтальной плоскостью.
Величина угла а является мерой
крутизны склона. Уклон можно
выражать и в процентах,
например: tg Г = 0,017 = 1,7 %.
Предложена следующая
классификация склонов по крутизне (табл.
3.2).
Крутизна склона имеет
важное значение для
формирования стока и проявления эрозии почв. Причина существования тесной
связи крутизны склона с эродирующей способностью воды очевидна, она
связана с влиянием уклона на скорость потока, эродирующего почву.
Как уже отмечалось ранее, скорость движения воды по склону связана с
уклоном формулой Шези B.6), из которой следует, что чем больше
уклон, тем больше скорость водного потока и его энергия, тем больше
причиняемые им почве разрушения. Материалы наблюдений на
стоковых площадках подтверждают эту закономерность (табл. 3.3).
Анализ опытных данных по зависимости интенсивности эрозии
от уклона приводит к формуле вида
Таблица 3.3
Влияние крутизны склона на среднегодовой смыв почвы (по Беннету, 19S8)
Почва
Глинистый
суглинок
Пылеватый
суглинок
Глина
Песчанистый
суглинок
Суглинок
Культура
хлопчатник
кукуруза
кукуруза
хлопчатник
кукуруза
Уклон склона
0,00
0,01
0,02
0,08
0,12
0,02
0,04
0,087
0,165
0,037
0,08
Длина склона, м
30
22
22
22
28
22
Смыв почвы , т/га
4,9
11,6
15,7
134,4
164,0
23,7
68,1
62,5
161,3
44,1
68,8
6 Эрозия и охрана почв
81
Таблица 3.'
Влияние длины и крутизны склона на среднегодовой смыв почвы (по Беннету, 1958
Почва
Пылеватый
сугсшнок
Опесчавенный
глинистый
суглинок
Тонкопесчанистый суглинок
Пшенатый
суглинок
Глина
Культура
кукуруза
хлопчатник
хлопчатник
кукуруза
кукуруза
Уклон
0,16
0,12
0,10
0,087
0,077
0,10
0,08
0,04
Длина,м
44
22
11
44
22
11
44
22
11
44
22
11
44
22
11
82
55
27
192
96
48
44
22
11
Смыв, т/га
260,1
225,1
144,0
181,9
164,0
157,7
58,7
50,4
50,6
97,7
62,5
41,7
86,5
50,4
38,5
148,7
121,2
53,1
47,7
36,5
26,2
48,6
53,3
60,5
где К - коэффициент пропорциональности (К>0), п
эффициент.
Опытные значения этого коэффициента, по
торов, укладываются в диапазоне 0,7-2,2. Такой оазо'
коэффициента объясняется различиями в условиях э.
наблюдений, по материалам которых и были рассчитг..
При прочих равных условиях эти различия связаны с ра
не склонов, на которых производили измерения. Об <.■■
ствуют материалы еще одной таблицы из работы Х.Х.Бен..
Длина склона оказывает существешюе влияние hl
Чем дальше от водораздела вниз по склону, вдоль линий с-
ся изучаемый створ, тем больше будет расход воды в это;
прочих равных условиях. Последняя оговорка имеет сущее-
чение. Заключение о том, что расход стока увеличивается с
створа от водораздела не всегда подтверждается на практике
в случае с глиной (табл. 3.4). Это объясняется пространстве^
чивостью водопроницаемости почвы в пределах изучаемого скл
82
же время материалы этой таблицы свидетельствуют о том, что в
большинстве случаев смьш почвы увеличивается с увеличением расстояния
от водораздела. Автор объясняет это увеличением расхода стекающей
воды, и, следовательно, глубины и скорости потока. В конечном счете
эродирующая способность потока определяется совместным влиянием
крутизны и длины склона.
Зависимость величины смыва почвы Q от длины склона может
быть выражена следующим эмпирическим уравнением:
- Q = Kxm,
где К - коэффициент пропорциональности; х - расстояние между
изучаемым створом и водоразделом, м; т - эмпирический коэффициент,
имеющий величину, по данным разных авторов, в пределах 0,35-1,0.
Экспозиция склона также оказывает значительное влияние на
интенсивность смыва почвы. При дождевой эрозии это влияние
проявляется через разную увлажненность склонов разной экспозиции и в
связи с этим разную густоту растительного покрова, оказывающего, как
будет показано ниже, сильное защитное влияние на почву. Это особенно
хорошо проявляется в горных районах с недостаточным количеством
осадков. Например, в горных районах Узбекистана и Киргизии смьш
почвы с южных склонов в 2 - 3 раза больше, чем с северных.
При эрозии в период весеннего снеготаяния закономерность
влияния экспозиции склонов та же, однако основной причиной этого
является неравномерность распределения снега на разных частях
склонов разной экспозиции. Например, для лесостепной зоны европейской
территории России характерна такая закономерность: если на
водоразделе снежность принять равной 1, то на склонах, обращенных на юг,
юго-восток, восток,снежность равна 0,5; на склонах, обращенных на
северо-восток, она равна 1, а на склонах северо-западной экспозиции - 2.
Это связано с существенным преобладанием в зимний период
направления ветров с юга на север и особенностями динамики воздушного
потока, транспортирующего снег.
В условиях пересеченного рельефа снег аккумулируется на
подветренном склоне, особенно в нижней его части и сдувается с
наветренного. Вследствие этого при снеготаянии в первую очередь
освобождаются от снега нижние части склонов южной экспозиции. Здесь почва
оттаивает раньше и становится доступной для смыва потоками воды,
поступающими сверху. Иная картина - на склонах северной экспозиции.
Здесь в нижней части склона снега больше, чем в верхней. Потоки
воды, поступающие на нижнюю часть склона, не оказывают столь
разрушительного действия, как на склонах южной экспозиции, так как вода
идет под снегом по мерзлой почве. Скорость ее мала, вследствие сопро-
83
тивления снега движению
воды, а сопротивляемость
мерзлой почвы смыву -
велика. Соответственно
этому почвенный покров
склонов южной и западной
экспозиции более
эродирован, чем северной
экспозиции (табл. 3.5).
Закономерности
расположения на склонах
почв разной степени смы-
тости в значительной мере
определяются
особенностями рельефа. Рассмотрим,
каковы эти закономерности
на склонах трех типов:
выпуклых, прямых и вогну-
Рис. 3.2. Типы профилей склонов: а - выпуклый; 6 - пря- ТЫХ. ВО ВСеХ Случаях 1фИ
крутизне склона менее 1°
вероятность обнаружения
смытой почвы очень мала.
Наибольшее
разрушение почв наблюдается
на выпуклых участках
склона. Это обусловлено тем, что с увеличением расстояния от
водораздела одновременно увеличиваются и крутизна склона и расход
потока, а это приводит к увеличению его скорости и разрушительной
силы. В результате этого несмытые почвы водораздела на выпуклом
склоне сменяются слабосмытыми, затем среднесмытыми и сильносмы-
тыми (рис. 3.2). Вогнутые склоны при прочих равных условиях
подвергаются эрозии в меньшей степени, чем выпуклые. Это обусловлено тем,
что с увеличением расстояния от водораздела увеличение расхода
потока сопровождается уменьшением уклона. В нижней части вогнутых
склонов, где скорость потоков па-
~\У
мой: в - вогнутый: г - ступенчатый: 1 - несмытые
почвы: 2 - слабосмытые с пятнами несмытых:
3 - средне- и сильносмытые: 4 - слабосмытые с
пятнами среднесмытых: 5 - комплексные по смытости:
6 - слабосмытые с пятнами смыто-намытых: 7 -
несмытые в комплексе с намытыми: S - среднесмытые
в комплексе со слабосмытыми
Таблица 3.5
Доля средне- и сильносмытых
дерново-подзолистых почв на склонах, % (Лидов, 1981)
Экспозиция склона
Южная в западная
Северная и восточная
Крутизна склона, град.
2-3
2-3
0
3-4
25
17
4-5
33
15
5-6
55
14
дает ниже незаиляющеи, часто
наблюдаются намытые почвы (рис.
3.2).
Закономерности смыва,
характерные для выпуклого
склона, повторяются и на прямом
84
склоне, но в ослабленном виде (рис. 3.2). Это объясняется тем, что на
прямом склоне кинетическая энергия потока с увеличением расстояния
от водораздела увеличивается медленнее, чем на выпуклом. Смытые
почвы на таких склонах появляются, начиная, примерно, с их середины
или с начала нижней трети склона. При крутизне склона 5° длина"
участка несмытых почв на вершине прямого склона достигает 100 м.
Б.В.Поляков A946) оценил соотношение величин смыва на выпуклом,
прямом и вогнутом склонах, как 1,5:1:0,5. Г.ВЛопатин A952) дал
несколько иное соотношение: 1,25:1:0,75.
На ступенчатых склонах наблюдается иная закономерность:
смытые почвы занимают их крутые отрезки, а несмытые и намытые -
более пологие.
Форма водосбора оказывает влияние на величину эрозии через
концентрацию склонового стока, поэтому собирающие водосборы
наиболее опасны в эрозионном отношении, рассеивающие - наименее
опасны, нейтральные занимают промежуточное положение.
Указанные закономерности распределения эродированных почв
по склону выполняются далеко не всегда. Решающее значение может
оказать характер хозяйственного использования почв склонов. Если
использовать крутые склоны только под сенокосы и поддерживать их в
хорошем состоянии, то их густая травянистая растительность будет
существенно уменьшать скорость потока и способствовать аккумуляции
мелкозема, поступающего со стоком с соседних распаханных участков.
Очень мощные намытые почвы на крутых, не паханных склонах балок
можно встретить в Орловской области.
Для оценки влияния рельефа на развитие линейной эрозии часто
используют глубину местных базисов эрозии. Под базисом эрозии
понимают горизонтальную поверхность, на уровне которой эрозия
прекращается. Для оврага, например, базисом эрозии может быть уровень дна
балки, поймы или меженный уровень воды в реке. Для малой реки -
уровень воды в реке, в которую она впадает. Всеобщим базисом эрозии
является уровень мирового океана. Местным называют базис эрозии,
характерный для данной местности. Обычно отмечается увеличение пора-
женности территории оврагами с увеличением глубины базиса эрозии до
40-60 м. При этом абсолютное большинство оврагов приурочено к
склонам длиной 300-1250 м и крутизной 3-9° (Рожков, 1981).
3.3 Почвенные и литологические факторы
Свойства почв и грунтов определяют особенности формирования
поверхностного стока и, следовательно, эродирующую способность по-
85
тока, а она, в свою очередь, - интенсивность эрозионных процессов и
степень распространения смытых и намытых почв. В условиях
сформировавшегося поверхностного стока степень проявления эрозии зависит
от способности почвы противостоять смыву, т. е. от множества свойств
почвы, определяющих ее противоэрозионную стойкость. Рассмотрим
особенности формирования стока дождевых и талых вод, обусловленные
почвенными свойствами, а также свойства почв, определяющие их
противоэрозионную стойкость.
3.3.1 Влияние свойств почв на формирование дождевого стока
Поверхностный сток
во время дождя возникает,
когда его интенсивность
начинает превышать
интенсивность впитывания воды
почвой, которая с течением
времени убывает (рис. 3.3).
Изменение впитывающей
способности почвы во
времени с достаточной для
практических целей
точностью описывается уравнением
А.Н.Костякова A960)
£, = Kq f", C.2)
где Kt и Ко - интенсивность впитывания в момент t и в начале
впитывания, а а -коэффициент затухания скорости впитывания,
изменяющийся от 0,2 до 0,8 в зависимости от свойств почв и их исходной
влажности.
Теоретически возможны три варианта образования стока:
• сток появляется сразу же, в момент начала ливня (г„ = 0); это
случается, когда интенсивность ливня г\ больше начальной
интенсивности впитывания воды почвой Ко;
• сток появляется в момент времени tB, когда уменьшающаяся во
времени интенсивность впитывания сравнивается с интенсивностью
дождя г2;
• сток вообще не формируется, если интенсивность дождя г3 меньше
установившейся интенсивности впитывания Kyct.
В действительности чаще всего реализуется второй случай, т.е.
поверхностньш сток возникает через некоторое время после начала
дождя.
Рис. 3.3. Динамика интенсивности впитывания и
появление поверхностного стока при дождях разной
интенсивности
86
Таблица З.б
Классификация почв по водопроницаемости (Арманд, 1961)
Потенциальная
структура
Водопрочная
макроструктура
Макроструктура средней
устойчивости
Микроструктура или
неустойчивая
макрострук -
тура
Типы и
подтипы почв
черноземы тучные,
обыкновенные, вред-
кавказские, украинские
черноземы
выщелоченные, оподзоленные,
террасовые,
солонцеватые; темно-серые и
серые лесные почвы:
темно-каштановые почвы;
луговые черноземовид-
ные почвы
подзолистые почвы;
светло-серые лесные
почвы,
светло-каштановые почвы,
глубокостолбчатые солонцы
Группы по гранулометрическому составу
Глины а
тяжелые
суглинки
IV
II
I
Средние
и легкие
суглинки
V
III
II
Супеси и
сильно
щебнистые почвы
-
IV
ш
Пески
-
-
IV
Пески
слабо
задернованные
-
-
V
Поглощение почвой воды осуществляется в виде
одновременного протекания ряда процессов. Если в почве имеются крупные трещины,
ходы землероев, крупные ходы корней, то происходит турбулентное
поглощение воды почвой, вода "проваливается" в эти пустоты. В начале
процесса, если почва сухая, происходит капиллярное и пленочное
рассасывание воды в почве. По мере заполнения почвенных пор водой и
дальнейшего ее поступления в виде осадков происходит формирование
сплошного равномерного потока. Движение такого потока в почве
носит название фильтрации.
Соотношение указанных процессов,
определяющих форму кривой,
описывающей динамику интенсивности
впитывания воды почвой,
находится в большой зависимости от
свойств почв, ее агротехнического
состояния, влажности и
гранулометрического состава.
Предсказание интенсивно-
ста впитывания - одна из основных °Z "f !'° '•* & *£ &
трудностей при определении
поверхностного СТОКа. ОбыЧНО ее Р"С-ЗЛ 3ав"^ост» "^енсивности впи-
тывания воды в почву от интенсивности
определяют опытным путем в поле- дождя для почв разных ооссов (см табл
3.6)
87
вых условиях, но есть и расчетные методы. Д.Л.Арманду A961) удалось
сфуппировать почвы разного генезиса и фанулометрического состава в
классы по их водопроницаемости во время дождя (табл. 3.6). Всего он
выделил пять классов. Почвы первого класса характеризуются
наименьшей водопроницаемостью, а почвы пятого класса - наибольшей.
Для определения принадлежности почвы к одному из этих классов
необходимо знать ее тип и фанулометрический состав.
Наибольшей водопроницаемостью обладают, в общем,
черноземы. Наименьшей - при одном и том же фанулометрическом составе -
малогумусные почвы: подзолистые, светло-серые лесные, светло-
каштановые. Однако большое влияние оказывает и
фанулометрический состав почвы. Действительно, даже перечисленные выше
малогумусные почвы могут относиться к любому из пяти классов при
изменении фанулометрического состава от глины до песка.
Зависимость интенсивности впитывания от интенсивности дождя
для почв разных классов описывается соответствующими кривыми на
рис. 3.4. Естественно, что кривая, соответствующая пятому классу почв,
занимает самое верхнее положение, а ниже располагаются кривые,
соответствующие более низким классам. Интересен сам характер
зависимостей скорости впитывания воды почвой от интенсивности дождя - все
они являются возрастающими. Это объясняется тем, что с увеличением
интенсивности дождя увеличивается доля площади, занятая водой, т.е.
"рабочей" площади в отношении напорного впитывания.
Показательно также, что вначале все кривые располагаются под
углом 45° к горизонтали, т.е. скорость впитывания равна интенсивности
дождя, и сток не формируется. Однако рано или поздно кривые
отклоняются к горизонтали, что соответствует моменту начала формирования
стока. Для почв I класса он соответствует интенсивности дождя 0,1
мм/мин, для почв V класса 1,1 мм/мин.
Пользуясь этой схемой, легко рассчитать коэффициент стока а
для почвы любого класса, если известна интенсивность дождя г. Для
данного класса почвы заданной величине г соответствует определенное
К (рис. 3.6), тогда легко найти коэффициент стока:
а= (г -К) /г.
3.3.2 Особенности формирования стока при снеготаянии
Снеготаяние в зависимости от характера весны может быть
радиационным и адвективным.
Радиационное снеготаяние происходит днем при ясной погоде
за счет поглощения солнечной радиации. Оно начинается несколько
позже восхода солнца и заканчивается несколько раньше его захода.
88
Максимум снеготаяния наблюдается обычно с 12 до 16 ч. В средней
полосе снеготаяние обычно наблюдается в течение одной-трех недель, в
случае похолодания оно растягивается до полутора месяцев.
Адвективное снеготаяние происходит при пасмурной погоде за
счет притока теплых воздушных масс. Этот процесс часто усиливается
выпадением жидких осадков и может продолжаться круглые сутки. Роль
адвективного снеготаяния понижается с продвижением с запада на
восток по мере увеличения континентальности климата.
Таяние снега происходит в две стадии: днем талая вода
скапливается в крупных порах и движется вниз, оплавляя кристаллы снега;
ночью же замерзает. Это явление повторяется много раз и приводит к
перекристаллизации снега. Кристаллы становятся крупнее, приобретают
зернистую форму; расстояние между ними увеличивается. С каждым
днем в снеге накапливается все больше воды, а каналы внутри снежной
толщи становятся все шире. Этот период снеготаяния называется фазой
аккумуляции. Она занимает примерно одну треть всего периода
снеготаяния. При дальнейшем таянии снега вода уже не в состоянии
удерживаться в его толще и начинает стекать. Так начинается вторая фаза -
фаза стекания. В толще снега устанавливается нулевая температура.
Плотность снега повышается от 0,1-0,2 г/см3 (до снеготаяния) до 0,3-0,4
г/см3.
Таяние снега в лесу начинается на одну-две недели позже, чем в
поле, однако интенсивность таяния того же порядка, что и в поле. Это
связано с тем, что к этому времени солнце поднимается все выше, кроме
того часто начинают вторгаться теплые воздушные массы.
В начале снеготаяния шероховатость каналов в толще снега, по
которым течет талая вода, очень велика, поэтому скорость стекания
мала, а режим течения бьшает, ламинарным и переходным от ламинарного
к турбулентному. В дальнейшем, по мере увеличения интенсивности
снеготаяния, движение все более турбулизируется.
Полезащитные лесные полосы вносят существенные изменения в
динамику снеготаяния. Рассмотрим особенности процесса таяния снега
в лесополосе. Талые воды на подступах к лесополосе встречают
длинный шлейф снега или сугроб (если полоса относится к типу не
продуваемых ветром). В начале второй фазы снеготаяния вода постепенно
насыщает снежный шлейф. Впитывание воды шлейфом приводит к
растягиванию сроков поступления воды в лесную полосу, т.е. шлейф по
своему последействию имеет для лесополосы то же значение, что и
подстилка летом. По мере дальнейшего нарастания процесса снеготаяния
потоки воды уже выходят на поверхность и концентрируются в
заглубленных руслах. Приопушечный сугроб играет роль дамбы у лесополосы
89
- перед ним образуется прудок. Если полоса расположена на склоне,
накопившаяся вода стекает вдоль нее в ложбины, балки или оврага.
Однако часто случается, что накопившаяся вода прорывает сугроб,
"прорезает" лесополосу и устремляется на поле в виде
концентрированного потока, что, естественно, часто сопровождается усилением размьша
почвы. Наличие сугробов у лесополос сильно задерживает начало
полевых работ, а вызываемое их таянием переувлажнение почвы часто
приводит к вымоканию посевов озимых. Поэтому при проектировании сети
полезащитных лесополос необходимо выбирать такую конструкцию
лесополосы, которая способствовала бы удлинению снежного шлейфа и,
следовательно, более равномерному распределению снега по полю,
прилегающему к лесополосе.
Особенности впитывания воды мерзлой почвой оказывают
существенное влияние на формирование стока при снеготаянии. Способность
мерзлой почвы впитывать воду определяется размером крупных пор и
степенью заполненности их льдом. Данных по водопроницаемости
мерзлых почв очень мало, тем не менее, по имеющимся материалам можно
заключить, что характер зависимости водопроницаемости от
гранулометрического состава и структуры почвы зимой такой же, как и летом.
Поэтому разделение почвы на классы по их водопроницаемости в летний
период сохраняет свою значимость и для случая мерзлых почв.
Численные же значения водопроницаемости зимой будут меньше. Для
пересчета водопроницаемости в летний период на водопроницаемость мерзлой
почвы ДЛ.Арманд предложил коэффициент 0,6.
3.3.3 Прогнозирование стока при снеготаянии
Основой для прогноза стока при снеготаянии может служить
схема, разработанная Г.П.Сурмачем A969) применительно к зонам
черноземных и каштановых почв (табл. 3.7).
Схема позволяет, основываясь на оценке наблюдений за
погодными условиями, получить, используя материалы табл. 3.8, подходящее
для текущего года сочетание типов сезонов и соответствующую этому
качественную характеристику стока, а из табл. 3.9 - соответствующие
количественные характеристики стока: слой и коэффициент стока.
Наиболее важным фактором формирования весеннего стока
является влажность почвы в предзимний период. Мерзлая, но сухая почва
проницаема для воды. Однако, если почва замерзла в переувлажненном
состоянии, и ее поры забиты льдом, водопроницаемость почвы очень
мала. В связи с этим погодные условия осени(Оп), особенно поздней,
оказывают определяющее влияние на водопроницаемость почвы и формиро-
90
Таблица 3.7
Схема прогнозирования стока на черноземах и каштановых почвах (Сурмач, 1969)
Сочетание типов
сезонов
Oi31 Bi В2 Вз
О1З3 Bi В2 Вз
0,33 В, В2 Вз
0,34В,
0,34 В2 Вз
023, В, В2Вз
0232 Bi В2 Вз
0233 Bi B2 Вз
023„ В2 Вз
0234 В,
О3З1 Bi B2 Вз
0з32 Bi B2 Вз
ОзЗз В,
ОзЗз В2 Вз
0з34 В!
О3З4 В2 Вз
043, 32В, В2 Вз.
0433В,
043з В2 Вз
0434Bi
0434 В2 Вз
Характеристика стока с
обычной зяби
стока нет
стока нет
стока нет
слабый
слабый до умеренного
стока нет или очень слабый
очень слабый
стока нет или очень слабый
слабый ло умеренного
слабый
стока нет или очень слабый
очень слабый
очень слабый
очень слабый до слабого
слабый
слабый до умеренного
умеренный и сильный
очень слабый
слабый
сильный
очень сильный
Характеристика стока с уплотненной
пашни (озимые, многолетние травы,
стерня) и пастбищных угодий
очень слабый или слабый
слабый до умеренного
слабый
сильный
сильный
умеренный
умеренный до сильного
слабый до умеренного
сильный
сильный
сильный
умеренный до сильного
слабый до умеренного
умеренный
сильный и очень сильный
сильный и очень сильный
очень сильный и чрезмерный
умеренный
умеренный и сильный
очень сильный
очень сильный
вание весеннего стока: чем больше осадков, тем меньше
водопроницаемость и больше сток.
Погодные условия зимы (Зп) также оказывают заметное влияние
на сток. Оттепели, особенно прерываемые глубокими похолоданиями,
способствуют насыщению верхнего слоя почвы льдом и формированию
на поверхности почвы ледяной корки.
Характер весны (В„) в
условиях черноземов и каштановых почв
оказывает гораздо меньше влияния.
Во многих случаях судьба весеннего
стока предрешена осенью и зимой.
Однако теплая весна, прерываемая
похолоданиями, все же оказывает
некоторое стимулирующее влияние на
сток.
На черноземах Поволжья и
Заволжья главным фактором,
определяющим характеристики стока при
Таблица 3.9
Шкала для оценки стока (Сурмач,
1969)
Наличие и
степень стока
Нет
Очень слабый
Слабый
Умеренный
Сильный
Очень сильный
Чрезмерный
Величина
стока, мм
0
до 7
8-20
21-40
41-75
76-115
больше
115
Коэффициент стока
0,00
' до 0,05
0,06-0,15
'0,14-0,35
0,36-0,65
0,66-0,85
больше
0,85
91
Таблица 3.8
Характеристика типов сезонов (по Сурмачу, 1969)
Тип | Характеристика
Осень
0!
о2
0з
04
сухая; предзимнее увлажнение ниже нормы
влажная; предзимнее увлажнение около нормы
влажная; осадков в 1,5-2 раза больше нормы; почва увлажнена до общей
влагоемкости
влажная; много осадков в предзимний период; пахотный слой почвы
переувлажнен
Зима
3,
За
Зз
34
холодная, без сильных оттепелей
умеренно холодная, с оттепелями; местами не сплошная ледяная корка
теплая с частыми оттепелями; частичное или полное стаивание снежного
покрова; оттаивание почвы с последующим замерзанием (слабым)
холодная или умеренно холодная с глубокими оттепелями и дождями; почти
полное стаивание снега и последующее замерзание почв
Весна
в,
в2
Вз
затяжная с равномерным снеготаянием при пасмурной погоде; без
заморозков или со слабыми заморозками
дружная, при солнечной погоде и высокой интенсивности снеготаяния;
почвенные заморозки
затяжная, прерываемая похолоданиями, сопровождаемыми дождями
снеготаянии, является характер увлажнения почвы осенью. Зима в этой
зоне устойчивая и сток можно прогнозировать в начале зимы. Дня
каштановых почв главным фактором, определяющим характеристики стока
при снеготаянии, является характер увлажнения почвы зимой. Зима в
этой зоне часто сопровождается оттепелями, поэтому сток можно
прогнозировать не раньше, чем в середине зимы.
При усовершенствовании методов долгосрочного
прогнозирования погоды до такой степени, что станет возможным уже в сентябре
обоснованно прогнозировать сток талых вод с различных угодий,
появится возможность своевременно провести соответствующие
мероприятия и резко увеличить эффективность работ по защите почв от эрозии.
3.3.4 Противоэрозионная стойкость почв и фунтов
Противоэрозионная стойкость почв характеризует способность
почвы противостоять смывающему действию водного потока или
совместному действию потока воды и капель дождя. Количественно она
выражается величиной размывающей скорости потока, которая
непосредственно определяется двумя показателями почвы: размером
водопрочных агрегатов и сцеплением их друг с другом. Остальные свойства почв
влияют на противоэрозионную стойкость косвенно, через эти
показатели.
92
Противоэрозионная стойкость почв и грунтов, как и другие их
водно-физические свойства, в значительной мере определяется
свойствами коллоидно-дисперсных минералов, которые преобладают в
илистой фракции. Таким мало набухающим минералам, как каолинит,
соответствует относительно низкая противоэрозионная стойкость почв и
грунтов, так как они обеспечивают слабое сцепление между частицами.
Наоборот, породы, в которых преобладают гидрофильные минералы -
монтмориллонит и ему подобные, - Характеризуются сравнительно
высоким сцеплением и противоэрозионной стойкостью (Седлецкий,
Ларионов, 1955). В то же время при условии равного сцепления повышение
гидрофильности сопровождается понижением сопротивляемости грунтов
размыву (Мирцхулава, 1967).
Значительное влияние на противоэрозионную стойкость почв
оказывает гранулометрический состав. Из двух почв одинакового
генетического типа большей противоэрозионной стойкостью обладает более
тяжелая по гранулометрическому составу почва, содержащая больше
илистой фракции, способной к структурообразованию. Особенно
неблагоприятно высокое содержание фракции крупной пыли @,05-0,01 мм),
значительно понижающей водопрочность структуры.
Способность гумуса склеивать, цементировать частицы почвы
друг с другом в водопрочные агрегаты должна сказываться на
противоэрозионной стойкости почв. Действительно, многие исследователи при
сравнении разных почв отмечали более высокую противоэрозионную
стойкость почв с высоким содержанием гумуса. С.С.Соболев A948)
расположил основные типы почв по противоэрозионной стойкости в
следующий ряд: мощный суглинистый чернозем > темно-каштановая почва >
лесные суглинистые почвы > среднеподзолистые почвы. Аналогичный
ряд предложил В.Б.Гуссак A959): луговые почвы > черноземы > желто-
подзолистая > дерново-подзолистая > почвы пустынных степей и
пустынь. А.Д.Воронин и М.С.Кузнецов A970) расположили почвы
основных типов европейской части СССР по противоэрозионной стойкости в
следующий ряд: чернозем мощный > чернозем обыкновенный >
чернозем южный > дерново-подзолистая почва > светло-каштановая почва.
Таким образом, противоэрозионная стойкость почв убывает на север и
юг от черноземно-степной полосы вместе с уменьшением содержания
гумуса.
Обменные катионы оказывают большое влияние на
поверхностные свойства почв&иаых частиц, поэтому можно ожидать, что
противоэрозионная стойкость почв также зависит от их состава. В.В.Охотин и
О.Ф.Смирнова A931) исследовали противоэрозионную стойкость обык-
93
жженного чернозема и пермской глины, насыщенных в одном случае
обменным кальцием, в другом - натрием. Противоэрозионная стойкость
образцов, насыщенных натрием, оказалась в обоих случаях в 3 раза
больше. В.П.Козлов A947) сравнивал водопрочность отдельных
агрегатов почв насыщенных Na+ и Са+2 в сухом и предварительно
увлажненном состоянии и пришел к вьгооду, что после капиллярного смачивания
агрегаты почвы, насыщенные Na+, распадаются быстрее, чем
насыщенные Са+2.
В воздушно-сухом состоянии почвы, богатые коллоидами,
обладают более водопрочной структурой также в том случае, если они
насыщены обменным кальцием, однако для почв, бедных коллоидами,
наблюдается обратная зависимость. Водопрочность агрегатов почвы
насыщенной Na+ в воздушно-сухом состоянии связана со слабой
водопроницаемостью агрегатов вследствие их низкой активной порозности
(Качинский, 1965). Вопрос о влиянии состава обменных катионов на
противоэрозионную стойкость почв нельзя считать полностью решенным
из-за недостатка данных по противоэрозионной стойкости почв
природной солонцеватости разной степени выраженности.
Исследованиями Ц.Е.Мирцхулавы A958) установлен характер
влияния солей на противоэрозионную стойкость грунтов. Наименьшим
сопротивлением размыву обладают фунты, содержащие
легкорастворимые соли. В результате быстрого вымывания этих солей связность
фунта, а с ней и противоэрозионная стойкость быстро уменьшаются.
Грунты, содержащие дисперсный гипс обладают большей противоэрозионной
стойкостью; далее следуют грунты с крупнокристаллическими
рассеянными карбонатами. Наибольшей противоэрозионной стойкостью
обладают грунты, содержащие гидроокислы железа и сплошной макро- и
микрокристаллический кальцит.
Плотность почвы и плотность твердой фазы почвы
непосредственно связаны с весом афегатов, поэтому можно ожидать наличие
связи этих показателей с противоэрозионной стойкостью. Однако в опытах
Ц.Е.Мирцхулавы с фунтами такой связи не было выявлено. Это
объясняется тем, что наряду с изменением плотности изменились и другие
свойства фунтов, оказывающие влияние на их противоэрозионную
стойкость. В тех случаях, когда сохраняются прочие равные условия, четко
проявляется прямая зависимость противоэрозионной стойкости почв и
фунтов от их плотности (Кузнецов, 1967).
Водопрочность сфуктуры - один из важнейших факторов
противоэрозионной стойкости почв и фунтов. В работах многих авторов
высокая противоэрозионная стойкость почв ассоциируется с ее высокой
94
структурностью. Однако в некоторых случаях прочность структуры
почвы в воде не обеспечивает высокой противоэрозионной стойкости. Это
свидетельствует о том, что противоэрозионная стойкость не
исчерпывается водопрочностью агрегатов, особенно это справедливо для
уплотненных почв и грунтов. Однако в грунтах с незначительной связностью
отмечается заметная корреляция данных агрегатного состава с
противоэрозионной стойкостью (Мирцхулава, 1967).
Косвенные показатели способности почвенной плазмы
образовывать водопрочные агрегаты также коррелируют с противоэрозионной
стойкостью почв. Наиболее тесной является обратная связь
противоэрозионной стойкости с коэффициентом дисперсности по Качинскому. Это
обстоятельство использовано в формуле коэффициента
противоэрозионной стойкости, предложенной АДВорониным и М.С.Кузнецовым
A970):
К 100%
у = П>.СТ
Л llp.'CT '
К лисп
где К прхт - показатель противоэрозионной стойкости;
Ягр.ст - гранулометрический показатель структурности по Вадюниной,
равный отношению содержания частиц диаметром < 0,001 мм к
суммарному содержанию более крупных фракций при механическом
анализе почвы по Качинскому;
Ядисп _ коэффициент дисперсности по Качинскому, равный отношению
фракции диаметром < 0,001 мм при микроагрегатном анализе к
фракции такого же размера, полученной при механическом анализе.
Сцепление - главнейший показатель, непосредственно
определяющий противоэрозионную стойкость почв и грунтов. В случае
плотных связных фунтов противоэрозионная стойкость практически
полностью определяется сцеплением, причем основная роль принадлежит
сцеплению агрегатов друг с другом. Наилучшим способом определения
межагрегатного сцепления является измерение сопротивления разрыву, так
как в этом случае граница раздела проходит именно через контакты
между агрегатами. Особенностью отрыва агрегатов в турбулентном
водном потоке является воздействие на агрегат не постоянной, а
пульсирующей нагрузки, вызывающей "усталость" грунта. В связи с этим и
измерение прочности также должно производиться под динамической
нагрузкой. Прибор, удовлетворяющий этим требованиям, сконструирован
Ц.Е.Мирцхулавой A967). Результаты экспериментов показали, что
усталостная прочность на разрьш глинистых слитых грунтов в состоянии
полного водонасыщения составляет 0,22 от статической прочности на
разрьш, а агрегатных - 0,16. Испытание грунтов на разрьш даже при ста-
95
тической нагрузке представляет большие трудности. В случае с почвой
трудности возрастают, так как рыхлые образцы трудно зажать в
полуцилиндры, не нарушая их сложения. В связи с этим Ц.Е.Мирцхулава
предложил использовать для характеристики противоэрозионной
стойкости грунтов величину их сцепления, определенную методом Цытовича по
глубине вдавливания сферического штампа под действием определенной
нагрузки (см. раздел 2.3.2).
Максимальная гигроскопическая влажность, максимальная
молекулярная влагоемкость, нижний и верхний пределы пластичности
непосредственно связаны с гранулометрическим и минералогическим
составом почв и грунтов, поэтому они влияют в какой-то мере на
сцепление и водопрочность структуры и, следовательно, на их противоэрозион-
ную стойкость. Однако это влияние обычно трудно выявить вследствие
воздействия других более мощных факторов.
Влияние влажности почвы непосредственно на сопротивление ее
смыву изучал В.Б.Гуссак A959). Он сравнивал противоэрозионную
стойкость террасового чернозема в сухом и капиллярно увлажненном
состоянии и установил, что количество почвы, смытой с сухой
поверхности монолита, оказывается в сотни раз больше, чем с увлажненной,
причем сухая почва остается менее стойкой даже после полного ее про-
мачивания потоком сверху. Аналогичную картину наблюдал
Т.Г.Жордания A957) на карбонатных суглинках Самгори (Грузия).
Основной причиной благоприятного действия предварительного
увлажнения на противоэрозионную стойкость грунтов он считает медленное
вытеснение водой адсорбированного и свободного воздуха, тогда как при
поступлении сразу большой массы воды на сухой образец воздух
выделяется бурно, разъединяя и разрушая агрегаты.
В дальнейшем было показано, что размывающую скорость
потока при любой исходной влажности можно рассчитать по формуле B.29),
если показатели водопрочности dv и сцепления Cw определять при той
же исходной влажности почвы W (см. раздел 2.3.2). Так, если нужно
получить размывающую скорость потока для сухой почвы, для определения
сцепления берут образец сухой почвы, затапливают водой сверху на 6 ч
и затем измеряют сцепление. Таким образом на образце перед
определением сцепления моделируются процессы, происходящие в сухой почве
при поступлении на ее поверхность потока воды большого расхода. При
этом сцепление в поверхностном слое такой почвы оказывается
значительно ниже, по сравнению с предварительно капиллярно насыщенной
(от полутора до нескольких раз), главным образом, в зависимости от
гранулометрического состава почвы. Точно так же водопрочность
структуры сухой почвы оказывается всегда ниже, чем предварительно увлаж-
96
ненной. В строгом соответствии с изменением водонрочности и
сцепления почвы в зависимости от исходной влажности меняется и противо-
эрозионная стойкость почвы.
Влияние исходной влажности на противоэрозиоиную стойкость
почв наблюдается не только при положительных, но и при
отрицательных температурах. Однако характер влияния в этом случае совершенно
другой. Замерзание и последующее оттаивание почвы при высокой
влажности, особенно многократное, а также при капиллярном подтоке
воды снизу оказывает отрицательное влияние на противоэрозиоиную
стойкость почвы. При этом формируются хорошо выраженные
прослойки льда, снижающие сцепление и размер водопрочных агрегатов. При
малом содержании влаги в почве создаются неблагоприятные условия
для образования крупных прожилок льда, а при влажности, близкой к
нижнему пределу пластичности и меньшей, таких прожилок вообще не
бывает. Образование прослоек льда связано с миграцией воды к центрам
кристаллизации вследствие качественной неоднородное™ почвенной
влаги, благодаря чему не вся вода кристаллизуется сразу, и к
образовавшимся уже центрам кристаллизации подтягивается еще не замерзшая
вода. Из изложенного ясно, что замерзание и последующее оттаивание
почвы влияет не непосредственно, а через водопрочность структуры и
межагрегатное сцепление, поэтому формула B.29) для расчета
размывающей скорости потока применима также для замерзшей и оттаявшей
почвы, если значения входящих в формулу аргументов определены для
образцов почвы, испытавших аналогичные воздействия отрицательных
температур.
Следует отметить, что противоэрозионная стойкость почвы,
замерзшей во влажном состоянии и не оттаявшей при взаимодействии с
водным потоком, должна быть очень велика из-за высоких значений
сцепления между частицами, прочно спаянными льдом. По данным
В.И.Косоножкина A992) при влажности более 80% от наименьшей вла-
гоемкости почва в мерзлом состоянии не подвергается смыву при
скорости потока до 2 м/с. В связи с этим смыв почвы, как уже отмечалось
выше, начинается лишь при появлении проталин и усиливается по мере
оттаивания почвы.
Противоэрозионную стойкость почвы можно приблизительно
оценить, пользуясь таблицей 3.10, по ее генетическому типу и виду
хозяйственного использования. При глубине потока, отличной от 1 см,
необходимо произвести пересчет размывающей скорости с учетом
фактической глубины. Для этого размывающую скорость потока глубиной 1 см
необходимо умножить на корень шестой степени из фактической
глубины (в см) при глубинах более 1 см и на корень четвертой степени из
7 Эрозия и охрана почв
97
Таблица 3.10
Классификация почв по протмвоэрозиошюй стойкости
Противо-
эрозионная
стойкость
Очень
низкая
Низкая
Средняя
Высокая
Очень
высокая
Размывающая
скорость
потока ппубнной
1 см, см/с
10-15
15-20
20-30
30-50
>50
Почвы, горизонты
Рыхлые пахотные горизонты
плотностью не более 1,2г/см
без растительности
Рыхлые пахотные горизонты
3
плотностью не более 1,2 г/см
под зерновыми культурами
Сероземы любого
гранулометрического состава,
светло-каштановые почвы легкого
гранулометрического состава
Все остальные почвы
Почвы любого типа и
гранулометрического состава
3
Пахотные горизонты плотностью более 1,2 г/см без
растительности или под зерновыми культурами, подзолистый горизонт и
переходные горизонты дерново-подзолистых и серых лесных
почв с обильной кремнеземистой присыпкой, нижние
горизонты почв аридной зоны
Пахотные горизонты почв под нормально развитыми травами н
зерно-бобовыми смесями, подпахотные и более глубокие горн-
зонты, за исключением перечисленных выше
Плотные горизонты почв под хорошо развитыми многолетними
травами, верхние горизонты почв под луговой, целинной и
травянистой растительностью, а также под хорошо развитой
травянистой растительностью в лесах
глубины - при глубинах менее 1 см, что следует из уравнения B.17). В
случае очень малой величины выступов шероховатости (например, в
поливных бороздах на сероземах) следует использовать в качестве
коэффициента пересчета корень шестой степени из глубины даже при
глубинах менее 1 см.
Влияние смытости почвы на ее противоэрозионную стойкость не
нашло отражения в табл. 3.10 ввиду недостаточной изученности этого
вопроса. Однако по имеющимся немногочисленным данным можно
отметить, что рыхлые пахотные горизонты среднее мытых почв имеют, в
среднем, в 1,2 раза меньшую размывающую скорость, чем несмытые, за
счет уменьшения водопрочности структуры почвы в результате смыва.
На более плотных почвах влияние смытости может и не проявиться, так
как уменьшение водопрочности структуры смытых почв компенсируется
увеличением их сцепления, возникающим в результате увеличения
плотности сложения.
Приведенные в табл. 3.10 величины размывающих скоростей
получены для водонасьпценных почв. Для воздушно-сухих почв они
значительно ниже, в среднем в 1,5 раза - в случае рыхлых пахотных го-
98
Таблица 3.1 ]
Нсразмывающмс средние скорости потока для некоторых видом грунтов (м/с)
Грунт
Песок мелкий @,05-0,25 мм)
» средний @,25-1,0 мм)
» крупный A,0-2,5 мм)
Лёссовидные однородные грунты
Глины
Пористый и слоистый известняк,
песчаник известняковый
Средняя глубина потока, м
0.4
0,17-0,27
0,27-0,47
0,47-0,53
0,27
0,7
2,5
Ю
0,21-0,32
0,32-0,57
0,57-0,65
0,32
0,85
3,0
2.0 .
0,24-0,37
0,37-0,65
0,65-0,75
0,37
0,95
3,4
ризонтов и в 3 раза - в случае уплотненных нижних горизонтов, Это
обстоятельство следует учитывать при расчете мероприятий по защите
почв от ирригационной эрозии, так как влажность поверхностного слоя
почвы перед поливом бывает весьма низкой.
При весеннем снеготаянии верхний оттаявший слой почвы
также имеет меньшую противоэрозионную стойкость, ввиду отрицательного
действия многократного чередования процессов замерзания и
оттаивания. Немногочисленные экспериментальные данные показывают, что
размывающую скорость для них следует брать в среднем в 1,3 раза
меньшую, чем указано в табл. ЗЛО.
Еще меньше данных о противоэрозиоиной стойкости почв при
дождях. Предварительные исследования показали, что под воздействием
дождя, разрушающего структуру ночвы и повьииающего турбулентность
потока воды, размывающая скорость потока для почвы без
растительности уменьшается, в среднем, в 1,7 раза.
Для развития линейной эрозии большое значение имеют не
только свойства почв, но и свойства материнских и подстилающих
пород, и в первую очередь их противоэрозионная стойкость. В табл. 3.11
приведены значения неразмьшающих скоростей потока для некоторых
видов грунтов (Киселев, 1957).
3.4 Биогенные факторы
Растения оказывают многообразное влияние на процессы
эрозии. Мелкие корни скрепляют почвенные агрегаты, придают им водо-
прочность, создают прочные эластичные связи между ними.
Растительность оказьгоает и косвенное влияние на противоэрозионную стойкость
почв, изменяя гидрологический и биологический режимы почвы.
Прямое влияние растительности на противоэрозионную
стойкость грунтов изучал Ц.Е.Мирцхулава A967). Он выяснил, что
возделывание таких растений, как люцерна и райграс, способствует повышению
99
показателя противоэрозионной стойкости, размывающей скорости
потока, в 1,4 - 2,0 раза. Эффективность растений в первую очередь зависит
от могжоватости корневых систем. В соответствии с этим пропашные
культуры, почта не способствуют увеличению размывающей скорости.
Зернобобовые увеличивают ее примерно в 1,2 раза, зерновые - в 1,3,
бобовые без злаков - в 1,7, злаково-бобовая смесь - в 2,2, луговые
растения - в 3 р*та, Влияние корней растений на противоэрозионную
стойкость почв иллюстрируется также табл. 2.14.
Значительное .влияние на процессы эрозии оказывает также
надземная часть растений. Листья и стебли растений, особенно древесных,
задерживают часть осадков. По данным А.А.Молчанов'а A960) кроны
деревьев в хвойных, лесах задерживают до 53% осадков, выпадающих за
год. В летние месяцы кроны могут задержать до 20-30% дождевых
осадков. Несколько миллиметров осадков задерживают лесная подстилка и
мох. Луговая растительность может задержать до 1,2 мм осадков.
Хорошо развитый растительный покров предохраняет почву от
ударов дождевых капель, увеличивает водопроницаемость почвы, создает
высокую шероховатость поверхности, снижающую скорость склонового
стока. Поскольку многие стороны влияния растительности на эрозию
ясчв рассмотрены выше, остановимся на влиянии растительности на
коэффициент шероховатости. Такие данные приводятся Дж.Китриджем
A951). Коэффициент шероховатости увеличивается в зависимости от
характера травяного покрова в 2 - 3 и даже 4,5 раза. О том же
свидетельствуют данные табл. 2.2 и 2.3. По данным Г.АЛарионова A993)
заметное увеличение скорости движения воды начинается при снижении
проективного покрытия до 50%. В результате эффективного повышения
противоэрозионной стойкости почв и снижения скорости потоков воды
на склонах, смыв почвы под влиянием растительности резко
уменьшается. Под хорошо развитыми травами смыв почвы может сократиться в
десятки и сотни раз. Меньшее, но все же существенное влияние
оказывают однолетние травы и зернобобовые, еще меньшее влияние
оказывают зерновые и пропашные культуры. Растительность является мощным
рычагом воздействия человека на процессы эрозии почв.
Наибольшее положительное влияние сельскохозяйственных
культур на противоэрозионную стойкость почв наблюдается в период их
максимального развития - в конце лета - начале осени. К этому же
времени происходит уплотнение почвы, поэтому противоэрозионная
стойкость почв в указанный период оказывается максимальной. В табл.
3.12 гфчредеиы максимальные значения размывающей скорости потока
для тяжелосуглинистых почв, испытьюающих воздействие потока воды
без участия дождевых капель. Для перехода к легко- и среднесуглинис-
100
Таблица 3.12
Максимальные размывающие скорости потока глубиной 1 см для разных яоче я угодий
(м/с)
Почва
Дерново-подзолистая на
моренном суглинке
Дерново-подзолистая на
лёссовидном суглинке
Серая лесная
Чернозем типичный мощный
Чернозем обыкновенный
Каштановая
Светло-каштановая
Угодье, культура
Чистый пар и
пропашные
культуры
(почва рыхлая)
0,19
0,16
0,17
0,19
0,19
0,17
0,15
Яровые
культуры
сплошного
сева
0,27
0,22
0,24
0,27
0,27
0,24
0,21
Озимые куль
туры и травы
1-го года
пользования
0,30
0,26
0,27
0,30
0,30
0,27
0,24
Многолетни*
травы 2-го и
последующих
лет иользов&лия
0,30 - 0,70
тым почвам следует умножить указанные величшш на коэффициент
0,94.
В реальных условиях, при дождях, величины размывающих
скоростей потока для почв будут значительно ниже. Дня перехода к
реальным величинам размывающих скоростей следует умножить данаые
табл. 3.12 на соответствующий понижающий коэффициент (табл. 3.13).
Его величина зависит от угодья или сельскохозяйственной культуры и
степени ее развития, которая закономерно изменяется с мая по октябрь.
Для пара этот коэффициент постоянный, т.к. принято, что почва под
паром всегда находится в рыхлом состоянии и свободна от соркяксв. Для
многолетних трав он мало изменяется, т.к. к маю травы успевают яолео-
стыо сформироваться. В дальнейшем проективное покрытие трав ие-
Таблица 3 . i i
Коэффициент для перехода от максимальной к реальной размыьшо^с11 скорссяг
потока по месяцам
Зона
Лесная
Степная
Угодье, культура
Чистый пар (почва рыхлая)
Озимые
Яровые
Кукуруза
Многолетние травы
Чистый пар (почва рыхлая)
Озимые
Яровые
Кукуруза
Многолетн и е. травы
Месяцы
V
0,60
0,50
0,50
0,61
0,84
0,60
0,60
0,54
0,62
0,84
VI
0,60
0,70
0,54
0,64
0,84
0,60
0,82
0,77
0,66
0,79
VII
0,60
0,82
0,82
0,68
0,79
0,60
0.7с
0,82
0,70
0,84
VIII
0.60
0,37
0,77
0,78
0,78
0,60
0,37
0,54
0,74
IX | X
0,60 1 0,60
0,41 ! 0,50
0,43 ! 0,43
0,64 1 0,60
0,84
0,79 1
0,60 С,5С
0 4 "■ ' С 50
0,43
0,74
0,79 Г 0,84
0,43
0,60
0,79
101
сколько изменяется при укосах, что и вызывает периодическое
понижение указанного коэффициента. Для других культур происходит
постепенное нарастание указанного коэффициента с мая до момента уборки,
а затем - резкое уменьшение.
3.5 Антропогенные факторы
Влияние хозяйственной деятельности человека на процессы
эрозии трудно переоценить. Действие этого фактора проявляется
опосредовано, через другие факторы эрозии почв. В процессе хозяйственной
деятельности человек коренным образом изменяет соотношение факторов
эрозии почв, причем окончательный эффект этого воздействия часто
бывает неблагоприятным, что сопровождается ускорением развития
эрозии почв. Ускоренная эрозия почв в современных условиях чаще всего
бывает следствием нерациональной хозяйственной деятельности. Ее
причинами могут быть как отсутствие нэучяо обоснозэнквде
рекомендаций по рациональной хозяйственной деятельности с учетом всех
факторов эрозии почв, так и невыполнение имеющихся рекомендаций.
Необходимо отметить, что к настоящему времени разработан
весьма обширный перечень противоэрозионных. мероприятий, который
непрерывно продолжает пополняться все новыми мероприятиями по
охране почв от эрозии. Каждое из мероприятий направлено на
регулирование одного или несколько факторов эрозии почв. Эффективность
предлагаемых мероприятий (основные типы этих мероприятий будут
детально рассмотрены ниже) чаще всего бывает достаточно хорошо
изучена. Задача состоит в том, чтобы используя эти мероприятия,
разработать зональные почвозащитные системы земледелия. Для скорейшего
внедрения этих систем помимо прочего необходимы и количественные
методы прогнозирования потерь почвы от эрозии в условиях
почвозащитной системы земледелия с включением в нее комплекса
противоэрозионных мероприятий. Надежные методы прогнозирования потерь
почвы от эрозии позволяют существенно ускорить разработку
почвозащитной системы земледелия поскольку они позволяют предварительно
оценить эффективность различных противоэрозионяых мероприятий
аналитическим путем и, основываясь на оценке факторов эрозии почв в
каждом конкретном случае, предложить оптимальные варианты
почвозащитных систем земледелия для производственных испытаний. Современные
методы прогнозирования потерь почвы от эрозии будут рассмотрены в
главе 7.
Возможности регулирования человеком факторов эрозии почв
велики, но, к сожалению, не безграничны. Об этом свидетельствует
102
предложенная М.Н.Заславским A983) классификация природных
процессов, вызывающих дефадаишо оочв (в том числе эрозию), основанная
на возможностях человека управлять этими процессами. В соответствии
с этой классификацией все известные природные процессы, приводящие
к деградации почв, можно объединить в четыре группы:
« Процессы, проявление которых не может быть предотвращено
человеком. В эту цэупну отнесены тектонические движения земной коры,
землетрясения, извержения вулканов, ураганные ветры и т.д.
» Процессы, интенсивность проявления которых в большей или
меньшей степени- определяется антропогенным фактором. Сюда отнесены
снежные лавины, оползни, осыпи, сели, эрозия почв и др.
• Процессы, вызванные антропогенным фактором. В эту группу входят
образование депрессионных воронок или оседания поверхности
почвы в результате откачки подземных вод и добычи полезных
ископаемых подземным способом, землетрясения, связанные с заполнением
крупных водохранилищ, антропогенный термокарст, вторичное
засоление почв, переосушивание торфяников.
• Антропогенные процессы. В этой фуппе объединены такие
процессы, как деградация почвенного покрова при эксплуатации
месторождений полезных ископаемых, при лесозаготовках, при проведении
изыскательских и геологоразведочных работ, при несоответствии
агротехники местным почвенно-климатическим условиям. Эрозия почв
в данной классификации отнесена к процессам второй фугшы. В то
же время она фигурирует в качестве следствия процессов, входящих
в три другие группы, в том числе в первую, т.е. она отчасти
относится к процессам, проявление которых не может быть
предотвращено человеком. Вместе с тем анализ, проведенный М.Н.Заславским,
не оставляет сомнения в том, что при выполнении определенных
требований почвы, используемые в сельском хозяйстве, могут быть
достаточно надежно защищены от эрозии.
103
4. ФАКТОРЫ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ
4.1 Климатические факторы
4.1.1 Общие сведения об атмосфере
Земная атмосфера представляет собой механическую смесь
газов, именуемую воздухом, со взвешенными в ней твердыми и жидкими
частицами. Для количественного описания состояния атмосферы в
отдельные моменты времени вводится ряд величин, которые назьшаются
метеорологическими величинами: температура, давление, плотность и
влажность воздуха, скорость ветра и др. Кроме того, вводится понятие
атмосферного явления, под которым понимают физический процесс,
сопровождающийся резким (качественным) изменением состояния
атмосферы. К атмосферным явлениям относятся: осадки, облака, туман,
гроза, пыльные бури и др. Физическое состояние атмосферы,
характеризуемое совокупностью метеорологических величин и атмосферных
явлений^ носит название погоды. Для анализа и прогаоза погоды на
географические карты наносят условными знаками и цифрами значения
метеорологических величин, а также особых явлений погоды,
определяемые в единый момент времени на обширной сети метеорологических
станций. Такие карты назьшаются картами погоды. Статистический
многолетний режим погоды называется климатом.
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев,
отличающихся друг от друга рядом свойств. Слой, простирающийся от
земной поверхности до высоты 10-15 км, называется тропосферой.
Температура воздуха в тропосфере уменьшается в среднем на 0,6° при
подъеме на каждые 100 м. В тропосфере сосредоточена почти вся ат-
104
мосферная влага. Процессы, протекающие в тропосфере, определяют
погоду и климат у земной поверхности. В тропосфере содержится до
80% атмосферного воздуха.
В пределах тропосферы выделяют так называемый
пограничный слой атмосферы или слой трения. Это слой, в котором на
характер движения ветра оказывает влияние трение воздушного потока о
поверхность Земли. Воздействие неровностей земной поверхности на
характер движения воздуха в атмосфере прослеживается до высоты почти
1 км и зависит от интенсивности турбулентного обмена. При
ослабленном турбулентном обмене - до высоты 0,3 - 0,4 км, а при усиленном
- 1,5 - 2 км. Интенсивность турбулентного обмена зависит от
множества факторов и в первую очередь - от скорости ветра и высоты
препятствий на земной поверхности. Для пограничного слоя характерно
убывание скорости ветра с приближением к земной поверхности.
В нижней части пограничного слоя вертикальные турбулентные
потоки количества движения, тепла и пара над отдельными
сравнительно однородными по шероховатости участками земной поверхности
остаются постоянными. В связи с этим примыкающий к земной
поверхности слой атмосферы, где имеет место постоянство турбулентных потоков
по высоте, называется приземным слоем. Толщина приземного слоя
атмосферы достигает десятков метров.
Земная поверхность редко бывает однородной по
шероховатости. Поэтому для одной и той же воздушной массы, перемещающейся над
участками поверхности с разной шероховатостью, вертикальные
турбулентные потоки будут хоть и постоянны по высоте в разных пунктах, но
различны по абсолютным значениям. Это связано с тем, что воздушная
масса, по мере перемещения над новой поверхностью, постепенно
переходит в состояние равновесия с ней. Поэтому область потока,
возмущенную по сравнению с исходным состоянием, называют внутренним
пограничным слоем. Внутренний пограничный слой начинается
непосредственно у линии, разделяющей две поверхности (например,
кукурузное и паровое поля) и постепенно распространяется в направлении
потока над новой поверхностью. При достаточной протяженности новой
поверхности внутренний пограничный слой заполнит собой весь
приземный слой. Часть внутреннего пограничного слоя, пришедшая в
равновесие с новой поверхностью, называется областью установившегося
течения. Область установившегося течения занимает примерно 10%
толщины внутреннего пограничного слоя.
В пределах внутреннего пограничного слоя скорость ветра
возрастает с высотой более резко, чем в выше расположенной части при-
105
земного слоя. Причем зависимость скорости ветра от высоты
описывается так называемой логарифмической зависимостью B.16). В отличие
от вышележащих слоев направление ветра в пределах внутреннего
пограничного слоя не испытывает правого (в северном полушарии) или
левого (в южном полушарии) поворота.
В непосредственной близости к поверхности, т.е. в пространстве
между гребнями на поверхности почвы, между комками и глыбами,
слагающими её верхний слой, а также в пределах растительного покрова
постоянство турбулентных потоков по вертикали не выполняется. Этот
слой атмосферы называют слоем шероховатости.
4.1.2 Циркуляция атмосферы
Главная причина возникновения движения воздуха -
неоднородное нагревание атмосферы Солнцем. Причем стратосфера нагревается в
результате непосредственного поглощения лучистой энергии, а
тропосфера - в результате обмена теплом с поверхностью Земли. Другая
причина глобального движения атмосферы - вращение Земли вокруг своей
оси. Обе эти причины приводят к возникновению неоднородности
барического поля (поля атмосферного давления), к возникновению
барических градиентов.
Систему крупномасштабных воздушных течений над Землей
называют обшей циркуляцией атмосферы. Характерной ее особенностью
является наличие фронтальных зон, разделяющих воздушные массы с
разными физическими свойствами, и огромных вихрей - циклонов и
антициклонов - порожденных движением этих масс. В зависимости от
места формирования различают арктические (в южном полушарии -
антарктические), полярные (умеренного пояса), тропические и
экваториальные воздушные массы. На общую циркуляцию накладываются
местные циркуляции - бризы (на побережьях), горно-долинные ветры,
ледниковые ветры и др.
Циклон представляет собой область пониженного давления в
атмосфере, имеющую поперечник в несколько тысяч километров.
Циклон характеризуется системой ветров, дующих от периферии к центру
против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке -
в Южном. При циклоне преобладает пасмурная погода. Антициклон -
это область повышенного давления в атмосфере, столь же обширная,
как и циклон, но с ветрами, дующими от центра к периферии. Для
антициклона характерна малооблачная и сухая погода.
На территории нашей страны условия для проявления ветровой
эрозии почв чаще всего возникают на южной или юго-западной
периферии антициклонов или между антициклоном и углубляющимся циклоном
106
в так называемой штормовой зоне движущейся воздушной массы.
Пыльные бури, приуроченные к штормовой зоне, называют внутримассовыми.
Для них характерны наибольшие интенсивность и продолжительность.
Менее продолжительные пыльные бури возникают в зоне усиления ветра
перед движущимися холодными фронтами. Их называют фронтальными
пыльными бурями.
Значительный вклад в общую циркуляцию атмосферы вносят
так называемые местные ветры. Происхождение их различно. Они
могут быть проявлением местных циркуляции, не зависящих от общей, но
могут заключаться во внесении изменений в общую циркуляцию,
например в результате взаимодействия потока с горной системой или
выступающими элементами рельефа. Таков, например, ибэ, ветер,
возникающий в Джунгарских Воротах - проходе между хребтами Барлык и Джун-
гарским Алатау - при подходе к ним циклона. Его скорость достигает
70-80 м/с (Хргиан, 1969). Ибэ доходит до Балхаша и переносит
значительное количество пыли и песка.
Примером ветров, возникших в результате взаимодействия
общего течения с элементами рельефа, является фен. Фён - теплый сухой
порывистый ветер дующий временами с гор. При переваливании потока
через горную систему происходит адиабатическое нагревание воздуха,
поэтому во время фена температура воздуха поднимается. Известно
много местных разновидностей фена, одна из них - гармсиль, дующий с
гор по южной окраине Туркменистана и переносящий огромные
количества пыли и мелкого песка. Другим примером таких ветров является
бора - сильный холодный порывистый ветер, дующий с низких горных
хребтов в сторону относительно теплого моря. В Новороссийске бора
возникает при приближении холодного фронта с севера и достигает
скорости 60 м/с (Хргиан, 1969).
Собственно местные ветры характерны для отдельных
географических районов и не связаны с общей циркуляцией. В горных условиях
это горно-долинные ветры. Они возникают потому, что днем борта
долины нагреваются сильнее, чем дно и прилегающая долина, в результате
днем ветер дует с равнины в горло долины и вдоль нее. Ночью картина
обратная и холодный воздух стекает по склонам гор в долину и далее -
на прилегающую равнину. На равнине это бризы. Бриз - это
периодический, суточный береговой ветер, вызываемый неравномерностью
нагревания воды и суши, дующий днем с воды на сушу, а ночью в
обратном направлении. Бризы играют большую роль в переносе песка из зоны
прибоя в глубь берега. Перенос песка бризами зарегистрирован по
берегам Белого, Черного, Каспийского и Азовского морей, Ладожского,
107
Онежского и других крупных озер, а также в нижнем течении Волги
(Наливкин, 1970).
В условиях неустойчивой атмосферы часто образуются вихри с
вертикальной осью, напоминающие циклоны в миниатюре. Такие
вихри, возникающие над морем, называют смерчами, а возникающие над
сушей - тромбами (в Северной Америке - торнадо). Скорости ветра в
вихрях весьма велики (по некоторым сведениям они приближаются к
скорости звука). Отдельные тромбы отличаются большими размерами
(до нескольких сотен метров в поперечнике), значительной скоростью
перемещения C0-40 км/час), большой продолжительностью
существования (до нескольких часов) и значительными разрушениями, которые они
после себя оставляют. Существуют и вихри с горизонтальной осью.
Движение такого вихря, обычно связанного с грозовым облаком,
приводит к возникновению шквала. Шквал сопровождается кратковременным
увеличением скорости ветра до 30-40 м/с.
При определенных условиях все составляющие общей
циркуляции атмосферы могут сопровождаться явлением ветровой эрозии почв,
что приводит к запылению атмосферы. В метеорологии явление
переноса частичек почвы сильным ветром называется пыльной бурей.
Горизонтальная протяженность пыльной бури - от десятков и сотен метров
до нескольких тысяч километров, а вертикальная - от нескольких
метров до нескольких километров.
4.1.3 Режим ветров
Скорость ветра закономерно изменяется в течение суток, вместе
с ней изменяется и интенсивность процессов ветровой эрозии почв.
Очевидно, что чем продолжительнее ветер, имеющий скорость больше
критической, тем больше будут потери почвы. Обычно скорость ветра в
течение дня возрастает, достигая максимума к полудню, а к вечеру
убывает. Однако нередки случаи, когда интенсивность ветровой эрозии
слабо изменяется в течение суток. Так, весной 1969 г. в Краснодарском
крае сильнейшие пыльные бури непрерывно продолжались 80-90 ч, а в
феврале этого же года - до 200-300 ч.
Скорость ветра подвержена также закономерным сезонным
изменениям. Наибольшие скорости ветра характерны для поздней зимы
и ранней весны. Период сильных ветров совпадает с периодом
отсутствия достаточного растительного покрова на полях (сюда относятся
поля под яровыми культурами, а также поля под ослабленными или
недостаточно раскустившимися озимыми). На Русской равнине это приводит
к широкому распространению процессов ветровой эрозии именно в
конце зимы или в начале весны. Так, в Краснодарском крае но данным
108
Таблица 4.1
Шкала Бофорта
Баллы
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Скорость
миль/ч
0-<1
1-3
4-7
8-12
13-18
19-24
25-31
32-38
39-46
47-54
55-63
64-72
73-82
83-92
93-103
104-114
115-125
126-136
м/с
0- <1
1-2
2-4
4-6
7-9
10-12
13-16
16-20
20-24
24-28
28-32
33-37
38-42
43-47
48-53
54-59
59-64
Описание
затишье
легкий ветерок
легкий бриз
слабый бриз
умеренный бриз
свежий бриз
сильный бриз
сильный ветер
буря
сильная буря
полная буря
шторм
ураган
»
»
»
»
65-70 | »
Признаки
дым идет прямо
дым изгибается
листья шевелятся
листья двигаются
листья и пыль летят
тонкие деревья качаются
качаются толстые ветви
стволы деревьев изгибаются
ветви ломаются
черепица и трубы срываются
деревья вырываются с корнем
везде повреждения
опустошение
»
»
»
»
»
П.С.Захарова A965) 60-65% от общего числа пыльных бурь приходится
на весну. В Башкирии в среднем за 1936-1940 гг. 53% пыльных бурь
приходилось на март-апрель. В Северном Казахстане в условиях резко
континентального климата максимум проявления пыльных бурь
несколько сдвинут в сторону теплого периода: максимальное число
пыльных бурь за период с 1936 по 1963 г. приходится на май-июнь (Утешев,
Семенов, 1967). Таким же закономерностям подчиняется распределение
числа пыльных бурь по сезонам на Великих равнинах Северной
Америки. Второй по величине пик в распределении числа дней с пыльными
бурями по сезонам приходится на лето: в Краснодарском крае 25-
30%, в Банткирии-23,8%. Это также вызвано не только увеличением
числа дней с сильными ветрами, но и лишением полей защитного
растительного покрова в результате уборки урожая.
Для осуществления противоэрозионных мероприятий
необходимы сведения о ветровом режиме территории. Основанием для анализа
ветрового режима территории служат данные метеостанций. Скорость
ветра измеряют на высоте флюгера метеостанции A0-15 м над
поверхностью) с помощью чашечных анемометров, анемографов (самописцев
для измерения скорости) и анеморумбографов (самописцев для
измерения скорости и направления ветра). Измерения производят через каждые
3 ч. Ветровой режим территории характеризуют величинами средних го-
109
довых и месячных скоростей ветра, а также
показателями обеспеченности и направления ветров
разной силы. Для качественной оценки силы ветра
используют шкалу Бофорта (табл. 4.1). Для
количественной оценки вредоносности ветра его надо
сравнить с критической для данной почвы
скоростью ветра.
Важнейшей характеристикой ветрового
режима территории, необходимой для грамотного
размещения противоэрозионных мероприятий,
является направление опасных ветров. Чаще всего,
его определяют с помощью розы ветров, которая
представляет собой диаграмму распределения числа
случаев ветра но основным румбам (направлениям)
Рис. 4.1. Роза ветров
горизонта (рис .4.1). Для построения розы ветров
от начала полярных координат откладывают по направлениям основных
румбов отрезки, пропорциональные повторяемости ветров данного
направления, а концы отрезков соединяют ломаной линией. В центре
диаграммы, в кружке, указывают повторяемость штилей (моментов
наблюдения, во время которых ветер отсутствовал). Роза ветров позволяет
выявить преобладающие направления ветра, которые не всегда совпадают с
наиболее опасными в отношении ветровой эрозии почв. Более наглядно
наиболее опасные направления выявляются на годографах ветров.
Годограф ветров (предложен А.С.Медновым и А.И.Знаменским)
представляет собой векторную диаграмму, отражающую все случаи
наблюдения на дайной метеостанции ветра сильнее 5 м/с. Результат
каждого такого измерения изображают в виде вектора в произвольном
масштабе. Начало каждого последующего вектора откладьюается от конца
предыдущего. Годограф дает ясное и наглядное представление о
наиболее вероятных направлениях переноса песка ветром (поэтому и
отбрасываются все случаи со скоростью менее 5 м/с, которая принимается за
критическую для песков).
Метод годографов не нашел широкого распространения
применительно к почвам по причине отсутствия достаточного количества
материалов по противодефляционной стойкости почв, которая отличается
значительной сезонной изменчивостью. Кроме того, метод годографов
основывается на использовании скорости ветра в первой степени, тогда
как сейчас общепринятой является точка зрения, согласно которой
потери почвы в результате ветровой эрозии прямо пропорциональны
скорости ветра в кубе. Поэтому более обоснованное представление о
наиболее опасном в отношении ветровой эрозии почв направлении ветра
ПО
дает векторная диаграмма, в которой длина векторов каждого румба г,-
пропорциональна кубу скоростей ветра, превышающих критическую для
почв:
Г, = Ё U]f:>
где j - направление по 16 румбам; ( в США, где разработана и
применяется эта методика (Skidmore, Woodruff, 1968) за нулевой принят
восточный румб);
Ui - средняя скорость ветра для г'-ой группы скоростей (поскольку
каждая конкретная зафиксированная в установленные на
метеостанциях сроки скорость ветра U заменяется при расчетах величиной [/.,
являющейся средней для того наперед заданного интервала
скоростей, в который попадает эта скорость £/);
/i - доля скоростей г'-ой группы у'-го румба от общего числа случаев
ветра всех направлений (со скоростями превышающими 5,4 м/с, которая
в первом приближении признана критической для всех почв),
зафиксированного за достаточно длинный ряд лет (если индекс годовой)
или за ряд лет для одного и того же месяца (если индекс месячный).
Наиболее опасным считается то направление j, для которого
вектор г,- будет наибольшим. Годовой индекс г,- дает возможность
определить наиболее опасное направление ветров в среднем за год. Более
полезным является месячный индекс г,-, поскольку он характеризует
годовую динамику наиболее опасного в отношении ветровой эрозии
направления ветров. Сопоставляя динамику г, по месяцам с динамикой
защищенности почвы растительностью можно с большей надежностью
определить наиболее опасное направление ветров, вызывающих
ветровую эрозию почв.
4.1.4 Режим атмосферных осадков и температуры
Атмосферные осадки, увлажняя почву, увеличивают
межагрегатное сцепление и, следовательно, ее противодефляционную стойкость.
Кроме того, атмосферные осадки и колебания температуры оказывают
значительное механическое воздействие на структуру почв. Результаты
этого воздействия зависят не только от его особенностей (размера
капель, интенсивности и продолжительности дождя, количества циклов
увлажнения-иссушения или замерзания-оттаивания), но и от свойств
почвы. С количественной стороны влияние попеременного увлажнения
почвы дождем и иссушения ветром на ее противодефляционную
стойкость изучено недостаточно. Известно, однако, что при этом
происходит консолидация частиц поверхностного слоя почвы, сопровождающая-
111
Таблица 4.2
Изменение агрегатного состава предкаиказскнх черноземов в микрополевом опыте за
зимне-весенний период (доверительные границы для средних величин содержания
фракций (%) прн вероятности 0,95)
Размер
фракций,
мм
> !0
7-10
5-7
3-5
2-3
1-2
0,5-1
0,25-0,5
<0,25
Осень
0,5+0,4
10,8±0,б
12,8±0,5
17,9±0,7
9,4±0,б
20,8±1,1
10,7±1,5
7,4±0,4
9,2+0,7
Весна
Чернозем
карбонатный
станица
Отрадная
1,3±0,5
1,6±1,0
2,0±0,б
4,6±0,5
15,5±0,7
42,1 ±1,1
16,8±0,5
Ю,7±0,4
5,2±0,б
филиал
ВИМ
12,8±2,7
5,4±1,4
3,2±0,5
4,0±0,6
10,7±1,3
34,2±1,9
1б,0±0,б
9,5±0,5
4,0±0,8
ст. Кални-
болотская
13,6+2,4
6,5±1,5
4,1 ±0,2
5,б±0,7
11,8±2,4
32,9±2,9
14,9+0,6
8,5±0,9
2,4±1,0
выщелоченный
пос. Калинино
7,9+1,7
5,1±0,5
3,4±0,2
4,9±0,5
13,9±0,5
39,6+1,7
15,0+0,6
7,7±0,б
2,5±0,2
слитой
ст. Се?ер-
ская
9,2+6,0
4,5±1,1
4,1 ±0,3
6,0±0,6
15,1±2,9
36,8±2,4
13,1±0,6
7,8±1,6
2,9±2,2
ся увеличением ее протаводефляционной стойкости. Степень
консолидации зависит от фанулометрического и солевого состава, а также от
качества органического вещества.
Увлажнение почвы атмосферными осадками увеличивает ее нро-
тиводефляциоиыую стойкость и, как правило, снижает вероятность
проявления ветровой эрозии. В то же время оно не может обеспечить
защиту почвы от выдувания в течение длительного времени. При достаточно
сильном и сухом ветре нротиводефняционная стойкость почвы в
результате иссушения довольно быстро уменьшается до величины, достаточной
для возникновения ветровой эрозии. Так, 22 мая 1963 г. на опытном
участке ВНИИ зернового хозяйства в районе Целинограда наблюдалось
интенсивное выдувание почвы ветром со скоростью 17-23 м/с.
Влажность верхнего пятисантиметрового слоя достигала при этом 29,8%, что
довольно близко к предельному влагонасьоцению, тогда как влажность
поверхностного слоя толщиной 3-4 мм составляла всего 6,3%, что и
обеспечило возможность выдувания ночвы (Утешев, Семенов, 1967).
Огромное влияние на противодефляционную стойкость почвы
оказывает также температурный режим. Чередование положительных и
отрицательных температур в течение суток сопровождается
попеременным промерзанием и оттаиванием поверхностного слоя почвы. Если эти
явления продолжаются достаточно долго, а почва при этом находится во
влажном состоянии, то происходит существенное уменьшение ее проти-
водефляциошюй стойкости. Это подтверждают опытные данные
Г.П.Глазунова (табл.4.2) для почв Кубани, где в среднем наблюдается 86
112
дней в году с переходом температуры воздуха через 0СС. Изменения в
афегатном составе почв, происшедшие за период с ноября 2973 по
апрель 1974 года, привели к уменьшению расчетных критических
скоростей ветра на 5-6 % для слитых и выщелоченных и на 6-13% - для
карбонатных черноземов.
Наиболее существенным в отношении ветровой эрозии почв
является опосредованное влияние атмосферной влага и температурного
режима через биологические факторы такие, как защитное действие
растительности и структурообразующая роль живых организмов.
4.2 Топографические факторы
Рельеф оказывает сильнейшее влияние на характер изменения
значений метеорологических величин и, следовательно, на размах и
интенсивность процессов ветровой эрозии. В то же время ветер часто сам
выступает мощным фактором рельефообразоваиия. Так, рельеф
песчаных пустынь можно с полным основание считать эоловым, т.е.
созданным в процессе неревсвания песков. Размеры эоловых форм рельефа
могут быть весьма значительными: встречаются песчаные дюны высотой
до нескольких сотен метров и длиной несколько километров. На
сельскохозяйственных землях рельефообразующая роль ветра сводится к
формированию элементов микро- и нанорельефа. Сюда относятся: рябь
на поверхности эоловых наносов, отложения наносов в виде кос и бут-
ров за всевозможными препятствиями - стеблями крупных травянистых
растений, стволами деревьев, а также эрозионные валы, образовавшиеся
на месте полезащитных лесополос частично или полностью засыпанных
мелкоземом, снесенным ветром с прилегающих полей. Эрозионные
валы встречаются в степных районах Северного Кавказа.
Взаимодействие элементов рельефа с воздушным потоком
подчиняется законам аэромеханики. В соответствии с этими законами
любые неровности па поверхности Земли оказывают тормозящее действие
на поток. Поэтому скорость ветра на уровне почвенной поверхности на
любых элементах рельефа всегда меньше скорости ветра в свободной
атмосфере. В то же время элементы рельефа сильно различаются между
собой по величине скорости ветра. В условиях равнинного
пересеченного рельефа при одном и том же ветре в свободной атмосфере его
скорость на уровне почвенной поверхности увеличивается при движении
вверх по склону и уменьшается при движении вниз по склону (табл.
4.3). Это объясняется тем, что движение вверх по склону
сопровождается уменьшением живого сечения воздушного потока, а движение вниз по
склону - увеличением живого сечения, а из положений аэромеханики
8 Эрозия и охрана почв
113
Таблица 4.3 следует, что уменьшение жи-
Хоэффициент изменения скорости ветра <z = 2 м) BQro сечешы потока при по.
на разных элементах рельефа при устойчивой
стратификации атмосферы (Романова, 1977) стоянном напоре
сопровождается увеличением его
скорости. Степень изменения
скорости ветра при этом зависит от
скорости в свободной
атмосфере, от местоположения в
рельефе и от формы рельефа.
Это же явление,
изменение скорости ветра с
изменением живого сечения
воздушного потока,
объясняет, по-видимому, механизм
усиления ветровой эрозии
почв в так называемых
"ветровых коридорах".
На Северном Кавказе
выделяют черкесский
ветровой коридор, возникающий
при северо-восточных и
восточных ветрах и включающий
речные долины Кубани,
Малого Зеленчука и Большого
Зеленчука, и невинномысский
ветровой коридор,
расположенный севернее черкесского:
Впадая в широкую кубанскую
депрессию, они образуют армавирский ветровой коридор. В восточной
*асти Ставрополья цепь широких балок формирует сенгилеевский вет-
эовой коридор, а балки реки Грачевки - дубовский ветровой коридор
Рябов, 1972).
Изменение скорости ветра в зависимости от рельефа определяет
хобенности развития процессов ветровой эрозии и закономерности рас-
тределения дефлированных и погребенных эоловыми наносами почв на
лслонах.
На наветренных склонах скорость ветра на уровне поверхности
точвы увеличивается при движении вверх по склону. Это является
причиной того, что почвы наветренных склонов сильнее страдают от ветра,
•jeM почвы подветренных склонов. По этой же причине почвы выступа-
-оших элементов рельефа при прочих равных условиях оказьшаются
Элемент рельефа,
направление, крутизна
склона
Открытое ровное место
Вершина
Склон
крутизной
10-20°
Склон
крутизной
4-10°
превышение
наветренный
подветренный
параллельный
ветру
наветренный
подветренный
параллельный
ветру
< 50 м
50-100 м
100-200 м
200-300 м
300-400 м
400-500 м
верх
середина
низ
верх
середина
низ
верх
середина
низ
верх
середина
низ
верх
середина
низ
верх
середина
низ
Скорость ветра на
ровном месте, м/с
3-5
1
1,3-1,4
1,4-1,5
1,5-1,7
1,7-1,9
1,9-2,1
2,1-2,3
1,4-1,5
1,2-1,3
1,0-1,1
0,9-1,2
0,7-0,8
0,6-0,7
1,4-1,5
1,2-1,3
1,0-1,1
1,2-1,3
1,0-1,1
0,9
0,8-0,9
0,8-0,9
0,7-0,8
1,1-1,2
0,9-1,0
0,8-0,9
6-20
1
1,1-1,2
1,2-1,3
1,3-1,4
1,4-1,5
1,5-1,8
1,8-2,0
1,3-1,4
1,1-1,2
0,9-1,0
0,8-1,1
<0,7
<0,б
1,3-1,4
1,1-1,2
0,9-1,0
1,1-1,2
1,0-1,1
0,9-1,0
0,7-0,8
' 0,8-0,9
0,7-0,8
1,0-1,1
0,8-0,9
0,7-0,8
14
400
. L
Степень аыдутости
Крутима, градусы
Гумус, т/гс
0-2S см
0-50 см
1 1
Средняя
1,5
46,5
80,0
3,5
33,8
45,4
1
Сильная
19,6
21,5
__L _ I
Средняя
3
30,6
2
33,8
42,21 45,4
Эталон
1 '
91,6
107,8
Рис. 4.2. Характер дефляции на волнистом склоне (Родомакин, 1967)
сильнее дефлированными, чем почвы равнины или пологах склонов
(рис. 4.2). Поэтому порядок распределения дефлированных почв ка
склоне принципиально отличается от порядка распределения смытых:
степень смытости почв увеличивается при движении вниз по склону, а
степень дефлированности - при движении вверх по наветренному
склону.
Форма и крутизна склона также оказывают влияние на ход
процесса ветровой эрозии почв, причем это влияние аналогично влиянию на
ход процесса водной эрозии. Сильнее всего от дефляции страдают почвы
выпуклых склонов, слабее всего - почвы вогаугых склонов. Чем
больше крутизна склона, тем больше потери почвы от ветровой эрозии.
Элементы рельефа, представляя собой выступы шероховатости,
оказывают сопротивление движущемуся потоку воздуха. При этом в
подветренной зоне у этих препятствий образуются вихри, которые
периодически покидают подветренную зону и смешиваются с основным
потоком. С течением времени эти вихри рассеиваются, а их кинетическая
энергия нереходит в кинетическую энергию отдельных молекул.
Следовательно, часть кинетической энергии потока после взаимодействия
его с выступом шероховатости нереходит в тепло. В том случае, когда
выступы шероховатости состоят из тонкодисперсного несвязного
материала такого, как распыленная почва, часть кинетической энергии
потока в процессе взаимодействия с выступом может перейти в работу по
отрыву и перемещению этих топкодиснерсных частиц. Такое
происходит в том случае, ко!да скорость потока у вершины выступа
превосходит критическую для материала, слагающего выступ. Это обусловливает
неоднозначное влияние нанорельефа, который в данном случае
представлен неровностями, имеющими малую высоту такими, например, как
115
выбросы землероев, борозды и валики, созданные
сельскохозяйственными машинами, на процесс ветровой эрозии почв.
Поделку фебней и валиков на поверхности почвы в
направлении, перпендикулярном направлению ветра, часто используют для
борьбы с ветровой эрозией. Если скорость ветра у фебней не превышает
критической для почвы, из которой образован фебень, то это
мероприятие оказьшается достаточно эффективным: сами фебни не разрушаются
ветром, а часть транспортируемой потоком почвы задерживается в
подветренной зоне у основания фебней, поскольку скорость ветра у
основания выступов всегда меньше скорости у вершины. Если же скорость
вефа у фебня окажется выше критической, то начнется разрушение
самого фебня. В этих условиях с течением времени происходит
выравнивание поверхности под действием двух противоположно направленных
процессов: разрушения фебня и заполнения выемки. При этом,
следовательно, поделка фебней для целей борьбы с ветровой эрозией почв
окажется неэффективной. Более того, в отдельных случаях, когда
скорость ветра над гладкой поверхностью почвы будет близка к
критической, поделка фебней на этой поверхности может спровоцировать начало
дефляции, поскольку скорость ветра у фебней вьпде, чем над гладкой
поверхностью.
4.3 Почвенные и литологические факторы
4.3.1 Агрегатный состав
Свойства почв, оказывающие влияние на процесс ветровой
эрозии, можно, исходя из механизма их влияния, разделить на две фуппы: 1)
непосредственно влияющие на противодефляционную стойкость; 2)
опосредованно влияющие на их противодефляционную стойкость и
интенсивность процесса ветровой эрозии. К первой фуппе относятся
агрегатный состав, плотность афегатов, межагрегатное сцепление. Ко
второй фуппе относятся комплекс физических, химических и физико-
механических свойств, которые определяют количественные
характеристики свойств почв, составляющих первую фуппу. Такое разделение
свойств почв на две фуппы полезно тем, что позволяет проследить
влияние любого свойства на процесс ветровой эрозии и на
противодефляционную стойкость почв. Кроме того, именно количественные
характеристики почвенных свойств, составляющих первую фуппу, являются
аргументами в уравнениях критических скоростей ветра, при которых
начинается дефляция, а также в уравнениях переноса почвы воздушным
потоком.
116
Свойства почв, составляющие первую группу, претерпевают в
течение года существенные изменения под действием остальных
факторов ветровой эрозии и при прочих равных условиях определяются
свойствами почв, составляющими вторую группу. Сильнейшим из факторов
ветровой эрозии является антропогенный. Человек ежегодно
проделывает колоссальную работу по механической обработке пахотного слоя
при выращивании сельскохозяйственных культур. В результате этой
работы агрегатный состав пахотного слоя в течение года изменяется.
Изменяется и плотность агрегатов, причем часто в неблагоприятную для
почв сторону - под действием интенсивной обработки
сельскохозяйственными машинами происходит переуплотнение всего пахотного слоя
и составляющих его агрегатов. Изменениям подвержено и межагрегатное
сцепление. Важнейшими факторами, определяющими величину
межагрегатного сцепления, являются корневые системы растений, водные
пленки на поверхности агрегатов, состав и свойства клеящих и
цементирующих веществ.
Как уже указывалось выше, силовое воздействие потока на
почвенную частицу, а вместе с ним и критическая скорость потока, при
которых частица переходит в движение, прямо пропорциональны корню
квадратному из произведения размера частицы на ее плотность. Об этом
свидетельствуют и опытные данные (табл.4.4). Различия между
частицами в их устойчивости к действию ветра объясняются в первую очередь
различиями в размере и плотности, хотя влияние формы частиц и
плотности упаковки их в поверхностном слое также имеют значение.
Большое значение может иметь и сила межагрегатного сцепления,
обусловленная водными пленками, корнями растений, а также клеящими
органическими веществами - продуктами жизнедеятельности живых
организмов.
Из общих соображений следует, что срывающая сила должна
быть прямо пропорциональна силе сцепления между агрегатами. Однако
успешных примеров измерения сил межагрегатного сцепления в том их
диапазоне, в котором еще возможно сдувание почв обычными ветрами,
пока нет. Поэтому их чаще всего не учитывают в явном виде в формулах
для расчета критической скорости ветра. Пахотный слой представляет
собой совокупность почвенных агрегатов самого разного размера,
поэтому применяют несколько показателей, характеризующих агрегатный
состав пахотного слоя в отношении устойчивости почвы данного
агрегатного состава к действию ветра. Наиболее широко используемым
показателем является так называемая комковатость пахотного слоя почвы,
представляющая собой долю агрегатов в почве (%), имеющих размер
более одного миллиметра. Этот показатель рассчнтьшают по результатам
117
Т а б л и ц а 4 . 4-
Критические скорости негра (и/с) для нпсыпиых образцов из отдельных фракций
почвенных агрегатов
Размер
агрегатов.
мм
Плотность,
г/см3
Глазунов A975)
Эксперимент Расчет
при z=5cm z=1cm
vmz
Люберецкий песок
0,26
0,36
0,52
0,72
1,12
1,42
2,65
2,65
2,65
2,65
2,65
2,65
-
-
_
_
-
-
5,8
6,5
7,1
9,4
11,6
13,0
5,8
6,6
7,9
9,3
11,6
13,0
Чернозем предкавказский
0,18
0,38
[ 0.75
1,5
2,5
4,0
2,60
1.88
1,88
1,77
1,77
1,77
5,9
6,7
8,1
11.4
15,7
21,1
5,2
6,0
7,3
10,5
М/Р
19,0
4,0
5,6
8,0
10,9
14,1
17,9
Ченил A945) Лайлс и др.
при z=l см A970),
при z=l,2 См
vnI ivm2/v„z |vnJ |vmz/v„
Долгалевнч
A971), при
г=5см
v„, jy^„z/vnz
Кварцевый песок
_
_
_
-
-
-
-
~
-
-
_
_
4,1
-
5,9
7.2
-
-
1,4
1.2
1,3
-
-
_
_
-
_ - __ -
-
_
_
_
_
_
■Степные почвы
3,2
4,2
5,7
_ij_\
~^р
-
1.6
1,4
1,3
1,4
1,6 •
.-
-
_
_
-
-
___-__j
_
_
_
-
-
-
4,08
4,78
5,85
8,03
12,40
18,0
1.4
1,4
1,4
1,4
1,3
1,2
анализа агрегатного состава почв с помощью набора сит. Комковатость
характеризует с некоторой точностью нротиводефляционную стойкость
почв. Теснота связи и форма зависимости критической скорости ветра
от комковатости изучена недостаточно. Несмотря на это комковатость
может быть использована для относительной оценки устойчивости ночв
разного агрегатного состава к действию ветра. В то же время очень
часто на основании использования этого иоказателя делаются совершенно
неправильные выводы относительно протаводефляционной стойкости
почв. Так, получило распространение неверное представление о том, что
комковатость в 60%, а в некоторых случаях в 50%, гарантирует
устойчивость почвы к ветру. При таком подходе совершенно ипюрируегся
роль ветра. Ведь вероятность проявления ветровой эрозии зависит не
только от комковатости почвы, но и от вероятности проявления ветра со
скоростью, превышающей критическую для почвы с данным агрегатным
составом. Поэтом)' представляется логичным оценивать противодефля-
ционяую стойкость почвы не величиной комковатости, а величиной
присущей этой почве критической скорости ветра, при которой
начинается ветровая эрозия.
В условиях одинаковой системы механической обработки ночв
и при прочих равных условиях различия между почвами в агрегатном
составе и устойчивости их к ветру будут определяться комплексом
свойств второй группы. На практике комплекс свойств почвы,
отнесение
ных ко второй группе, оказывает существенное влияние на выбор
системы земледелия и системы механической обработки. Поэтому выделить
влияние свойств почв, отнесенных ко второй группе, в чистом виде
практически невозможно. Следовательно, различия между почвами в
противодефляционной стойкости обусловлены комплексным влиянием
свойств почвы, отнесенных ко второй группе, и характером их
обработки. Тем не менее представляется возможным оценить влияние каждого
из свойств, отнесенных ко второй группе, на противодефляционную
стойкость почв и на ход процесса ветровой эрозии.
4.3.2 Гранулометрический состав
Гранулометрический состав - один из главных факторов,
определяющих структурное состояние почвы и ее противодефляционную
стойкость. По данным В.СЧеиила (табл. 4.5) среди пахотных степных
почв сильнее всего подвержены ветровой эрозии наиболее легкие и
наиболее тяжелые но гранулометрическому составу. Легким почвам не
хватает цементирующего материала (ила и мелкой пыли) для формирования
достаточно крупных и механически прочных структурных отделыюстей.
В тяжелых по гранулометрическому составу почвах цементирующего
материала достаточно, однако эти почвы, в силу своего генезиса
характеризуются относительно пористой мелкокомковатой или комковато-
зернистой структурой имеющей низкую противодефляционную
стойкость. При прочих равных условиях наиболее устойчивыми оказались
почвы с содержанием ила 27% и с максимальным возможным
содержанием пыли. Увеличение содержания ила сверх 27% сопровождалось
увеличением подверженности почв ветровой эрозии.
Таблица 4.5
Дефлируемость почв в аэродинамической трубе при V.=0,61 м/с (Chepil, 1953)
Гранулометрический состав
почвы
Песок
Супесь
Песчанистый суглинок
Суглинок
Пылеватый суглинок
Иловатый суглинок
Пылевато-иловатый суглинок
Пылеватая глина
Глина
Число
полей
3
12
13
25
35
5
10
1
8
Водопрочные частицы, %
>0,84 мм
4,8
3,8
3,0
3,2
3,0
4,5
5,2
3,9
1,9
<0,02 мм
1,7
3,0
10,0
13,8
17,8
14,0
14,4
10,8
10,8
Комки, %
>0,84 мм
3,3
6,9
36,6
44,4
48,6
' 43,6
49,4
19,2
20,2
Дефлируемость, т/га
125,5
74,1
13,6
5,5
4,8
3,8
3,0
8,6
16,9
Гранулометрический состав оказывает влияние не только на
противодефляционную стойкость, но и на характер развития процесса
ветровой эрозии. В ходе переноса частиц почвы ветром происходит их
119
разрушение, а также истирание почвенной поверхности скачущими
частицами. Оба процесса приводят к увеличению содержания в зоне
дефляции мелких, лепсо перемещаемых ветром частиц, и оба зависят от
прочности (связности) почвенных афегатов. Е.И.Шиятым и
А.БЛавровским A971) разработана эмпирическая зависимость для
оценки устойчивости несолонцеватых почв северных областей
Казахстана к абразии в почво-воздушном потоке по их фанулометрическому
составу:
5=34,7+0.9Х, - 0,ЗХ2 - 0,4Х3,
где S - показатель связности искусственно приготовленных почвенных
блоков, представляющий собой отношение массы блока после
экспозиции в почво-воздушном потоке к исходной, %;
Xi - содержание ила (частиц мельче 0,001 мм), %;
Хг - содержание гранулометрических элементов размером от 0,05 до
0,25 мм, %;
Хз - содержание фанулометрических элементов размером от 0,25 до
3,0 мм, %.
В соответствии с этой формулой связность почвенного комка
прямо пропорциональна содержанию в нем илистой фракции и обратно
пропорциональна содержанию мелкого и крупного песка. Кроме того,
выяснилось, что в фаницах территории, характеризующейся
относительной однородностью климатических факторов ветровой эрозии, не
только характер протекания эрозии, но и вероятность ее возникновения
зависят от показателя связности. На паровых полях Кокчетавской обл.,
характеризовавшихся показателем связности почвенного комка менее
40%, в 1970 г. ветровой эрозии было подвержено 67% их площади, а
на полях, на которых показатель связности составлял 40-50% - 31% их
площади (Бараев, 1975). Детальное изучение этой зависимости
позволило использовать показатель связности в качестве основы при фуппиров-
ке почв Северного Казахстана но потенциальной подверженности
ветровой эрозии (табл.4.6).
Таблица 4.6
Группировка почв Северного Казахстана по потенциальной подверженности ветровой
эрозии (Бараев, 1975)
Группа
I
II
III
IV
V
VI
Показатель связности
почвенного комка,%
более 65
55-65
45-55
30-45
15-30
менее 15
Разновидности почв по гранулометрическому составу,
которые могут входить в состав группы
глины тяжелые, средние и часть легких
глины легкие, суглинки тяжелые и средние
суглинки тяжелые, средние и часть легких глин
суглинки тяжелые, средние и легкие
суглинки средние, легкие и супеси
супеси, пески
120
Устойчивость к ветру почв указанных груша постепенно
уменьшается в ряду от первой к шестой группе. Почвы шестой группы
целиком выводятся из пашни под залужение. Обработку почв остальных
пяти групп при возделывании полевых культур рекомендовано вести
противоэрозионными орудиями с сохранением пожнивных остатков на
поверхности полей и сеять стерневыми сеялками. Кроме того, для
каждой группы почв разработана система дополнительных к основному
фону почвозащитного земледелия противодефляционных мероприятий,
приведенных в книге "Почвозащитное земледелие" под общей редакцией
А.И.Бараева A975).
Особую, весьма распространенную группу, составляют песчаные
почвы и пески. Пески характеризуются очень низкой
противодефляционной стойкостью, обусловленной относительной
узостью диапазона размеров слагающих их гранулометрических
элементов и слабой способностью к агрегированию. Первое в нашей
стране инструментальное измерение критических скоростей ветра
проведено Н.А.Соколовым A884) на сестрорецких песках. Под
критической понималась скорость ветра на высоте 10 см от
поверхности, при которой начиналось определяемое визуально
передвижение песчинок (табл. 4.7). Визуальное определение
критической скорости приводит к завышению результатов. В настоящее
время принято, что критическая скорость ветра для песков составляет
не более 5 м/с (на высоте флюгера).
ПеСКИ встречаются ВО Всех ПОЧВеННО- Таблица 4.7
КЛИМаТИЧеСКИХ Зонах. Их Образование И Критические скорое™ ветра
для Сестрорецких песков
накопление в значительной степени связано с
эрозионными и русловыми процессами
прошлого и настоящего, поэтому среди них
преобладают пески флювиогляциального,
аллювиального и эолового происхождения.
Низкая противодефляционная
стойкость и высокая вероятность ветров, достаточных для переноса
песка, являются причиной распространения ветровой эрозии песков во
всех почвенно-климатических зонах. Развитие ветровой эрозии песков
сдерживается в основном растительностью, поэтому сведение
растительности почти всегда сопровождается эрозией и образованием
специфического эолового рельефа. В связи с относительно низкой
продуктивностью пески и песчаные почвы чаще всего используются под
пастбища, и чаще всего непосредственной причиной ветровой эрозии
песков является перегруженность пастбищ.
Критическая
скорость, м/с
4,5-6,7
6,7-8,4
9,8-11,4
11,4-13,0
Размер зерен
песка, мм
0,25
0,5
1,0
1,5
121
4.3.3 Органическое вещество почвы
Многочисленными наблюдениями установлено, что высокое
содержание специфических органических веществ обеспечивает почве
высокое плодородие, хорошие технологические качества и низкую про-
тиводефляционную стойкость. При одинаковой обработке черноземные
почвы, содержащие больше гумуса, содержат больше мелких агрегатов и
более податливы ветровой эрозии, чем каштановые почвы.
Внесение в почву свежих растительных остатков оказывает
принципиально иное воздействие на противодефляпионную стойкость
почв. Опыты В.С.Чепила (табл. 4.8) по изучению влияния вносимой в
почву органики на структурный состав почвы и ее устойчивость к
действию ветра показали следующее. Первоначально внесение органики*
приводит к увеличению содержания в пахотном слое крупных
неводопрочных комков, а также водопрочных агрегатов крупнее 0,84
мм, а также крупнее 0,02 мм. •
Таблица 4.8
Влияние разложения растительных остатков на дефлируемость почв (Chepil, 1955)
Внесено в почву
растительных
остатков, %
Содержание в почве
водопрочных частиц
>0,84 мм,% |> 0,02 мм,%
комков
>0,84 мм,%
Относительная
дефлируемость в полевой
аэродинамической трубе, %
Растительные остатки продолжают разлагаться @,5 года после внесения}
0
1
6
1,4
2,0
5,1
16,3
13,2
11,3
38,1
39,1
43,7
100
90
79
Растительные остатки полностью разложились D года после внесения)
0
1
6
0,9
0,8
1,2
11,5
10,9
9,4
48,8
47,6
42,4
100
118
282
Агрегирующее действие растительных остатков проявляется
только после появления в почве первых продуктов их разложения,
которые являются клеящими веществами. Чем больше растительных
остатков было запахано в почву, тем сильнее и дольше проявлялось их
агрегирующее действие. Однако агрегирующее действие первых
продуктов разложения высших растений является временным. Причина
этого в том, что эти продукты разложения сами разлагаются под
действием различных микроорганизмов. Заделка растительных остатков
в почву в этом отношении менее эффективна, чем оставление их на
поверхности, где они разлагаются гораздо медленнее, чем в почве, и
поэтому дольше служат источником пополнения почвы клеящими
веществами, а также средством зашиты почвы от ветра.
С течением времени начальные продукты разложения
растительности постепенно утрачивают клеящие свойства или
122
в результате замещаются вторичными продуктами разложения.
Механические силы, возникающие при расширении и сжатии почвы в
результате ее увлажнения, высыхания, замерзания или оттаивания, разрушают
вторичные цементы и, следовательно, крупные первичные и вторичные
агрегаты, с образованием гранулированной структуры, которая
отличается повышенной водопрочностыо, но сообщает почве пониженную про-
тиводефляционную стойкость и повышенную дефлируемость. Чем
больше растительных остатков было внесено в почву, тем в большей степени
выражено их последействие (табл. 4.8).
Богатые гумусом почвы в большей степени, чем другие
подвержены ветровой эрозии еще и потому, что они менее другах подвержены
образованию на их поверхности почвенной корки. Образование
почвенной корки не только приводит к увеличению противодефляционной
стойкости, но и сопровождается уменьшением интенсивности сдувания
почвы и сокращением общего объема потерь почвы от ветровой эрозии.
Потери почвы с полей, покрытых коркой , в среднем в шесть раз
меньше, чем с полей без корки, независимо от гранулометрического состава
почвы (Woodruff, Siddoway, 1965).
На основе информации, накопленной в процессе изучения роли
органического вещества, можно заключить, что положительный вклад
первичных продуктов разложения растительности в повышение
устойчивости почв к ветру не позволяет компенсировать отрицательный вклад
вторичных продуктов разложения. Отсюда следует, что решение
проблемы охраны почв от ветровой эрозии связано не с запахиванием
растительных остатков в почву, а с оставлением их на поверхности в виде
мульчирующего покрытия.
4.3.4 Химический состав
Наблюдения разных авторов свидетельствуют о том, что при
прочих равных условиях в наибольшей степени от ветровой эрозии
страдают почвы богатые не только гумусом, но и карбонатами, а в
особенности - и тем и другим. Это относится к почвам тяжелого и
среднего гранулометрического состава. Количество почвы, сносимой ветром
постоянной скорости с единицы поверхности, определяемое с помощью
полевой аэродинамической установки, увеличивается с увеличением
содержания карбонатов в почве. Влияние карбонатов прослежено вплоть
до их концентрации в почве равной 4,7%, наибольшей из имевшихся в
опыте. При содержании карбонатов равном 0,3% дефлируемость почвы
была наименьшей (табл.4.9).
Состав поглощенных оснований в значительной степени
определяет структурность почвы и, следовательно, ■ ее противодефляционную
123
стойкость, однако прямых измерений влияния поглощенных оснований
на противодефляциоиную стойкость почв и на интенсивность дефляции
проведено очень мало. Связано это, по-видимому, с тем, что эффект
влияния поглощенных оснований очень трудно вычленить, он
маскируется яругами, более мощными факторами. М.ИДолгилевич A971) в
результате опытов с монолитными образцами из пахотного слоя почв
разного генезиса установил, что солонцу среднестолбчатому
тяжелосуглинистому и солонцу корковому тяжелосуглинистому, содержавшим
натрий в почвенном поглощающем комплексе, присуши малые скорости
ветра, соответственно 9,4 и 8,7 м/с на высоте флюгера, при которых
начинался перенос, тогда как для эолового мелкого песка, образца
наименее устойчивого к дефляции, эта скорость составила 6,6 м/с. Несмотря
на малые величины критических скоростей ветра для солонцеватых почв
интенсивного развития ветровой эрозии на них ожидать не следует, так
как в них преобладают крупные (в данном конкретном случае 98,6%
агрегатов крупнее 1 мм), механически прочные агрегаты.
Таблица 4.9 ЭДа оСНОВаПИИ ИМСЮЩИХСЯ ЭКСПС-
Дефлируемоеть красновато- рИментальнкх материалов МОЖНО упюрЖ-
каштановой почвы (Спери, 1954)
дать, что присутствие натрия в почвенном
поглощающем комплексе сообщает пашне
глыбистую структуру (в случае припахива-
иия солонцового горизонта), склонность
образовывать корку на поверхности и,
следовательно, устойчивость к сдуваншо
ветром. Наличие в почвенном
поглощающем комплексе кальция и магния,
характерное для черноземов и каштановых
почв, придает структуре водопрочность,
пористость, малую плотность и
повышенную предрасположенность к выдуванию ветром при распахивании.
4.3.5 Вода в почве
Вода положительно влияет на противодефляциоиную стойкость
почвы. Заполнение пор агрегатов суглинистых и глинистых почв водой
приводит к увеличению их веса и, следовательно, критической скорости
ветра, необходимой для перемещения этих агрегатов. По мере
увлажнения почвы на поверхности почвенных частиц образуются водные пленки,
смыкание которых на контактах между частицами приводит к
возникновению межагрегатного сцепления. Сила сцепления прямо
пропорциональна содержанию воды в почве. Эта сила соизмерима с весом тех
мелких почвенных частиц, которые обычно переносятся ветром. Появление
Гранулометрический
состав почвы
пыпеватый
суглинок
суглинок
песчанистый
суглинок
тонкопесчанистый
суглинок
Содержание
карбонатов, %
0,3
1.4
_
4,7
0,14
0,23
0,32
0,73
ill
2,9
13,9
12,5
27,1
4,7
5,6
6,3
9,6
124
сил межагрегатного сцепления приводит к увеличению противодефляци-
онной стойкости почвы и уменьшению интенсивности ветровой эрозии.
Природные ветры редко достигают силы, достаточной для преодоления
межагрегатного сцепления, обусловленного водными пленками, при
содержании воды в почве, соответствующем влажности устойчивого завя-
дания растений. Факт увеличения устойчивости почвы к сдуванию
ветром по мере увеличения ее влажности известен очень давно, однако
количественно эта зависимость до сих пор изучена недостаточно. В
значительной степени это обусловлено чисто техническими трудностями,
связанными с тем, что именно в поверхностном слое, где разворачиваются
процессы взаимодействия воздушного потока с почвой, ее влажность
подвержена очень быстрым изменениям.
Наиболее детально влияние влажности почвы на ее
устойчивость к действию ветра исследовал В.С.Чепил A956). По результатам
его опытов в аэродинамической трубе интенсивность ветровой эрозии
почв не зависела от их влажности в диапазоне 0-0,33 относительных
единиц влажности (за единицу принято отношение фактической
влажности к влажности, при которой полное давление влаги в этой почве равно
-1500 кПа). В диапазоне 0,33-1,0 сдувание почвы уменьшалось с
увеличением влажности, приближаясь к нулю при приближении
эквивалента к 1,0. Это позволило автору придти к заключению о том, что
дефляция почв прекращается при увлажнении почв до состояния,
соответствующего полному давлению почвенной влаги -1500 кПа. При этом
наименьшее количество влаги требуется для стабилизации песка дюн, а
наибольшее - для пылевато-глинистой почвы (табл. 4.10).
Таблица 4.10
Влажность почвы, при которой прекращается ее сдувание ветром (Chepil, 1956)
Гранулометрический
состав почвы
Песок дюнный
Опесчаненный суглинок
Пылеватый суглинок
Пылеватая тина
Влажность почвы,
при полном
давлении почвенной
влаги -1500 кПа, %
1,28
3,80
11,21
20,71
Эквивалентная влажность,
соответствующая прекращению сдувания
почвы ветром при скорости:
8,9 м/с
0,93
1,00
0,99
1,13
11.6 м/с
0,98
1,09
1,04
1,16
14J м/с
1,02
1,13
0,90
0,97
Результаты, приведенные в табл. 4.10, получены для почв в
стадии увлажнения. Дня почв в стадии иссушения соотношение между
критическими значениями влажности и полного давления почвенной влаги
будут другими вследствие гидросорбционного гистерезиса. Другим будет
и вид кривой, описывающей зависимость интенсивности сдувания почвы
от ее влажности в стадии иссушения. В области малых значений
влажности различия между этими кривыми обусловлены не только гидросор-
125
бционным гистерезисом, но и действием клеящих веществ, растворимых
в воде. Противодефлящюнкая стойкость почв после увлажнения и
высушивания до исходной влажности всегда была вьпне, чем в исходном
состоянии, независимо от гранулометрического состава почвы
(Долгилевич, 1971; Глазунов, 1975). Количественные различия в про-
тиводефляционной стойкости между образцами почв до и после
увлажнения изучены недостаточно.
Почвенная влага оказывает существенное, ко
непродолжительное положительное влияние на нгюткзедефгсхционную стойкость почв.
И нолевые наблюдения (Зайцева, 1970), и лабораторные опыты
(Долгилевич, 1971) показывают, что поверхностный, очень тонкий слой
ночвы, толщиной порядка единиц миллиметров, очень быстро
иссушается и, в большинстве случаев, если скорость ветра достаточна, быстро
сдувается. Обнажившийся более влажный слой почвы некоторое время
противостоит дефляции, но, во мере иссушения, также сдувается. Этот
процесс может продолжаться как угодно долго в зависимости от другах
факторов ветровой эрозии почв.
4.3.6 Протаводефшяцноннам стойкость почв
Противодефпяционная стойкость почв по физическому смыслу
аналогична противоэрозиошгой стойкости: она характеризует
способность почвы противостоять сдувающему действию воздушного потока.
Количественно она выражается величиной скорости начала массового
движения частиц почвы, которая непосредственно определяется
размером, плотностью и сцеплением агретов и комков. Остальные свойства
почв влияют на нротиводефляционную стойкость опосредованно, через
эти показатели. Способность кочвы противостоять сдуванню ветром
характеризуется нротиводефляциошюй стойкостью однозначно: ночве в
данном ее состоянии соответствует единственная величина скорости
начала массового движения частиц.
Для оценки способности еочвы противостоять сдуванию ветром
используют й другие показатели, в том числе упоминавшуюся выше
дефлируемость. Дефлируемость (ранее - эродйруемость ветром) широко
используется в экспериментальных исследованиях ко ветровой эрозии в
связи с относительной простотой ее определения. Количественно она
выражается величиной потерь почвы код действием воздушного потока с
единицы площади за произвольно выбранное время опыта. Из этого
определения ясно, что она характеризует скорее податливость почв
ветровой эрозии, чем их сопротивляемость. Дефлируемость не является
однозначной характеристикой, поскольку она зависит не только от свойств
126
Таблица 4.11
Шкала противодефляционной
стойкости почв (Глазунов, Лим, 1989)
почвы, но и от скорости и продолжительности ветра, а также от
площади исследуемого образца почвы.
Ветровой эрозии обычно подвергаются несвязные почвы,
обладающие свойством сыпучести. Связные почвы, не обладающие
сыпучестью, редко подвергаются ветровой эрозии по причине весьма высокой
противодефляционной стойкости.
Дня качественной оценки противодефляционной стойкости почв
по результатам определения критической скорости ветра предложена
шкала (табл. 4.11). Противодефляционная стойкость считается
достаточной, если скорость начала массового движения частиц почвы на
высоте флюгера метеостанции Ущф превышает характерную для данной
территории скорость ветра Уф требуемой обеспеченности. (При расчете
противодефляционных мероприятий, например, систем полезащитных
лесных полос, основьшаются на максимальных во время пьшьных бурь
скоростях ветра 20%-й обеспеченности). В противном случае
противодефляционная стойкость почвы считается недостаточной, что указывает
на необходимость противодефляционных
мероприятий.
Противодефляционная стойкость
почв, не обладающих межагрегатным
сцеплением, изменяется в весьма
широком диапазоне скоростей. Очень низкой
противодефляционной стойкостью
отличаются черноземы в распыленном
состоянии: И.Б.Годунов A961) отмечал
начало дефляций парового поля на
распыленном тяжелосуглинистом черноземе
Кокчетавской обл. при скорости ветра
2,5-3,5 м/с (на высоте г = 100 см от поверхности почвы). По данным
А.Е.Дьяченко и Л.Т.Земляницкого A944) карбонатные черноземы
Башкирии на старопашке начинали разрушаться ветром при скорости 5,5-
7,0 м/с (z = 15 см). Отложенные дождевыми потоками частицы этих же
черноземов начинали переноситься ветром при скоростях 5,0-5,5 м/с (z
= 15 см). Передвижение частиц предкавказского чернозема начиналось
при скоростях 4,5-7,5 м/с (z = 20 см) (Кошкин, Грицик, 1973). По
наблюдениям Е.И.Рябова A973) в юго-западной части Ставропольской
возвышенности перекатывание отдельных частиц черноземной почвы
начиналось при средней скорости ветра 9 м/с (z = 100 см).
Вновь распаханные почвы при прочих равных условиях теряют
устойчивость к ветру при более высоких скоростях ветра, чем
старопахотные (табл.4.12).
Условие
Vmi,< 9 м/с
9< Vmd, <14 м/с
14< Vm4 <24 м/с
24<Vnl(b
v,b <vmd,
VUs V6
Противодефляционная стойкость
пониженная
умеренная
высокая
повышенная
достаточная
недостаточная
127
Таблица 4.13 Пониженной противодефляцион-
скорость начала дефляции (м/,-) шй стойкостью характеризуются пере-
переосушскиьсх торфяно-бологаых
почв Белорусе». (Андрианов, 1968) Осушенные ОргаНО-МИНераЛЬНЫв ПОЧВЫ
(табл.4.13).
Большинство известных из
литературы величин пороговых скоростей
начала дефляции почв получено с
использованием самых разнообразных, но, к
сожалению, весьма мало сопоставимых методик. Трудность сопоставления
материалов разных авторов но критическим скоростям ветра
обусловлена рядом причин: разной высотой и методикой измерения критической
скорости, отсутствием данных о шероховатости поверхности почвы и о
физических характеристиках почвы в момент измерения.
4.4 Растительность
Растительность - наиболее лепсо поддающийся воздействию
человека фактор ветровой эрозии почв. Именно с растительностью
связаны основные надежды в деле охраны почв от ветровой эрозии.
Растительность оказывает влияние и на свойства почв и на свойства
воздушного потока. При этом следует разграничивать влияние собственно
растений и влияние технологаи возделывания тех или иных
сельскохозяйственных культур. Влияние собственно растений на ветровую эрозию
весьма многообразно, но в большинстве случаев положительно. Влияние
же технологаи возделывания многих культур зачастую является
отрицательным и должно анализироваться в ряду антропогенных факторов
ветровой эрозии почв.
4.4.1 Противодефляционная стойкость агробиогеоценозов
При взаимодействии с растением структура воздушного потока
изменяется: увеличивается интенсивность турбулентности и уменьшается
средняя скорость. Слой, в котором увеличилась интенсивность турбу-
Таблица 4.12
Скорость начала дефляции (м/с) некоторых почв Павлодарской обл. (Дьяченко, 1958)
Почва
Старопахотная темно-каштановая супесчаная в
комплексе с легкосуглинистой
Старопахотная темне-каштановая легкоглннистая
опесчаненная
Темно-каштановая легеосуглинистая под посевом
пшеницы по обороту пласта многолетней залежи
Высота измерения, м
0,15
4-4,5
5,0
6,0
/
6,0
-
-
1,5
6,5
7,5
10,3
Почва
Торфяная
Минеральная
Высота измерения, м
0,15
4,5
6,0
0,5
E,0
и
7,0
7,0 1 9,0
128
лентности, называется турбулентным следом. Турбулентный след,
образующийся за группой растений, вьшолняет роль буфера, который ведет
как бы к расслоению пограничного слоя атмосферы,
сопровождающемуся ослаблением турбулентного обмена между выше- и нижележащими
слоями воздуха. Степень изменения воздушного потока зависит от
скорости набегающего потока и от структуры растительного покрова. Чем
больше высота растительного покрова, тем больше расстояние, на
котором проявляется его воздействие на воздушный поток. Это расстояние
является сложной функцией не только высоты, но и формы и
механических свойств растений, а также скорости набегающего потока.
Чем больше скорость, тем длиннее турбулентный след растения
в потоке. Снижение скорости ветра наблюдается не только в
подветренной зоне, но и в наветренной. Итак, вокруг одиночного растения,
обтекаемого воздушным потоком, образуется зона, в которой скорость
ветра снижена по сравнению со скоростью в набегающем потоке.
Полезной частью этой зоны будет та, в которой скорость будет меньше,
чем критическая для данной почвы. Ее можно назвать защитной зоной.
Если растения расположить на поле так, что их защитные зоны займут
всю поверхность поля, оно будет полностью защищено от выдувания.
Увеличение скорости ветра приводит к уменьшению зоны,
защищаемой отдельным растением. Поэтому может быть достигнута такая
скорость, при которой, несмотря на наличие растительности, начнется
перенос почвы ветром. Эта скорость и будет критической для данного
агробиогеоценоза. Исходя из общих соображений следует ожидать
увеличения критической для почвы данного поля скорости ветра с
увеличением суммарной поверхности покрывающей его растительности или
пожнивных остатков (при условии неизменности свойств почвы). Это
подтверждается опытами со стерней пшеницы в аэродинамической
установке (Bisal, Fergusson, 1970), на основании которых была получена
следующая формула:
lnVz =6,0438+0,0001774 5+0,02332 А,
где Vz - пороговая скорость ветра (см/с) на высоте z=30,5 см от
поверхности почвы;
S - количество стоячей стерни пшеницы (при высоте среза 15 см) в
кг/га (в опытах оно изменялось в пределах 0-4000 кг/га);
А - содержание в почве комков крупнее 1 мм.
В данном случае аэродинамические свойства стерни выражены
не суммарной площадью элементов растения в единице объема воздуха,
а весом. Этот показатель хотя и несет меньше информации, но более
широко используется, поскольку его легче определить. Однако
положение об увеличении противодефляционной стойкости агробиогеоценоза с
9 Эрозия и охрана почв
129
увеличением плотности растительного покрова справедливо не во всем
диапазоне возможных значений плотносга. В диапазоне очень малых
значений плотности растительного покрова, характерных, например, для
всходов овощных и технических культур рядкового сева, при низкой
интенсивности турбулентности набегающего потока увеличение плотности
растительного покрова сопровождается увеличением опасности ветровой
эрозии. Это явление характерно для полей с молодыми всходами
сахарной свеклы, моркови, лука. При этом опасность эрозии в условиях
одинаковой плотности растительного покрова тем больше, чем длиннее и
тоньше листья (Morgan, 1987).
Снижение противодефляционной стойкости агробиогеоценоза в
результате появления всходов можно объяснить тем, что ядро
турбулентного следа ростков в воздушном потоке располагается непосредственно
у почвенной поверхности. При этом средняя скорость ветра в
непосредственной близости к почвенной поверхности уменьшается, однако
увеличивается интенсивность турбулентности, а с ней и мгновенные
скорости. Увеличение опасности ветровой эрозии связано, по-видимому, с
превышением максимальными пульсациями критической для почвы
данного агробиогеоценоза скорости.
Для того, чтобы снизить опасность ветровой эрозии почв
необходимо обеспечить условия для достаточного снижения средней
скорости в ядре турбулентного следа или для вытеснения его на достаточную
высоту над поверхностью. С этой целью рекомендуется создание
достаточной плотности растительного покрова, которое достигается
мульчированием поверхности пожнивными остатками с осени, посевом
промежуточных культур, расположением посевов разных культур
чередующимися полосами, устройством кулис и полезащитных лесных полос.
Исходя из изложенного механизма защитного действия растений
и пожнивных остатков, следует заключить, что их эффективность будет
зависеть не только от геометрических особенностей растений,
определяемых их видовой принадлежностью, но и от характера распределения их
по поверхности поля, а для одного вида растений и типа распределения
его на поверхности поля - от их количества.
4.4.2 Трансформация полей метеорологических величин под
действием растительности
Рассмотрим, как меняются поля метеорологических величин
под действием переменной шероховатости, созданной растительностью.
При движении воздушного потока вдоль линии ABCDEF (рис. 4.3),
пересекающей участки поверхности с разной шероховатостью,
характеристики потока изменяются в зависимости от шероховатости. В области
130
потока BKLC, формирующейся под влиянием новой поверхности ВС,
характеризующейся параметром шероховатости гог. можно выделить
слой BCL, полностью приспособившийся к условиями новой
шероховатости. Слой BKLC, называемый внутренним пограничным слоем,
следует рассматривать как слой, возмущенный относительно начального
состояния. В данном случае начальное состояние потока сформировалось
под влиянием участка АВ, характеризуемого параметром шероховатости
Zoi- Толщина поверхностного слоя, полностью приспособившегося к
новой шероховатости, составляет около 10% от толщины внутреннего
пограничного слоя. В пределах слоя, приспособившегося к новой
шероховатости на участке ВС, вертикальный профиль продольной средней
скорости описывается логарифмической зависимостью с параметром
шероховатости гог- В невозмущенном потоке (выше линии АВКР) он
описывается той же зависимостью с параметром шероховатости г0ь
Лесополоса, расположенная на участке DE, служит препятствие
ветру. При взаимодействии с лесополосой воздушный поток сильно
изменяется. Степень изменения воздушного потока зависит от скорости и
других характеристик невозмущенного потока, от характеристик
лесополосы (высоты, ветропроницаемости и формы поперечного профиля) и
Рис. 4.2. Схема строения приземного слоя атмосферы
от шероховатости поверхности почвы на участке EF.
Взаимодействие потока с лесополосой осуществляется в
процессе огибания одной частью потока лесополосы сверху и сбоку и
прохождения другой части сквозь лесополосу. При этом за лесополосой
образуется область потока, характеристики которой зависят от условий
взаимодействия потока с лесополосой. В этой области под влиянием
шероховатости участка EF формируется новый внутренний пограничный слой
EFN, в пределах которого в свою очередь формируется слой EFM,
полностью уравновешенный с поверхностью EF, характеризуемой
параметром шероховатости гоз- Характеристики потока в слое FEDCLKP за-
131
висят от конструкции лесополосы. Важнейшей характеристикой
лесополосы является ее высота. Чем больше высота, тем больше эффективное
расстояние. (В агролесомелиорации под эффективным понимают
максимальное расстояние от лесополосы в подветренную сторону, на котором
заметно ослабление ветра. Ослабление считают заметным, если оно
составляет не менее 10% от скорости в невозмущенном потоке).
Другим важнейшим свойством лесополосы является ее
проницаемость для воздушного потока: чем более проницаема лесополоса, тем
большую долю воздушного потока она пропускает сквозь себя и тем
меньшую долю отклоняет вверх и в сторону. Проницаемость лесополосы
зависит от суммарной площади поверхности листьев, ветвей и стволов в
объеме лесополосы. Измерение площади поверхности листьев, ветвей и
стволов - чрезвычайно трудоемкая процедура. Обычно ее заменяют
определением ажурности лесополосы, под которой понимают величину
отношения площади просветов в продольном профиле лесной полосы в
облиственном состоянии к его общей площади. Ажурность тесио связана
с проницаемостью для ветра (чем больше ажурность, тем больше ветро-
проющаемость), поэтому ее можно использовать г. качестве меры ветро-
проницаемости. Ажурность, а с ней и проницаемость для воздушного
потока, зависят от состава древесных пород, числа рядов в полосе,
густоты насаждения в ряду, выражаемой числом стволов на погонный
километр. Кроме того, проницаемость зависит и от расстояния между
рядами, от угла атаки ветра и от формы поперечного сечения лесополосы.
Наилучшей формой для ажурных полос считается прямоугольная, для
продуваемых - треугольная.
Область влияния лесополосы на поток обнаруживается и с
наветренной и с подветренной сторон (рис. 4.3). Причем область,
расположенная с наветренной стороны, во много раз меньше области,
расположенной с подветренной стороны. Чем больше проницаемость полосы,
тем меньше зона влияния, расположенная с наветренной стороны.
Характер возмущений в потоке при встрече с лесополосой
зависит от ее проницаемости. Если полоса плотная, то характер ее
обтекания потоком близок к характеру поперечного обтекания уступа на
твердой поверхности, обращенного навстречу потоку. При обтекании такого
уступа, образуется зона торможения потока. Из этой зоны вниз
отклоняется струя, которая образует вихрь с горизонтальной продольной осью.
Над уступом также образуется зона с вихрем. Эти вихри периодически
отрываются от уступа и уносятся потоком, образуя вихревые дорожки в
подветренной зоне потока.
Аналогия между процессами обтекания плотной лесной полосы
и уступа на твердой поверхности, конечно, неполная, так как даже
132
плотная полоса характеризуется проницаемостью, доходящей до 15%.
Наличие проницаемости у лесополосы еще больше осложняет картину
ее обтекания воздушным потоком, поскольку в этом случае каждое
дерево выступает в качестве индивидуального препятствия потоку.
Картина протекания воздушного потока сквозь лесополосу
осложняется еще и геометрией стволов, ветвей, листьев,
неравномерностью их распределения по объему лесополосы, наличием нескольких
рядов деревьев в лесополосе. В результате этого вихревые дорожки,
образующиеся за каждым индивидуальным препятствием, взаимодействуя
между собой, дают сложную картину турбулентного следа,
образующегося за лесополосой. На рис. 4.3 область следа ограничена линией
FEDCLKP. Размеры и форма этого следа в значительной степени
определяются проницаемостью лесополосы, а от протяженности следа
зависят эффективное расстояние и протяженность защитной зоны
лесополосы.
При взаимодействии лесной полосы с потоком происходит
замедление потока и связанное с ним уменьшение кинетической энергии
движения, частично превращающейся в тепловую энергию, а частично -
в энергию турбулентных пульсаций.
В среднем влияние полезащитных лесополос на свойства
воздушного потока прослеживается до расстояния, в 10-50 раз
превышающего высоту лесополосы Н в подветренную сторону, и на высоту 4-5 Н
над лесополосой. Минимум продольной средней скорости в
подветренной зоне обнаруживается на расстоянии, равном 2-7 И, тем дальше от
лесополосы, чем больше ее проницаемость, а за плотными лесополосами
- непосредственно у подветренного края. "Глубина" минимума тем
больше, чем меньше проницаемость лесополосы. Поскольку
эффективное расстояние прямо пропорционально ветронроницаемости
лесополосы, а степень снижения скорости ("глубина" минимума) - обратно
пропорциональна, существует некоторая оптимальная проницаемость,
определяющая эффективность зашиты от ветра. Ей соответствует
ажурность в пределах 20-40%.
Ширина полезащитной полосы оказывает влияние на
продуваемость и, следовательно, на ее эффективность. Начиная с некоторой
величины (8-10 м), ширина лесополосы не оказывает непосредственного
влияния на величину эффективного расстояния, поэтому полосы можно
.делать узкими, добиваясь оптимальной проницаемости. Проницаемость
измеряется в течении года в результате сбрасывания листвы. Это
приводит к снижению эффективного расстояния в 1,3-1,8 раза и к
уменьшению степени снижения средних горизонтальных скоростей ветра в 1,2-
2.8 разя в подветренной зоне протяженностью 0--30 Н.
133
Опыт агролесомелиорации свидетельствует о том, что
полезащитные лесные полосы позволяют предотвратить ветровую эрозию почв
или существенно снизить ее интенсивность только при условии, что они
образуют систему. Две полезащитные лесополосы образуют систему,
если они расположены параллельно друг другу на таком расстоянии, при
котором турбулентный след одной из них достигает другой.
Эффективное расстояние, т.е. расстояние, на котором можно обнаружить
турбулентный след, зависит от проницаемости лесополосы и от характеристик
потока, в первую очередь от его скорости. Поэтому две полезащитные
полосы с характерными для них конструкциями и расстоянием друг от
друга при одной скорости ветра образуют систему, а при другой - нет.
Эффективность лесополос зависит от угла атаки ветра: чем
меньше направление ветра отклоняется от перпендикуляра к полосе, тем
больше эффективность системы. Чем меньше направление ветра
отклоняется от направления лесополосы, тем меньше ее эффективность;
однако она никогда не равна нулю. Полоса, даже параллельная ветру,
снижает его скорость, однако эффективность ее при этом составляет
примерно 25% от эффективности при поперечном ветре (Константинов,
Струзер, 1965).
Скорость ветра в системе лесополос уменьшается с увеличением
расстояния от края системы. Однако при фиксированном расстоянии
между лесополосами это уменьшение не беспредельно. По данным
А.А.Комарова A959), увеличение числа моделей лесополос в системе
сверх Ю не сопровождалось дальнейшим уменьшением скорости ветра в
межполосном пространстве. Это свидетельствует о том, что любая
система лесополос на определенном расстоянии от края приходит в
равновесие с внешним потоком воздуха. Само же это расстояние зависит от
конструкции лесополос, удаленности их друг от друга, шероховатости
поверхности в межполосном пространстве, скорости ветра в открытом
поле и других факторов.
Мерой эффективности лесополос в агролесомелиорации служит
снижение скорости ветра в защитной зоне не менее, чем на 10%.
Применительно к оценке цротиводефляционной эффективности одиночных
лесополос этого критерия недостаточно. В таком случае целесообразно
использовать расстояние от лесополосы, на котором скорость ветра не
превышает допустимую величину. Следовательно, при оценке
эффективности одиночной лесополосы необходимо определить дополнительный
фактор - критическую для почвы скорость ветра, которая в свою
очередь является основой для определения допустимой скорости. При
оценке противодефляционной эффективности системы лесополос
необходимо учитывать еще один фактор, способность лесополосы фильтровать
134
воздушньш поток и тем самым предотвращать возникновение лавинного
эффекта.
Помимо воздействия на скорость ветра растительность
оказывает влияние и на другие метеорологические величины приземного слоя,
такие, как температура и относительная влажность воздуха, которые
опосредованно, через влажность поверхностного слоя почвы влияют на
ее противодефляционную стойкость. Наиболее отчетливо влияние
растительности прослеживается в случае с влажностью. Так, на полях с
растительностью, на стерневых и занятых парах снега накапливается
больше, чем на чистых парах, поэтому влажность почвы весной, а с ней
и противодефляшюиная стойкость на них выше. На нолях, защищенных
завершенной сетью полезащитных лесополос, растения меньше страдают
от засухи, а почвы - от дефляции. Проблемам и методам регулирования
микроклимата сельскохозяйственных нолей в целях повышения
продуктивности и охраны почв посвящена обширная литература (Куртенер,
Усков, 1988).
4.5 Хозяйственная деятельность человека
Ведущая роль антропогенного фактора в определении размаха и
интенсивности эрозионных процессов, отмеченная в главе "Факторы
водной эрозии почв", в случае ветровой эрозии выступает еще более
рельефно. Несоответствие системы земледелия почвенно-климатическим
условиям Северного Казахстана в начальньш период освоения целины
привело к тому, что в 1962 г. ветровой эрозии было подвержено 1,5
млн. га почв, а в 1965 г. - до 5 мли.га (Моргун, 1981). Значимость
антропогенного фактора подтверждается и таким ярким примером, как
разработка и внедрение почвозащитной системы земледелия в степных
районах Казахстана и Сибири. В относительно короткий период
учеными ВНИИ зернового хозяйства под руководством А.И.Бараева была
разработана и внедрена в производство на площади более 26,7 млн.га
почвозащитная система земледелия, что позволило обеспечить
эффективную защиту почв от ветровой эрозии.
Системы земледелия непрерывно изменяются в соответствии с
изменением уровня развития производительных сил. В настоящее время
продолжается разработка зональных почвозащитных систем земледелия
для разных регионов страны. Для обеспечения предпосылок успешной
разработки этих систем необходимо дальнейшее углубленное изучение
роли всех факторов ветровой эрозии почв в этих регионах.
135
5. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЭРОЗИИ ПОЧВ
5.1 Методология эрозионных исследований
Почвоведение имеет в своем распоряжении четыре основных
метода: сравнительно-географический, сравнительно-аналитический,
стационарный и моделирование (Роде, 1971). Все они присущи и науке
об эрозии почв, новому направлению в цикле наук о почве. Как и для
всякого научного направления, для него характерно наличие
собственного объекта и специфических методов исследований. Объект
исследования - совокупность явлений и процессов в биосфере, связанных с
механическим движением почвенной массы под действием водных и
воздушных потоков. Поэтому одним из основных методов исследования нового
направления является гидроаэромеханический. Специфика этого метода
в том, что он предполагает сопряженное изучение свойств почв,
определяющих их противоэрозионную и противодефляционную стойкость,
потоков воды и воздуха, эродирующих почвы, и процессов отрыва,
переноса и отложения почвенных частиц. При изучении эрозии почв наряду с
методами почвоведения применяются и методы смежных наук, таких,
как гидрология, гидравлика, физика атмосферы, геоморфология,
ботаника, грунтоведение и др.
Наибольшие успехи в деле изучения эрозии почв достигнуты с
использованием сравнительно-географического и стационарного
методов. Дальнейшие перспективы сравнительно-географического метода
связаны с развитием дистанционных методов: аэро- и космической
эрозионной фотосъемки; наземной эрозионной съемки с использованием
спутниковой системы глобальной навигации, которая позволяет очень
точно оконтуривать на местности эрозионные объекты. Стационарные
136
методы остаются наиболее важными в сборе информации, необходимой
для познания процессов эрозии и разработки противоэрозионных
мероприятий. Наибольшее внимание этим методам уделяется в США, где
создана сеть, хоть и не густая, постоянно действующих станций и пунктов
для регистрации эрозии почв. На основе данных этой сети
разрабатываются модели для прогнозирования и предупреждения эрозии почв.
Наиболее быстрыми темпами развиваются в настоящее время
методы моделирования. Это обусловлено теми преимуществами, которые
возникают вследствие замены реального объекта исследования его более
простой моделью. Наиболее широко распространенным видом
эрозионных моделей являются почвенно-эрозионные карты. Они относятся к
классу так называемых графических моделей, для которых характерна
очень высокая степень сжатия информации, обеспечивающая ,возмож-
ность анализа эрозионной обстановки на больших территориях.
Особенно характерным для эрозиоведения является использование физических
моделей. Это единственный метод познания механизмов взаимодействия
водных и воздушных потоков с почвой, приводящего к ее эрозии.
Наибольшей степенью абстрактности отличаются математические модели,
которые все более широко применяются во всех отраслях науки, в том
числе и в эрозиоведении.
Модели эрозии почв строятся на более или менее полном учете
факторов и условий эрозии. В зависимости от масштаба модели бывают
локальными, регаональными и глобальными. По сути модели бьюают
статистическими, не вскрывающими физического смысла процесса
эрозии, и логико-математическими, основанными на уравнениях, с той или
иной степенью точности описывающих влияние разных факторов
эрозии. Логико-математические модели делятся на три класса.
• Модели с сосредоточенными параметрами, т. е. не учитывающие
пространственной неоднородности района проявления эрозии или
отдельного поля севооборота.
• Модели с сосредоточенно-распределенными параметрами, т. е.
переходные.
• Модели с распределенными параметрами, основанные на
дифференциальных уравнениях в частных производных.
Подавляющее большинство моделей эрозии почв относится к
первому классу. В классе моделей с сосредоточенными параметрами
выделяются системные модели типа "черный ящик", т. е. модели типа
"вход - выход"; системно-физические или концептуальные модели тина
"серый ящик", т. е. модели частично учитывающие физику процессов,
частично построенные по типу "черного ящика"; физические
непрерывные модели, т. е. модели целиком построенные на учете физики явле-
137
ния. В зависимости от степени завершенности можно выделить
исследовательские модели высокого уровня и модели более низкого уровня, но
более полные, доведенные до возможности практического использования
при планировании мероприятий по охране почв от эрозии.
Математические модели являются не только средством
познания, но и объектом исследования. В связи с этим в эрозиоведении, как и
в других науках, распространяются методы вычислительного
эксперимента. Основу вычислительного эксперимента составляет триада
"модель-алгоритм-ярофамма" (Вабищевич, 1993). Вычислительный
эксперимент позволяет исследовать, например, комплексную модель агро-
биогеоценоза, состоящую из подмоделей, в том числе эрозионных,
описывающих функционирование этого агробиогеоценоза. Создание таких
комплексных моделей все более широко распространяется в связи с
увеличением доступности высокопроизводительных ЭВМ. В качестве
примера можно привести комплексную модель EPIC (Williams et al.,
1984), созданную в целях выявления зависимости плодородия почвы от
эрозии. Она состоит из большого числа простых и комплексных
подмоделей, описывающих: погоду (осадки, температуру, солнечную радиацию,
ветер), температуру почвы, гидрологию (объем стока, максимальную
интенсивность стока, впитывание воды почвой, внугрипочвенный сток,
эвапотранспирацшо, снеготаяние), динамику элементов минерального
питания (азота, фосфора), рост растений (потенциальный рост,
ограничивающие факторы), систему механической обработки почвы, влияние
мелиорации (дренаж, орошение, удобрение, известкование, внесение
пестицидов) эрозию (дождевую, ирригационную, ветровую) и экономику
землепользования. Для описания эрозии почв в модели EPIC
использованы модифицированные версии "универсального уравнения потерь почвы"
и "уравнения ветровой эрозии", подробно рассмотренные в главе 7.
Указанная модель имитирует перечисленные процессы с шагом в одни
сутки. Она позволяет исследовать зависимость плодородия почвы от эрозии
в условиях применения произвольно заданных систем земледелия для
произвольно заданных временных отрезков. Даже столь громоздкая на
первый взгляд модель в настоящее время может быть широко
использована, поскольку её про1рамма занимает всего 280К, что значительно
меньше общего объема оперативной памяти современных персональных
ЭВМ.
Исходя из степени вмешательства исследователя в ход
изучаемого процесса все многообразие применяемых в эрозиоведении
экспериментальных методов можно условно разделить на три группы (Арманд,
1948): 1) пассивный эксперимент в природе; 2) активный эксперимент в
природе; 3) физическое моделирование (эксперимент в лаборатории). К
138
ним, в связи с изложенным выше, можно прибавить и вычислительный
эксперимент. Представители первых трех методов рассмотрены ниже, а
некоторые модели, используемые в вычислительных экспериментах,
рассмотрены в главе 7.
5.2 Пассивный эксперимент в природе
Наиболее общей задачей, решаемой с привлечением пассивных
экспериментов, является определение объема потерь, переноса или
накопления почвы в зависимости от факторов эрозии. В эту группу
отнесены методы наблюдения и измерения, которые не сопровождаются
вмешательством в естественный ход процессов и не оказывают влияния
на конечный результат этих процессов. Степень "вмешательства" в
естественное течение изучаемых процессов изменяется от метода к методу.
Отсутствием всякого влияния на естественное течение процессов эрозии
характеризуются методы, основанные на измерении объема наносов,
отложенных водными и воздушными потоками, на измерении объема русел
временных водных потоков и на повторном измерении геометрии
почвенной поверхности.
Идентификации и измерению поддаются конусы выноса в устьях
временных водотоков на поверхности пашни, а также конусы выноса в
устьях оврагов и балок. Объем отложения измеряют с помощью
обычных геодезических методов с использованием нивелира и рейки. Такого
рода определения имеют вспомогательный характер, так как в конусах
выноса оседает только часть твердого стока.
Такие же методы применяют и при определении объема эоловых
наносов, которые могут иметь размер от нескольких сантиметров
(эоловая рябь на пашне) до единиц метров (отложения в лесополосах) и
даже десятков метров (барханы, дюны, песчаные гряды). Определив
плотность наноса и размер пылесборной площади можно рассчитать
слой сдутой почвы. Точность такого рода расчетов обычно невелика.
Это объясняется трудностью определения пылесборной площади,
соответствующей изучаемому отложению, а также тем обстоятельством, что
не вся почва, сдутая с поверхности поля, откладывается у ближайшего
препятствия ветру. Часть почвы, представленная мелкими несвязными
частичками, количество которых в процессе ветровой эрозии возрастает
вследствие абразии, уносится на большие расстояния и может вьшасть
на поверхность в десятках и даже сотнях километров от места, где она
поднялась в воздух.
В некоторых случаях объем твердого стока с водосбора за
длительный период можно также определить по объему наносов, отложен-
139
ных в пруду или озере. При этом необходимо учитьшать приход наносов
за счет обрушения берегов, за счет внутренней жизни водоема и эоловой
аккумуляции, а также убыль наносов при изъятии воды на
хозяйственные нужды.
Наиболее простой и доступный метод определения потерь почвы
основан на измерении и расчете объема русел временных водотоков на
пашне. В результате стекания дождевых и талых вод на поверхности
пашни формируется сеть временных водотоков. В силу неровности
поверхности почвы на пашне всегда наблюдается концентрация стока -
мелкие струйки сливаясь в более крупные, образуют сеть ручейков,
обычно имеющую в плане форму дерева. Она зависит от свойств почвы,
характера ее сельскохозяйственного использования, формы склона и
особенностей стока. Для определения суммарного объема русел этой
сети на склоне намечают ряд параллельных учетных линий, располагаемых
перпендикулярно линии наибольшего уклона. Длина учетных линий от
25 до 100 м. Расстояние между соседними линиями зависит от крутизны
склона: на крутых склонах - 15-20 м, на пологах - до 50-100 м. Чем
меньше расстояние между учетными линиями, тем ближе к истине
результат определения.
Двигаясь вдоль учетной линии, исследователь выявляет все
русла, пересекающие её, а также массивы отложенного временными
водными потоками почвенного материала и измеряет линейкой ширину и
глубину русел и толщину и ширину наносов. Точность измерения 0,5 см.
Площадь сечения русла определяют перемножением его ширины на
глубину. По каждой учетной линии находят сумму площадей сечений всех
русел. Суммарный объем русел между двумя соседними линиями
рассчитывают путем умножения расстояния между ними на полусумму
площадей сечений всех русел по этим двум линиям. Суммарный объем русел
между двумя учетными линиями принимают за объем почвы, смытой с
участка между этими линиями. Зная площадь этого участка и плотность
почвы, можно рассчитать весовые потери почвы (в т/га).
Преимущества данного метода очевидны: доступность, простота
и, часто, незаменимость. Столь же очевидны и его недостатки, главный
из которых - низкая точность измерений. Она обусловлена рядом
обстоятельств, учитывая которые можно повысить точность данного метода.
Во-первых, суждение об объеме ручейковой сети, имеющей весьма
сложную конфигурацию в плане, выносят на основании выборочного
измерения в ряде сечений. Кроме того, длин} ручейков между учетными
линиями принимают равной расстоянию между ними, что, конечно,
занижает результат расчета, так как в действительности ручейки из-за
извилистости длиннее. Повышения точности можно добиться путем уве-
140
личения числа учетных линий (уменьшения расстояния между соседними
линиями). Во-вторых, площадь сечения каждого русла определяют путем
перемножения его ширины на максимальную глубину, т.е. приближая
форму сечения к прямоугольнику. В действительности русла имеют в
поперечном сечении весьма разнообразную форму. Поэтому повышения
точности можно достичь увеличением точности измерения площади
сечения русла, но это приведет к резкому снижению производительности
труда. В-третьих, для того, чтобы выявить все русла и правильно
измерить их сечения, что особенно трудно в случае, когда поле вспахано
вдоль склона и направление линий тока совпадает с направлением
борозд, необходима достаточно высокая квалификация. В-четвертых,
особенности механизма процессов смыва таковы, что даже при одинаковых
объемах ручейковой сети на пашне, потери почвы от эрозии будут
разными в зависимости от вида стока - дождевого или талого. В.А.Федоров
и НХШикула A973) предложили поправочные коэффициенты к
результатам определения смыва почвы по замеру объема русел временных
водных потоков на пашне (табл.5.1). Поправочный коэффициент
представляет собой отношение фактической величины смыва почвы со
склона, измеренной на стоковой площадке, к величине, найденной методом
замера объема русел водотоков.
Как видно, поправочный
коэффициент уменьшается с увеличением крутизны
склона в связи с уменьшением меандрирова-
ния русел. Наблюдаются также более
высокие величины указанного коэффициента в
случае дождей по сравнению со
снеготаянием ввиду того, что при дождях вынос почвы
наблюдается не только в руслах потоков, но
и с микроводоразделов за счет
разбрызгивания дождевыми каплями.
Другая группа методов измерения, не оказывающих влияния на
естественное течение процесса, основана на уче^е изменения уровня
почвенной поверхности. И водная и ветровая эрозия почв сопровождаются
изменением уровня почвенной поверхности: в зоне смыва и дефляции
уровень поверхности в целом понижается, в зоне транспорта наносов -
не изменяется, в зоне аккумуляции - повышается. Измерив уровни
поверхности почвы до ливня и после него можно рассчитать потери (или
аккумуляцию) почвы. Изложенный выше метод замера объема русел
временных водотоков в принципе - одна из разновидностей данного
метода. Его преимущество в том, что он позволяет определить объем по-
Таблица 5.!
Поправочные коэффициенты к
результатам определения смыва
почвы по замеру объема русел
Крутизна
склона, ipan
1-3
4-6
7-9
15-16
20
При
снеготаянии
1,5
1,4
1,3
1,2
1,2
При
дождях
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
141
терь почвы, не производя предварительных (до проявления эрозии)
измерений на поле, но оно достигается за счет потерь в точности.
Существует много методов измерения уровня почвенной
поверхности. Наиболее широко применяемый (в силу своей простоты и
доступности) - метод микроиивелирования. Он заключается в устройстве на
исследуемой площадке жестко фиксированных опор, на которые, по
мере наступления сроков измерений, устанавливают на постоянной высоте
от поверхности почвы металлическую рейку, по которой свободно
перемещается тележка с прикрепленной к ней мерной иглой. Мерная игла
снабжена нониусом и позволяет измерять вертикальную координату
точки на поверхности почвы с точностью до 0,1 мм. Горизонтальную
координату определяют с точностью до 1 мм (по линейке, укрепленной на
направляющей рейке). Строго говоря, метод микронивелирования в
указанной прописи позволяет построить только лишь профиль поверхности,
а не саму поверхность. Имея два профиля поверхности почвы,
полученные в одном створе в разное время, можно определить слой почвы,
который утрачен вследствие эрозии за это время. Метод пригоден для
работы с почвой в состоянии, близком к равновесному, при котором
плотность почвы приблизилась к некоторой постоянной для данного угодья и
сезона величине. В случае рыхлой почвы возможны ошибки в
определении величины смыва, обусловленные усадкой почвы. Метод
микронивелирования применяют при изучении всех видов эрозии.
Наиболее перспективным среди методов, основанных на учете
изменения уровня почвенной поверхности, является стереофотограммет-
рический. Он основан на сравнении вертикальных координат
нескольких сотен точек на поверхности небольшого участка почвы, попавшего
в кадр, по фотографиям, сделанным из фиксированной точки в два
срока: до проявления процессов эрозии и после. Этот метод значительно
точнее всех, описанных выше, поэтому он может найти применение при
моделировании процессов и водной и ветровой эрозии. К
преимуществам метода относится также простота получения фотографий
изучаемой поверхности. К недостаткам - высокая стоимость и сложность
оборудования для извлечения из этих фотографий требуемой информации.
Наиболее простым методом учета изменения уровня почвенной
поверхности является метод шпилек. Шпилька представляет собой
тонкий металлический стержень с нанесенными на нем делениями.
Шпильку погружают в почву до нулевой отметки. Изменение уровня
поверхности почвы возле шпильки позволяет судить о величине наноса почвы
или о величине потерь. Метод шпилек применяют и при изучении
водной эрозии и при изучении дефляции в течение длительного времени. В
течение зимнего периода возможно движение пшильки в вертикальном
142
направлении вследствие морозною пучения почвы, которое можно
исключить, защитив шпильку обсадной трубой.
Приблизительную оценку величины потерь почвы от дефляции
можно произвести но измерению глубины залегания семян. Глубина
заделки семян известна, и по разности глубин можно судить о величине
потерянного слоя почвы. О мощности сдутого слоя почвы можно судить
и по отдельным почвенным глыбам-останцам, которые встречаются в
плохо разделанном пахотном слое (Соболев, 1948). В случае щебнистой
почвы можно определить мощность сдутого слоя кочвы но накоплению
щебня на поверхности почвы. Дня этой цели М.ИДолгилевич A958)
предлагает с учетных площадок размером 0,5 х 0,5 м2 собрать двухсан-
тиметровый поверхностный слой ночвы и, с помощью сита с размером
ячеек 2 мм, отделить мелкозем от камней и взвесить его. Затем
необходимо определить концентрацию камней в пахотном слое ночвы с
помощью того же сита. Зная концентрацию камней в почве и количество
камней, накопившихся на учетной площадке, можно, составив
пропорцию, рассчитать количество мелкозема, вмещавшего это количество
камней до начала дефляции.
К первой группе относятся и методы наблюдения за ростом
оврагов. Интенсивность роста оврагов оценивают скоростью их прироста в
длину, ширину, глубину, по площади и по объему. Наблюдения начинают
с составления детального плана водосборной площади, питающей овраг,
на основе мензульной съемки. На план наносят рельеф водосбора в
горизонталях, контуры оврага, границы сельскохозяйственных угодий,
гидротехнические сооружения и лесомелиоративные насаждения, а также
точки нахождения реперов. В натуре реперами отмечают края створов, в
которых в дальнейшем будут производить измерения. Реперы
располагают не ближе 3 м от бровки оврага. На расстоянии не менее 10 м от
вершины оврага также располагают репер. Измерительными створами
должны быть охвачены зоны размыва, транзита и аккумуляции. В
зависимости от длины оврага назначается от 5 до 10 створов. Наблюдения
ведут путем ежегодного измерения расстояний от постоянных реперов до
вершины и бровок оврага, а также профиля оврага в каждом створе. По
этим данным рассчитывают методом интерполяции все нужные
характеристики интенсивности роста оврагов.
Перечисленные методы позволяют с той или иной точностью
оценить потери почвы, т.е. последствия эрозии. Признавая
необходимость и полезность такого рода сведений, следует все же отметить и
некоторую их ограниченность в смысле насыщенности информацией о
механизме процессов эрозии. А без понимания механизма трудно управлять
этими процессами. В конечном счете процессы эрозии сводятся к дви-
143
жению масс почвы под действием водных или воздушных потоков. Для
того, чтобы выявить причины движения этих масс, необходимо, в первую
очередь, научиться измерять это движение. Речь идет о возможности
измерения потоков твердой фазы (т.е. почвы) в процессе эрозии. В
настоящее время для этой цели используют всевозможные батометры, пыле- и
пескоуловители, ловушки донных наносов, фильтры, пьезоэлектрические
устройства для регистрации перемещения почвенных частиц и т.п. Эти
устройства, будучи помещенными в поток, в какой-то степени нарушают
его физические характеристики, что отражается на эффективности-
измерения потока твердой фазы. Чем меньше нарушается взвесенесущий
поток в районе приемного отверстия или створа такого прибора или
устройства, тем точнее измеряется поток твердой фазы. В принципе такого
рода устройства делятся на две категории: одни предназначены для
измерения суммарного переноса твердой фазы через все живое сечение
взвесенесущего потока, другие - для измерения потока твердой фазы
через фиксированную площадку (равную площади отверстия прибора,
помещенного в поток) составляющую, зачастую, ничтожную долю живого
сечения всего взвесенесущего потока (особенно при дефляции почв).
При балансовых исследованиях методы и устройства первой категории
предпочтительнее, так как анализу подвергается известная часть всего
взвесенесущего потока. Однако именно последнее обстоятельство
накладывает ограничение на возможность применения таких методов:
например, при изучении дефляции почв в натурных условиях пока нет
возможности анализировать сразу весь поток в каком-либо створе. В то же
время методы второй категории, хотя и уступают в надежности
определения суммарного потока твердой фазы методам первой категории, дают
весьма ценную информацию о пространственном распределении
концентрации почвенной фазы во взвесенесущих потоках.
Весь взвесенесущий поток удается проанализировать при
изучении смыва почвы с небольших водосборов размером от десятых долей
гектара до нескольких гектаров. В этом случае весь объем
поверхностного стока с водосбора пропускают через измерительный комплекс, где
определяют расход жидкого стока, стока донных наносов, стока
взвешенных наносов и стока растворенных в воде веществ. Наблюдения, как
и в описанном выше случае с оврагами, начинают с составления
детального плана водосборной площади на основе мензульной съемки. На план
(М 1:200) наносят горизонтали через 0,1 м и определяют границы
водосбора. После первого же ливня границы уточняют на местности.
Верхней границей служит общий водораздел склона, а боковыми и нижними
- микроводоразделы. По нижним границам устраивают стоконаправля-
ющие стенки из толя или рубероида. Основание стенки погружают в по-
144
чву на глубину 15-20 см. Стенка должна выступать над поверхностью
почвы примерно на 15 см, с внешней стороны её крепят колышками.
Стенки сходятся к направляющему лотку, который сообщается со сто-
коприемным баком, оборудованным для проведения измерений
указанных выше характеристик стока. Измерительное оборудование и методы
проведения измерений аналогичны стандартным методам, применяемым
на стационарных стоковых площадках (о них см. ниже). Преимуществом
описанного метода является то, что его можно использовать при
проведении исследований в производственных условиях, так как
измерительное оборудование - съемное и не мешает проведению полевых работ.
Кроме того, отсутствует искажающее влияние боковых искусственных
рубежей. В.В.Сластихин A964), использовавший указанный метод в
Молдавии, считает, что его целесообразно применять на склонах с более
или менее выраженными ложбинами.
Анализ всею взвесенесущего потока используют при
углубленном изучении эрозии почв во время снеготаяния (Григорьев, Кузнецов,
1975). Для этого из русла временного водотока периодически отбирают в
мерную емкость пробу стока, определяют его расход, измеряют живое
сечение потока и рассчитывают его среднюю скорость. Тут же в поле
методом мокрого просеивания пробы стока на колонке сит определяют
распределение по размерам частиц донных наносов. Мутность потока
определяют методом фильтрования. Аналогичный подход применяют в
случае изучения эрозии при орошении напуском по бороздам. При этом,
однако, необходимо учитывать особенности механизма смыва почвы в
поливных бороздах, которые заключаются, во-первых, в уменьшении
расхода воды с удалением от головной части борозды, во-вторых, в
существовании трех зон: 1) смыва почвы, 2) транспорта наносов и 3)
аккумуляции наносов, и, в-третьих, в том, что наибольший смыв
наблюдается в начальный период поступления воды в сухую борозду. Все это
приводит к тому, что почва, смываемая в верхней части поливной
борозды, часто не покидает пределов поля, а накапливается в нижней его
части. Учитывая это, измерительные створы необходимо распределить вдоль
борозды таким образом, чтобы охватить измерениями все три зоны.
Задача состоит в том, чтобы обеспечить возможность периодического
отвода всего потока из поливной борозды в заданном створе в мерную
емкость. При этом необходимо стремиться не нарушать режим течения
воды в борозде выше створа, в котором производят измерения, так как
изменение режима течения может сопровождаться резким изменением
твердого стока как раз в момент отбора пробы. Для этого приходится
соответствующим образом организовывать измерительный створ. В
непосредственной близости к борозде выкапывают углубление для мерной
10 Эрозия и охрана почв
емкости. Мерная емкость сообщается с поливной бороздой
водоотводной канавкой, через которую в нужный момент поток воды из поливной
борозды направляют в мерную емкость. Для этого в измерительном
створе в начале опыта дно борозды выстилают листом полиэтиленовой
пленки. Перекинув нижний край полиэтиленовой пленки из борозды в
отводную канавку поток направляют в мерную емкость и проводят весь
комплекс измерений. Кроме того, после отбора пробы и возвращения
потока в борозду измеряют живое сечение потока.
Использование описанного выше метода анализа взвесенесущего
потока з любом створе, кроме замыкающего, приведет к некоторому
временному нарушению режима течения на участке борозды,
расположенном ниже цо течению. Через некоторое время после завершения
отбора пробы в данном створе режим течения на нижележащем участке
борозды восстанавливается. Чтобы избежать трудностей, связанных с
этим, отбор проб в установленные сроки производят последовательно во
всех створах, начиная с замыкающего и заканчивая первым,
расположенным в головной части борозды. В начале полива отбор проб
производят как можно чаще (через 10-15 мин), начиная со второго часа
пробы отбирают через 0,5-1 ч. Использование указанного метода в опытах
по изучению влияния различных иротквоэрозионных мероприятий на
смыв почвы позволяет отнести эти опыты в разряд активных
экспериментов в натурных условиях.
Существует класс задач, решение которых в принципе возможно
только с использованием методов второй категории. К ним относятся
все задачи но изучению ветровой эрозии почв в натурных условиях,
размыва и заиливания каналов оросительной сети, а также механизма роста
оврагов. Особые трудности возникают при интерпретации результатов,
полученных этими методами. Эти трудности обусловлены тем, что
средняя концентрация почвенной фазы в заданном створе потока зависит от
вертикальной координаты точки измерения, т.е. от ее высоты над
поверхностью почвы в случае дефляции и от расстояния до дна потока в
случае водной эрозии. И градиент концентрации, и ее абсолютное значение
увеличиваются с приближением к ложу потока. Максимум концентрации
почвенной фазы во взвесенесущем потоке приурочен к некоторой
высоте, отличной от нуля. Кроме того, средняя концентрация почвенной
фазы зависит и от горизонтальных координат точки измерения, т.е. от
расстояния до боковых стенок русла, и от расстояния до створа, в котором
начался процесс эрозии или дефляции (обычно это головная часть
поливной борозды, водораздельная линия или, в случае дефляции, край поля).
Указанные характеристики оказывают влияние на среднюю
концентрацию почвенной фазы в потоке постольку, поскольку они влияют на ха-
146
рактер изменения поперечного и продольного профилей скорости вдоль
потока и на количество и характер распределения по размерам
влекомых потоком почвенных частиц. А характер распределения почвенных
частиц по размерам в сильнейшей степени сказьшается на профиле их
концентрации.
Для решения задач указанного класса необходимо обеспечить
возможность измерения потока почвенной фазы через площадку
известного размера, расположенную перпендикулярно потоку. Имея значения,
потока почвенной фазы для ряда таких площадок, охватывающих с той
или иной полнотой все поперечное сечение взвесенесущего потока,
можно методом интерполяции определить суммарный поток почвенной
фазы через данный створ. Такой площадкой обычно служит приемное
отверстие водозаборного или воздухозаборного устройства
измерительного прибора. Чем меньше возмущений вносит измерительный прибор в
поток, тем точнее будут результаты измерений. Возмущения будут
минимальными в том случае, когда средняя продольная скорость потока в
приемном отверстии прибора будет равна средней продольной скорости
потока в данной точке в отсутствие прибора. При этом результаты
измерений будут отражать концентрацию почвенной фазы в слое потока,
равном по толщине вертикальному размеру приемного отверстия. Если
скорость потока в приемном отверстии прибора будет меньше средней
скорости, характерной для потока в этом месте в отсутствие прибора,
результаты измерений будут заниженными. Если скорость на входе в
прибор будет больше средней скорости потока в этом месте в отсутствие
прибора, то результат измерений будет завышенным.
В исследовательской работе применяют приборы, для которых
характерны все три типа соотношений средней скорости в приемном
отверстии и в свободном потоке. К сожалению, реже всего используют
приборы, в которых средняя скорость в приемном отверстии равна
скорости в свободном потоке. Это обусловлено тем, что нужные для
указанных целей приборы промышленность не выпускает.
Взятие пробы воды из глубоких потоков для определения ее
мутности производят с использованием бутылки-батометра. Пустую,
закрытую пробкой бутылку-батометр, укрепленную на штанге, опускают в
поток на требуемую глубину и приводят в действие затвор крышки.
Крышка открывается и вода заполняет бутыль. После этого вновь
приводят в действие затвор, крышка закрывается и батометр извлекают из
потока. Мутность определяют фильтрованием. Скорость движения
потока в приемном отверстии батометра при его заполнении гораздо больше,
чем в данной точке потока в его отсутствие. Батометрами пробы
отбирают вдали от дна, в области, где вертикальным градиентом концентра-
147
ции наносов можно пренебречь. При малых глубинах потока пробы на
мутность целесообразно брать с помощью вакуумного батометра,
устанавливаемого на берегу потока. Вакуумный батометр представляет собой
бутьшь, закупориваемую резиновой пробкой с двумя трубками. Одна
трубка служит для соединения бутыли с вакуумным насосом, другая,
снабженная наконечником, предназначена для забора проб воды.
Наконечник крепят к штанге и опускают на заданную глубину. Заполнение
бутыли водой осуществляется за счет разности давления в бутыли и
атмосфере, создаваемой вакуумным насосом. Скорость движения потока в
приемном наконечнике будет зависеть, в первую очередь, от величины
этого перепада давления и от гидравлического сопротивления трубки с
наконечником. В любом случае ее обычно не ре!улируют и она
отличается от скорости движения потока в этой точке в отсутствие трубки.
Измерений мутности, проводимых на разной глубине, достаточно
только для расчета потока взвешенных наносов. Для определения
суммарного потока почвенной фазы во взвесенесущем потоке необходимо
добавить измерение потока так называемых донных наносов. Измерение
донных наносов производят с помощью донных ловушек. Типичная
донная ловушка представляет собой открытую коробку, заделываемую в дно
штока так, чтобы края коробки были в|юкень с дном. Сверху коробка
накрывается решеткой. Конструкция решетки такова, что частичка
почвы, катящаяся или скачущая но дну потока и попавшая на решетку
обязательно проваливается в коробку. Миновать уловитель донных
наносов Moiyr только те частички, длина скачка которых больше длины
самого уловителя, а такие частички всегда могут встретиться в потоке.
Однако, учитывая то, что подавляющая часть суммарного потока
почвенной фазы переносится в придонном слое и, следовательно,
характеризуется небольшой длиной скачка, можно ограничиться сравнительно
небольшой длиной ловушки. Так, изучая зрозию почв при орошении
напуском по бороздам, В.Я.Григорьев и М.С.Кузнецов A976) использовали
ловушку длиной 25 см, которая оказалась вполне эффективной.
Перенос почвенных частиц ветром подчиняется таким же
закономерностям, как и перенос водным потоком, но масштабы процессов, и
линейные и временные, различны. Это создает ряд дополнительных
трудностей при измерении потока почвенной фазы. Главная среди них -
большая толщина потока, несущего почвенные частички: сплошной
пылевой фронт во время пыльных бурь часто имеет толщину несколько
сотен метров. Однако, согласно результатам обобщения данных множества
исследований, основная масса почвы переносится в слое 0-1 м. Это
открывает возможности для азмеренья переноса почвы ветром с
использованием простых и доступных методов.
148
Наиболее широко при дефляционных исследованиях используют
пыле- или пескоуловители, представляющие собой коробку в форме
параллелепипеда, одна из граней которого служит приемным отверстием.
Ее устанавливают на поверхности почвы так, чтобы приемная грань
была перпендикулярна потоку. Для уменьшения сопротивления потоку
коробку делают плоской. Так, приемная щель пескоуловителя Бэгеольда
имеет высоту 110 см, а ширину 1 см. Пылеуловитель крепится на
вращающейся оси и снабжается флюгером, что обеспечивает оптимальное
положение приемного отверстия относительно потока - плоскость
приемного отверстия располагается перпендикулярно направлению ветра.
Частички почвы, попавшие в створ пылеуловителя, оседают в приемный
сосуд, который расположен под приемной коробкой ниже уровня
поверхности почвы. Часто входную щель пылеуловителя снабжают
перегородками, что позволяет раздельно учитывать перенос почвы в разных слоях.
Пылеуловители указанного типа имеют тот недостаток, что они не
пропускают воздушный поток сквозь себя. Это приводит к тому, что
значительная доля частиц, особенно мелких, минует пылеуловитель. Поэтому
пылеуловители такого типа приходится тарировать. Существует и другая
разновидность пылеуловителей, в принципе отличающаяся от описанной
выше тем, что в тыльной части накопительной емкости имеется
выходное отверстие. Запыленный поток, попадая в' накопительную емкость
через приемное отверстие, освобождается там от пыли и выходит
очищенным через отверстие в ее тыльной части. Примером простого
устройства такого рода служит стеклянная колба с резиновой пробкой, в
которую вставлены две Г-образные стеклянные трубки. Колба крепится
к штанге на фиксированной высоте от поверхности почвы так, чтобы
конец одной из стеклянных трубок бью открыт навстречу потоку.
Почвенные частички, попавшие в створ отверстия этой трубки,
скатываются в колбу.
Скорость потока в приемном отверстии пылеуловителей такой
конструкции будет, конечно, отличаться от нуля, но она будет
отличаться и от скорости в свободном потоке. Для большей эффективности
пылеуловителя необходимо, чтобы, во-первых, скорость потока во входной
его части была равна скорости потока в его отсутствие в данной точке
и, во-вторых, поток, попавший в уловитель, полностью очищался от
почвенной фазы. Таким требованиям удовлетворяют приборы с
принудительным забором воздуха наподобие бытовых пылесосов. К сожалению,
они не выпускаются промышленностью. Приборы с принудительным
забором воздуха снабжаются датчиками для измерения скорости потока в
носике заборного отверстия и в свободном потоке на такой же высоте
от поверхности, на которую установлено измерительное устройство.
149
Датчики позволяют добиваться равенства скоростей в заборном
отверстии и в свободном потоке.
5.3 Активный эксперимент в природе
К этой группе отнесены методы наблюдения и измерения,
использование которых предполагает активное вмешательство
исследователя в целях создания искусственных условий, благоприятных для хода
процесса в природе или для его видоизменения. Основным методом этой
группы является метод стоковых площадок.
Стоковой площадкой называют изолированный от окружающей
местности участок склона, оборудованный устройствами для учета
стекающей с его поверхности воды и влекомой ею почвы (рис. 5.1).
Изоляция конечно не полная. Имеется в виду ограждение стоковой площадки
от попадания на нее воды, стекающей с окружающей территории. С
этой целью по периметру площадки устраивают валик из почвы высотой
25-30 см, шириной по низу 60 см и по верху 20 см.
Валик устраивают с помощью навесного плуга с оставленным
лишь вторым корпусом, у которого предварительно удлиняют отвал.
Гусеничный трактор с плугом движется по периметру размеченной
будущей стоковой площадки так, чтобы пласт, отделяемый плугом,
отваливался внутрь площадки. Валик получают в результате двух проходов
трактора в одном направлении. При втором проходе трактор правой
гусеницей уплотняет валик, образовавшейся во время первого прохода.
После этого валик осматривают и поправляют вручную. С внешней
стороны верхнего оградительного вала делают борозды для отвода воды,
движущейся в сторону стоковой площадки с вышележащей территории.
С внутренней стороны нижнего вала устраивают водоприемную борозду.
Ее назначение - прием воды, стекающей со стоковой площадки, и
направление ее в измерительный павильон. Конструкция водоприемной
борозды зависит от расчетного срока использования стоковой площадки.
На стационарных стоковых площадках, используемых в течение многих
лет, водоприемный лоток делают из железобетона, на временных - из
распиленных в продольном направлении асбоцементных труб. Особое
внимание при устройстве стоковых площадок следует уделять
предотвращению потерь воды на участке между собственно площадкой и
измерительным павильоном и предупреждению размыва почвы в местах
контакта между водоприемным лотком и почвой.
Размеры и форма стоковой площадки зависят от решаемых
задач. Так, при изучении эффективности террасирования склонов длина
стоковой площадки может быть равна ширине террасы E-10 м), а при
150
изучении эрозии при снеготаянии на
пологах длинных склонах, когда
стоковая площадка должна охватите весь
склон, ее длина может превышать 600
м. При этом ширина площадки не
должна быть малой, так как это
может повлиять на величину смыва
почвы. Оптимальные размеры
площадки: длина 100-150 м, ширина 20-25
м.
Емкость измерительных
устройств обычно рассчитывают на сток
обеспеченностью 1% или 130-150
т/га смытой почвы. Измерение
расхода жидкого стока производят с
помощью водосливов с тонкой стенкой,
гидрометрических лотков или мерных
емкостей. В системе
гидрометеослужбы обычно используют
метод водосливов с тонкой стенкой,
позволяющий измерять расход воды с
большой точностью.
tH****^*™™****™™^^
Рис. 5.1. План участка стоковой
площадки: 1 - бортик площадки; 2 - водо-
отводящие канавы; 3 - водоприемный
лоток; 4 - водоподводящий лоток; 5 -
измерительный павильон; 6 -
канализационная труба
Часто бьюает удобно исследовать не весь объем стока, а какую-
то его долю. В этих случаях в измерительную систему вводят один или
несколько делителей стока. Самьш простой делитель стока представляет
собой емкость с вертикально расположенными водовыпускными щелями.
Щели должны быть такими, чтобы независимо от уровня воды в
делителе через каждую из них вытекало одинаковое количество воды. Воду,
вытекающую из щели, оборудованной направляющим лотком, подают в
измерительную емкость или во второй делитель, а воду из остальных
щелей сбрасывают в канализационную сеть. Если в измерительной
системе установлено последовательно два делителя, каждый из которых
отделяет для изучения 1/11 часть поступающего в него стока, то в
замыкающую емкость такой системы поступает 1/121 часть суммарного
стока, а 120/121 частей сбрасывается в канализацию.
Твердый сток, т.е. смыв почвы с территории стоковой
площадки, определяют путем суммирования стока взвешенных и донных
наносов. Сток донных наносов, которые обычно оседают в стокоприемнике,
определяют весовым методом, а сток взвешенных наносов определяют
методом фильтрования проб, отбираемых на мутность в потоке на
выходе из стокоприемиика.
151
Наиболее широко метод стоковых площадок применяют при
изучении влияния факторов эрозии, а также при изучении
эффективности противоэрозионных мероприятий. Измерения стока и смыва
сопровождаются измерениями метеорологаческих величин, физических
свойств почвы, наблюдениями за ростом и развитием
сельскохозяйственных растений, а также учетом урожая.
При изучении ветровой эрозии почв также применяют метод
активного эксперимента в натурных условиях, по своим целям и задачам
аналогичный методу стоковых площадок. Организовать такого рода
исследования еще сложнее, чем в случае со стоковыми площадками,
поскольку практически невозможно защитить изучаемую площадку от
эоловых наносов с прилегающих территорий, а учесть их довольно
сложно. Кроме того, в отличие от водной эрозии, в случае с ветровой
эрозией нет простого способа учета суммарных потерь почвы. Их
определяют с использованием указанных выше методов, основанных на учете
изменения уровня почвенной поверхности, либо путем измерения
переноса почвы в разных точках изучаемой территории с помощью
пылеуловителей. Поэтому измерительные устройства (пылеуловители)
приходится распределять по всей изучаемой территории.
В целях повышения эффективности научных исследований
приходится не только оказывать влияние на естественный ход процессов
эрозии почв, но и искусственно их воспроизводить, в том числе в
натурных условиях. На этом принципе основаны многочисленные методы
искусственного дождевания, которыми дополняют метод стоковых
площадок, и метод полевых аэродинамических установок, который является
основным при изучении эффективности противодефляционных
мероприятий. Строго говоря, они относятся к группе методов физического
моделирования, которые рассматриваются в следующем разделе.
Остановимся здесь лишь на методах искусственного дождевания, поскольку их
применяют не только для целей моделирования дождей, но и при
изучении ирригационной эрозии.
Моделирование процесса эрозии при дождевании осложняется
тем обстоятельством, что этот процесс состоит из двух трудно
моделируемых процессов: отрыва, переноса и отложения почвенных частиц под
действием ударов дождевых капель и размыва и смыва почвы
сформировавшимся потоком воды, турбулизируемым теми же каплями. При
моделировании дождя желательно было бы воспроизвести такие его
характеристики, как распределение капель по размерам, скорость их падения,
интенсивность дождя, слой осадков, равномерность их распределения по
площади. При моделировании дождей используют серийные
дождевальные машины или элементы их конструкции, а также специальные иссле-
152
довательские установки. Моделирование дождей производят на стоковых
площадках. Однако в большинстве случаев воспроизвести естественный
дождь по всем его характеристикам оказьюается невозможным. В связи
с этим моделирование обычно проводят по удельной мощности дождя (N,
Вт/м2), рассчитываемой по формуле
N =0,0083 г Ук2, E.1)
где г - интенсивность дождя, мм/мин; VK - скорость падения капли, м/с.
В зависимости от принципа получения капель искусственного
дождя дождевальные установки бывают капельными и насадковыми. В
капельных установках капли создаются с помощью сит, нитей
(фитилей), выпускаемых из отверстия в дне сосуда с водой, капиллярных
трубок и медицинских игл, вставляемых в отверстия в дне таких
сосудов. Такие установки воспроизводят равномерный, однородный
крупнокапельный дождь. Мелкокапельный дождь создают в два этапа: сначала
создают крупнокапельный дождь с помощью указанных установок, а
затем дробят его на специальной сетке, натягиваемой на высоте 0,5 м над
поверхностью почвы. Насадковые дождевальные установки бывают трех
видов: струйные, дефлекторные и центробежные. Они позволяют
получать искусственный дождь высокой интенсивности, характеризующийся
широким спектром размеров капель. Однако этот спектр отличается от
природного. Кроме того, скорость падения капель отличается от
скорости падения дождевых капель. Такие установки неравномерно
распределяют дождь по поверхности. Над устранением указанных недостатков
работают конструкторы исследовательских установок.
5.4 Физическое моделирование
5.4.1 Метод подобия
Физическое моделирование применяют в целях изучения в
лабораторных условиях частично или полностью не изученных физических
процессов. К преимуществам методов физического моделирования
относится возможность углубленного изучения механизма процессов и роли
отдельных факторов эрозии. К недостаткам - известная трудность
перенесения результатов лабораторных опытов на натуру. Единственной
возможностью ее преодоления является обеспечение максимально
возможного подобия процессов в модели и натуре. Оно достигается при
соблюдении требований геометрического, кинематического и динамического
подобия.
Для выполнения первого требования достаточно добиться того,
чтобы модель-оригинал и модель-образ были геометрически подобны.
153
Для вьшолнения второго - необходимо обеспечить пропорциональность
скоростей и ускорений и одинаковое их направление относительно
границ в геометрически подобных моделях. Для вьшолнения третьего -
добиться пропорциональности и однонаправленности сил, действующих в
сходственных точках моделей. Кинематического и динамического
подобия можно достичь только при соблюдении геометрического подобия.
Для того, чтобы соблюсти геометрическое подобие, необходимо
обеспечить постоянство масштаба всех линейных характеристик (в том
числе характеристик икроховатосги) модели и натуры. Под масштабами
понимают отношение между одноименными величинами натуры (Х„) и
модели (Х„,): {U, /Lm) = 8L - геометрический масштаб, (V„ /V,„) = Sv -
масштаб скорости и т.д. Масштабы необходимы при создании,
исследовании и интерпретации физической модели, т. е. с их помощью
рассчитывают сами модели и переносят результаты моделирования на натуру.
Свобода выбора масштаба ограничена системой уравнений,
описывающих моделируемое явление.
Движение изотермических потоков вязкой несжимаемой
жидкости с различными, но постоянными плотностями и.вязкостями,
описывается системой дифференциальных уравнений (уравнения Стоке а и
уравнение неразрывности) и соответствующими им начальными и
граничными условиями (см., например, "Механика жидкости и газа",
Л.Г.Лойцянский, 1973). Переменные, входящие в эти уравнения,
являются размерными величинами: Т - время, L - характерный размер (длина),
V - скорость, Р - давление, F - объемная сила (в случае сил веса F = g,
т.е. вектору ускорения силы тяжести). По определению два потока
являются подобными, если в сходственных пространственно-временных
точках области их движения они отличаются между собой только
масштабами перечисленных величин, описывающих эти потоки. Если
перечисленные размерные переменные в дифференциальных уравнениях
заменить соответствующими масштабами, то полученные безразмерные
дифференциальные уравнения, граничные и начальные условия и другие
условия единственное™ решения этих уравнений станут одинаковыми
для подобных потоков жидкости. В эти безразмерные
дифференциальные уравнения входят безразмерные одночленные комплексы, которые
называются "числами подобия":
Р
Sh - число Струхала, = Ей - число Эйлера,
pv-
V2
Re - число Рейнольдса, = Fr - число Фруда.
L
VT
VL
154
Для двух подобных потоков они одинаковы, что записывается
следующим образом с использованием латинского слова "idem" (по-русски
значит "то же самое"): Sft=idem, £«=idem, Re=idem, Fr=idem. Или, что то
же самое, Shm/Sh„=l, Rem/Re„=l. Если в постановке задачи
моделирования содержатся сведения о потоках, достаточные для составления
какого-либо из приведенных чисел подобия, оно становится критерием
подобия.
Перечисленные условия подобия являются необходимыми
условиями. Установление достаточных условий подобия упирается в
необходимость строгого доказательства теоремы о существовании и
единственности решений уравнений Стокса для конкретной задачи, что сделано
лишь для простейших случаев (Лойцянский, 1973). Поэтому в общем
случае подобные потоки должны были бы отвечать одновременно всем
четырем критериям. Однако на практике составить все четыре критерия
подобия не представляется возможным, так как не все величины,
вводимые при составлении безразмерных уравнений и граничных и начальных
условий, описывающих потоки, могут быть заданы заранее. Значения
некоторых из них могут быть получены только после того, как будет
найдено единственное решение поставленной задачи. Поэтому на
практике удается добиться лишь частичного подобия.
Поскольку полного динамического подобия добиться
практически невозможно, среди действующих в модели сил следует выбрать
наиважнейшую и пренебречь другими, слабо влияющими на изучаемое
явление. В таком случае говорят о частичном динамическом подобии и
определяют критерии подобия для частных случаев. На частицу потока
действуют силы разной природы. Их результирующая равна силе
инерции. Каждое из приведенных чисел подобия учитывает одну из
действующих сил и силу инерции: число Эйлера - силу давления, число Рей-
нольдса - силу вязкости, число Фруда - силу тяжести, число Струхала -
силы, вызывающие автоколебания в потоке. Приближенное
моделирование по одному критерию возможно, если известно, что влияние других
значительно слабее. При слабой зависимости изучаемого явления от того
или иного критерия говорят об автомодельности относительно этого
критерия.
На основе значений критериев подобия можно определить
соотношение между масштабами различных величин, обеспечивающее
подобие оригинала и модели. Так, например, при моделировании элементов
систем оросительной сети таких, как перепады, водосливы необходимо
исходить из того, что преобладающим является влияние силы тяжести и
наибольшего подобия можно достичь, добиваясь равенства чисел Фруда
для модели и натуры в сходственных сечениях: Fr=idem или, что то же
155
самое, Frm /Fr„=l. Если в это выражение подставить размерные
переменные и заменить их затем соответствующими масштабами, получим
vl'ig.L.) = (у*'у*J = sl _}
vlKgmU {gJgn)(LnU„) SSSL
При моделировании водных потоков различиями в ускорении
силы тяжести пренебрегают, поэтому 6g = 1. Тогда получим следующую
зависимость между масштабами скорости и линейных размеров при
моделировании по Фруду: <5v = <?£°'5, т.е. скорости в сходственных створах
натуры и модели должны относиться так же, как линейные размеры,
возведенные в степень 0,5.
При изучении влияния характеристик систем полезащитных
лесополос или кулисных насаждений на структуру воздушного потока
на моделях без учета температурной стратификации и поворота
направления ветра с высотой исходят из того, что преобладающую роль
играют силы вязкости и наибольшего подобия можно достичь,
добиваясь равенства чисел Рейнольдса для модели и натуры в сходственных
сечениях: Re=idcm или, что то же самое, Rem/Re„=l. Если в это
выражение подставить размерные переменные и заменить их затем
соответствующими масштабами, получим
/ УП (Vn f Vm){L„ / Lm) dv SL _ ,
VmLm/fm fn/vm д,.
Если в модели используется атмосферный воздух, то 8,, = 1. Тогда
получим следующую зависимость между масштабами скорости и линейных
размеров при моделировании по Рейнольдсу: 8\> = 8С1 , т.е. отношение
скоростей в сходственных створах натуры и модели должно быть
обратно пропорциональным отношению линейных размеров, например, высот
лесополосы и их моделей.
При моделировании безнапорных потоков, например, потока
поливной воды в борозде, необходимо одновременно учесть влияние сил
вязкости и земного тяготения, т.е. моделировать одновременно по
Рейнольдсу и Фруду. Исходя из того, что при моделировании по Рейнольдсу
6v = 8yl5i, а при моделировании по Фруду dv = <%°'5, приравняем правые
части этих уравнений: Sy = <%/'5. Следовательно, при моделировании
течения воды в борозде необходимо применять жидкость с вязкостью
меньшей, чем у воды. Практически это неосуществимо, поскольку даже
если глубина модельной борозды всего в три раза меньше моделируемой,
вязкость модельной жидкости должна быть в пять раз меньше, чем у
воды. На практике пользуются тем, что существует явление автомодель-
ности ряда характеристик течения воды в борозде относительно числа
156
Рейнольдса, и создают модели, имеющие известные ограничения. В то
же время, если & = 1, т.е. глубина потока в натуре равна глубине
потока в модели, то и 8У = 1, следовательно, в лабораторных условиях
можно моделировать часть борозды или русла временного водного потока.
Этот прием широко используется при определении размывающих
скоростей потока для почв в лабораторных лотках (см. разд. 5.4.2).
Следовательно, метод подобия можно использовать для целей
моделирования тогда, когда известны дифференциальные уравнения,
описывающие поток. Суждение о полноте подобия зависит от полноты
описания изучаемых потоков дифференциальными уравнениями. В тех
случаях, когда дифференциальные уравнения, описывающие изучаемое
явление, неизвестны, вопрос о подобии явлений решают с помощью
теории размерностей.
5.4.2 Принцип действия и устройство среднего эрозионного лотка
Для моделирования эрозионных процессов применяют
эрозионные лотки. Средний эрозионный лоток, используемый на кафедре эрозии
почв факультета почвоведения МГУ (рис. 5.2), представляет собой
устройство с замкнутым циклом водопотребления, предназначенное для
определения величины смыва с поверхности почвенного образца при
разных значениях характеристик водного потока. Устройство состоит из
собственно лотка A), имеющего в поперечном сечении форму
прямоугольника, системы подачи в лоток чистой воды, системы отвода и
очистки от примесей отработанной воды и вспомогательных устройств для
регулирования и измерения параметров водного потока в лотке и
извлечения и учета смытой с поверхности образца почвы.
Исследуемый образец почвы помещают в камеру B) так, чтобы
его поверхность первоначально находилась в одной плоскости с дном
лотка A1). Если образец нарушенного сложения, то ванночку с ним
опускают в камеру сверху вниз. Если образец ненарушенного сложения,
то кассету с ним A0) задвигают в камеру B) снизу вверх с помощью
винтов. Затем, с помощью винтов, встроенных в дно приемной камеры
B), выдвигают монолит из кассеты так, чтобы его поверхность была
выше плоскости дна лотка на величину примерно равную OJd, где d -
средний размер отрываемых потоком отдельностей почвы. При этом
плоскость поверхности образца должна оставаться параллельной
плоскости дна лотка. Дно лотка может вращаться в вертикальной плоскости
вокруг оси A2). Поскольку размер отрываемых потоком частиц почвы
обычно неизвестен, превышение выбирают равным примерно 1-1,5 мм.
Вода в лоток подается из питающего бака с помощью насоса
через трубопровод и успокоитель (9). Для изменения расхода воды
157
Рис. 5.2. Схема среднего эрозионного лотка
пользуются краном G), а для измерения расхода, расходомером (8). Вода
из успокоителя попадает в лоток, движется но его дну, взаимодействует
с почвой и через трубопровод A7) попадает в бак-отстойник A8).
Параметры бака-отстойника подобраны таким образом, чтобы через
отверстие A9) из бака сливалась чистая воды, а частички почвы оседали на
наклонную поверхность дна. Отработанная и очищенная вода по
трубопроводу B0) снова поступает в питающий бак, а затем и в лоток.
После окончания опыта воде в баке A8) дают отстояться, а
затем сливают ее через отверстие B1), открыв кран B2). Остатки воды из
бака A8) сливают с помощью сифонного водослива, открыв кран C).
Почву, смытую с поверхности образца и осевшую на дне бака-
отстойника, смывают водой из шланга через отверстие D) в ванночку
E), а из нее, с помощью промывалки, переносят в алюминиевый
стаканчик. Воде в стаканчике дают отстояться, затем осторожно сливают ее
избыток, а остаток выпаривают на песчаной бане. После этого
стаканчик с почвой взвешивают на технических весах и определяют
количество смытой с образца почвы. Опыты ведут при постоянной глубине
потока в рабочей части лотка равной, примерно,20 мм. Расход воды в
лотке может изменяться от 0 до 5 л/с. Изменения глубины потока при
заданном расходе добиваются путем изменения наклона лотка,
достигаемого вращением штурвала A5) винтовой опоры лотка A6), а также
открытием шторки A4). Шероховатость поверхности образца измеряют с
помощью мерной иглы A3), имеющей три степени свободы. Общее
требование к эрозионным гидравлическим лоткам состоит в том, чтобы
входная часть лотка была бы в 8-10 раз больше его ширины и в 40 раз
158
больше глубины потока. Эти условия обеспечивают установившийся (т.е.
не изменяющийся во времени) режим течения воды в лотке.
Моделирование в лотке ведется в масштабе 1:1, т.е. Si = 1, поэтому в
соответствии с уравнением <Я' = 5°* масштаб скоростей Sy = 1, а коэффициент
пересчета получаемой в результате моделирования размывающей
скорости на натурные условия равен 1.
5.4.3 Устройство и принцип работы аэродинамической установки
Аэродинамическая установка, используемая на кафедре эрозии
почв факультета почвоведения МГУ (рис. 5.3), состоит из рабочей части
закрытого типа A), воздуховодов F), вентилятора (9), циклона-
пылеуловителя G) и выключателя A1) мотора вентилятора. Направление
движения воздушного потока в установке показано стрелками.
Воздушный поток взаимодействует с образцом почвы B), расположенным в
рабочей камере. При этом, если скорость его достаточна, происходит
отрыв отдельных частиц почвы. Оторванные от поверхности частички
подхватываются потоком и уносятся по воздуховоду в циклон G). В
циклоне воздух движется по спирали с большей скоростью. При этом
частички почвы, влекомые потоком, испытывают действие
центробежной силы. Под действием этой силы они отжимаются к стенкам циклона.
Кроме того, на них действует сила тяжести, направленная вертикально
вниз. В результате частички почвы движутся в циклоне по спирали
вблизи его стенок и накапливаются в поддоне (8), откуда их извлекают и
взвешивают с точностью до 0,001 г. Поток, очищенный от частиц почвы,
по воздуховодам попадает в вентилятор, а оттуда через систему
воздуховодов и входную камеру E) - снова в рабочую камеру. Таким образом,
воздушный поток циркулирует в установке. Воздушный поток в
установке создается центробежным вентилятором (9) с электромотором
мощностью 10 кВт. Скорость воздушного потока в установке прямо
пропорциональна разности давления за задвижкой A0), установленной на
выхлопной трубе вентилятора и перед входом в вентилятор: Л Р = Р2 - Pi. И
мотор и вентилятор работают с постоянными угловыми скоростями,
поэтому скорость воздушного потока регулируют с помощью задвижки
A0). Максимальная скорость воздушного потока на оси рабочей камеры
установки равна 24 м/с.
Входная камера установки имеет сложную форму, позволяющую
таким образом изменить ноток, что в рабочей камере скорость потока в
каждом сечении, перпендикулярном оси установки, практически
постоянна. И только в пристеночной области она уменьшается с
приближением к стенке или поверхности почвы. При этом степень уменьшения
пропорциональна шероховатости стенки или почвенной поверхности.
159
Рис. 5.3. Схема аэродинамической установки
Длина рабочей камеры 2,25 м. В сечении она имеет форму
квадрата со стороной 0,25 м. Боковые стенки рабочей камеры
прозрачны, что позволяет вести визуальные наблюдения и фиксировать процесс
на пленку. Почвенный образец помещается в рабочую камеру с
помощью подъемного устройства C) вручную, снизу вверх, в прорезь в дне
рабочей камеры. Соединение ванночки, содержащей почву, с краями
прорези в дне рабочей камеры герметично, что исключает возможность
искажения результатов опыта вследствие попадания пыли через щели.
Образцы исследуемой почвы нарушенного сложения помещают в
ванночки размером 0,625 х 0,175 м, глубиной 0,025 м. Подъемное
устройство позволяет вести работу и с монолитными образцами. Однако это
возможно только в том случае, если образцы в поле взяты в
специальные металлические кассеты. Установка позволяет изучать влияние
физических свойств почвы на ее противодефляционную стойкость.
Скорость потока измеряют с помощью микроманометра типа ММН и зонда,
представляющего собой комбинированную трубку Пито-Прандтля D).
Зонд можно перемещать в плоскости, перпендикулярной потоку, в двух
направлениях, что позволяет измерять поле скоростей вблизи почвенной
поверхности.
Моделирование в аэродинамической трубе, как и в эрозионном
лотке, ведется в масштабе 1:1, т.е. SL = 1, поэтому в соответствии с
уравнением <Я' = Sl ' масштаб скоростей Sv = 1, а коэффициент
пересчета получаемой в результате моделирования скорости начала
массового движения частиц на натурные условия равен 1.
6. Свойства, классификация,
картографирование и мелиорация
эродированных почв
6.1 Изменение свойств почв под влиянием эрозии и способы их
улучшения
Развитие эрозионных процессов имеет своим следствием
образование комплекса смытых и намытых (в случае водной эрозии) и
свеянных и навеянных (в случае ветровой эрозии) почв. От "нормальных"
почв они отличаются рядом свойств, которые требуют учета при их
хозяйственном использовании и изучении. Эродированными (смытыми)
называются почвы, потерявшие верхнюю часть профиля под влиянием
процессов эрозии. Аналогично
Таблица 6.1
Классификации почв по степени гмы гости
(Заславский, 1972)
Категория почв по
степени смытостн
слабосмытые
среднесмытые
сильносмытые
очень сильно смытые
Потеря гумуса
(относительно несмьгтой почвы), %
10-20
20-50
50-70
больше 70
можно определить и дефлиро-
ванные (свеянные) почвы. Для
таких почв характерно
пониженное (по сравнению с
"нормой") содержание гумуса
(табл. 6.1) и ухудшение его
качества: уменьшение отношения
содержания углерода гуминовых
кислот к содержанию углерода фульвокислот, снижение содержания в
почве элементов минерального питания растений, некоторое увеличение
рН в случае лесных почв и карбонатное™ в черноземах.
Изменения почв под действием эрозии достаточно ярко
отражаются на их морфологии. Для эродированных почв характерно
сокращение мощности профиля, уменьшение глубины залегания границ между
генетическими горизонтами, приближение к дневной поверхности гори-
11 Эрозия и охрана почв
161
зонтов залегания карбонатов, гипса и другах почвенных
новообразований. Происходит изменение окраски пахотного слоя, которая зависит
от степени эродированное™ почвы и ее генетической принадлежности.
С увеличением степени смытости пашня приобретает буроватый цвет
(среднесмытые почвы), а затем бурьш (сильносмытые). Смытые почвы
отличаются повышенным содержанием песка (гранулометрических
элементов крупнее 0,05 мм). Для них характерно снижение водопрочности
структуры, увеличение плотности почвы и плотности твердой фазы,
уменьшение общей пористости и некапиллярной скважности. Это
приводит к уменьшению водопроницаемости и общей влагоемкости, а также
к ухудшению аэрации.
Эрозия почв приводит к значительной деградации почвенной
биоты. Масса червей в смытых черноземах Молдавии снижается по
сравнению с несмытой в 1,6; 2,2 и 2,6 раза, соответственно, при слабой,
средней и сильной смытости. Примерно таковы же соотношения
численности всех беспозвоночных. Наблюдается также падение
численности микроорганизмов по мере увеличения степени смытости.
Интегральный показатель биолоптческой активности почв - интенсивность ее
"дыхания" в сильносмытом черноземе в 2,5 раза ниже, чем в несмытом
(Крупеников, 1990).
Указанные неблагоприятные изменения в свойствах
эродированных почв приводят' к ухудшению их питательного режима, снижению
урожая и его качества. Потери урожая при прочих равных условиях
зависят от степени смытости почвы. Подсчитано, что в среднем на сла-
босмытых почвах недобор урожая составляет 10-20 %, на среднесмытых
- 40-60, а на сильносмытых - 80% и более. Надо отметить, что разные
культуры по-разному реагируют на смытость почвы. Так, урожай
зернобобовых культур на смытых почвах снижается примерно на 10%,
кукурузы - до 60, а сахарной свеклы - до 80%. Ясно, что растения,
обладающие симбиотической азотфиксацией, слабее другах реагируют на
неблагоприятные свойства смытых почв.
Для восстановления утраченного плодородия эродированные
почвы необходимо усиленно удобрять. В первую очередь необходимы
высокие дозы органических удобрений. На смытых почвах урожайность
сельскохозяйственных культур под влиянием удобрений повышается в
1,5-2 раза. Причем, чем сильнее эродирована почва, тем больше отдача
от внесения удобрений. Для того, чтобы компенсировать потери гумуса
в результате эрозии, необходимо вносить в почву в 3-$ раза больше
органического вещества, чем его было смыто, так как гумифицируется
не более 25-30% внесенного в почву навоза.
162
Весьма перспективны на смытых почвах сидераты. В качестве
зеленого удобрения применяют однолетний и многолетний люпины,
однолетний и двухлетний донники, люцерну, клевер, чину, горох,
кормовые бобы, вику, сераделлу и др. Высевают их ранней весной, либо
летом, после снятия урожая основной культуры. Скошенную зеленую
массу можно вывозить для запахивания на соседние поля, а на месте
запахивать отаву и корневые остатки. Эффективность зеленого удобрения
при таком способе повышается в 1,5-2 раза.
Весьма эффективны на смытых почвах минеральные удобрения.
Поскольку чаще всего в смытых почвах "в минимуме" бывает азот (а на
черноземах - фосфор), то именно азот- и фосфорсодержащие удобрения
следует вносить в эродированные почвы. Количество вносимого с
удобрением азота на смытых почвах зависит от обеспеченности почвы и
растений влагой. При оптимальном увлажнении доза азота может достигать
90-120 кг/га (на фоне РбоКбо). На смытых черноземах и серых лесных
почвах обычно рекомендуемая доза азота составляет 90 кг/га (на фоне
РадКбо)- Если обеспеченность влагой низкая, то и рекомендуемая доза
азота меньше: в предгорьях Кавказа на смытых почвах рекомендуют
вносить N30P30 и одновременно проводить водозадерживагощие
мероприятия.
Эродированные почвы бедны микроэлементами, поэтому они
хорошо отзываются на внесение с минеральными удобрениями цинка,
молибдена, кобальта, медн, марганца. Опыты показали, что это дает
прибавку урожая зерна пшеницы и кукурузы.
На смытых подзолистых почвах необходимо известкование.
Нормы внесения извести на смытых почвах рассчитывают
общепринятыми методами. Чрезвычайно эффективны здесь полимеры-
структурообразователи, которые, помимо выполнения функций по
улучшению физических свойств почв, служат еще и удобрением.
Наиболее радикальным методом улучшения свойств почв
является гумусовая мелиорация (землевание), в результате которой
восстанавливается мощность их гумусового горизонта. Материал для землева-
ния берут из гумусового горизонта почв с участков, отведенных под
строительство, намытых почв подножий склонов, днищ балок, пойм
малых рек, илистых отложений прудов (Волощук, 1986).
Уровень плодородия намытых почв зависит от происхождения
наносов, т.е. от того, из какого горизонта почвы они посгупили. Если на
склоне эрозии подвергается силыюсмытая почва, то наносы,
содержащие, главным образом, малоплодородную почвообразующую породу,
погребают почвы шлейфа склона или речной долины, что приводит к
резкому снижению их плодородия.
163
В случае отложения наносов из перегнойно-аккумулятивного
горизонта образуются намытые почвы, богатые гумусом и элементами
питания. Нередко запасы гумуса в них в несколько раз выше, чем в неэро-
дированной почве. Однако излишняя мощность и гумусированность
намытых, почв не может бьпь в полной мере использована растениями, это
как бы "мертвый", законсервированный запас гумуса (Крупеников,
1990). Кроме того, избыток азота может отрицательно сказаться на
качестве продукции. Хлопчатник, например, "жирует" на намытых почвах.
Он развивает большую вегетативную массу, поздно созревает и имеет
низкое качество волокна, хотя урожай бывает высоким. К этому нужно
добавить, что намытые почвы обладают неблагоприятными водно-
физическими свойствам!!: низкой водопроницаемостью, слабой аэрацией,
склонностью образовывать на поверхности почвенную корку.
6.2 Классификация эродированных и дефлированных почв
Существует три группы классификаций почв по степени смыто-
сти.
К первой группе относятся классификации, где основным
признаком является доля потерянного в результате смыва гумусового
горизонта, другие признаки (цвет пахотного горизонта, вовлечение в него
того или иного нижележащего горизонта, наличие на поверхности русел
временных потоков и прочее) являются вспомогательными. К этой
группе принадлежат классификации С.С.Соболева A948, 1961), Г.П.Сурмача
A954, 1992) и другие.
Ко второй группе можно отнести классификации, основанные
на уменьшении запасов гумуса в почве. Это классификации
М.Н.Заславского A972) и других авторов.
К третьей группе относятся классификации коллектива
авторов, опубликованные в "Общесоюзной инструкции по почвенным
обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт
землепользования" (Носин, Федорин, Фриев, 1973) и позднее в работе
"Классификация и диагностика почв СССР" (Егоров, Фридланд, Иванова
и др., 1977), в которой используются оба диагностических признака.
В соответствии с классификацией С.С.Соболева эродированные
почвы делят на слабосмытые, среднесмытые, сильносмытые и очень
сильно смытые почвы.
Слабосмытые почвы. К ним относят почвы, у которых смыто
не более 3/2 гор. Ль При этом распахивается нижняя часть гор. А\. По
цвету пахотного слоя почва не отличается от несмытой. В случае дер-
164
ново-подзолистых почв подпахивается гор. А-г- В связи с этим пашня
приобретает белесый оттенок.
Среднесмытые почвы. К ним относят почвы, у которых смыт
частично (более половины) или полностью гор. А\\ припахивается или
распахивается гор. В\. Пахотный слой подстилается гор. В\ или Вг-
Поверхность пашни имеет буроватый оттенок. Дерново-подзолистая и
светло-серая лесная почвы считаются среднесмытыми, если они
частично или полностью утратили гор. А%.
Сильносмытые почвы. К ним относятся почвы, у которых
смыт гор. В\, распахивается гор. Вг, а пахотный слой подстилается
нижней частью переходного к материнской породе гор. Вг- Пашня имеет
бурый цвет.
Очень сильно смытые почвы. К ним относят почвы, у которых
смыт полностью гор. В, распахивается материнская порода (гор. Q.
Пахотный слой бурого цвета характеризуется глыбистой структурой.
При использовании данной классификации возникает проблема
нахождения различий между смытыми и нормальными маломощными
почвами. В этом случае приходится анализировать набор и
соотношение мощностей сохранившихся нижних горизонтов почвы. Маломощная
несмытая почва должна иметь весь набор генетических горизонтов
небольшой мощности в отличие от смытой почвы. Кроме того, в
каменистых почвах количество камней в пахотном слое увеличивается с
увеличением степени смытости почвы.
Намытые почвы классифицируют по мощности наносов:
• Слабонамытые почвы - до 20 см.
• Средненамытые » - от 20 до 40 см.
• Сильнонамытые » - более 40 см.
При средней (на глубину 20-22 см) и глубокой (до 30-35 см)
обработке почв, особенно малой и средней мощности, когда в пахотный
слой включается не только перегнойно-аккумулятивный горизонт А\, но
и нижележащий, и граница между ними уже не может служить
ориентиром при выделении почв по степени смытости, целесообразно
пользоваться классификацией Г.П.Сурмача, основанной на потере суммарной
мощности гумусовых горизонтов А\ и Bi (или Аь Аг и В\ ). Г.П.Сурмач
выделил пять категорий почв по степени смытости. Слабосмытые - смы-
тость гумусовых горизонтов до 25%, среднесмытые - от 25 до 50,
сильносмытые - от 50 до 75, весьма сильно смытые - от 75 до 100%,
чрезмерно ( или полностью) смытые - смыт частично или полностью
переходный горизонт Вг, распахивается нижняя часть горизонта Вг или
горизонт Въ ( материнская порода).
165
Таблица 6.2
Классификация и«чя по степени эродировяниости (Носин, Федорян, Фрпев, 1973)
Почвы
Дерново-подзолистые и серые лесные
почвы с глубиной
вспашки не менее
18-20 см
Серые и темно-
серые лесные
почвы с
установившейся глубиной
вспашки не менее 20-22
см при
первоначальной мощности
гумусовых
горизонтов 30-40 см
Мощные и средне-
мощные черноземы
всех подтипов с
установившейся
глубиной вспашки
не менее 22 см при
первоначальной
мощности
гумусовых горизонтов
более 50 см
Типичные,
обыкновенные и южные
черноземы,
каштановые в
коричневые почвы с
установившейся
глубиной вспашки не
менее 20 см при
мощности
гумусовых горизонтов до
50 см
Сероземы с
глубиной вспашки более
25 см и горизонтом
А мощностью до
40см
Спабосмытые
Затронута вспашкой
верхняя часть
горизонта AjBi, пахотный
слой заметно осветлен
и имеет буроватый
оттенок. Запас гумуса
в верхнем C0 см) слое
обычно на 20-25%
ниже, чем в несмытой
Гумусовые горизонты
смыты не более, чем
на одну треть
первоначальной мощности.
Горизонт A;Bi в
пашню не вовлекается
совсем или слна
захватывается по верхней
границе
Смыто до одной трети
горизонта А,
пахотный слой не
отличается по цвету от не-
смьггых участков
пашни. Мощность
подпахотного гумусового
слоя уменьшена до
25%, запас гумуса в
нем на 10% меньше
по сравнению с незро-
днрованиой пашней
Смыто до одной трети
гумусовых горизонтов
Л и Bj. В пашню
вовлекается небольшая,
самая верхняя темно-
окрашенная часть
горизонта В|
Смыто не более
половины горизонта А
Среднесмьгтые
Распаханы целиком
или частично горн-
зонты A>Bi, Bi и
Вз- Морфолошчес-
кие признаки
подзолистых почв
почти исчезают. Цвет
пашни бурый и
сильно пятнистый
Гумусовый горизонт
смыт более, чем на
одну треть. В
пашню вовлекается
верхняя часть
горизонта AiBi-
Пахотный слой
отличается буроватым
оттенком
Смьп более чем
наполовину горизонт
А. Пахотный слов
отличается
незначительным буроватым
оттенком.
Отмечается сокращение
подпахотного слоя
и запасов гумуса в
нем до 50% по
сравнению с неэро-
дированной почвой
Смыто от одной
трети до половины
горизонтов А и В].
При вспашке
значительная часть горн-
зонта Bi
вовлекается а пахотный слой,
подстилаемый сла-
богумусиро ван н ым
и языковатым
горизонтом В;
Смыт более, чем
наполовину или
полностью горизонт
А. Распахивается
горизонт В
Сильносмытые
Распахана средняя или
нижняя часть горизонта
Bj. Генетические
признаки первоначальной
почвы отсутствуют
Гумусовый горизонт
смьгг полностью.
Пахотный слой образован в
основном из горизонта В
и имеет бурый цвет.
Определение подтипа
исходной почвы (серая или
темно-серая)
практически невозможно
Смьгг полностью
горизонт А и частично
горизонт Bj. Пахотный слой
отличается буроватым
цветом, сильно
выраженной глыбистостью и
склонностью
образовывать корку. Мощность
подпахотного гумусового
слоя и запасы гумуса в
нем сокращаются до
75% по сравнению с
неэродированпой почвой
Смыта большая часть
гумусовых горизонтов.
Пашня имеет окраску,
близкую к цвету почво-
образующей породы, под
пахотным слоем
находятся нижние горизонты
почвенного профиля
Смыт частично или
полностью горизонт В.
Распахивается нижняя часть
горизонта В или верхняя
часть горизонта С
166
Практическое использование классификаций С.С.Соболева и
Г.П.Сурмача показало, что в тех случаях, когда граница между Ai и В\
выделяется, они в общем, в равной мере применимы. Эти
классификации позволяют определить степень смытости в поле при почвенно-
эрозионном картографировании.
Иногда можно использовать и дополнительные признаки
эродированных почв. Например, вскипание почвы с поверхности в некоторых
случаях позволяет отнести ее к категории эродированных и даже
определить степень смытости. Так, если каштановая почва вскипает с по-
верхности, се можно отнести к категории средиесмытых почв; если с
поверхности вскипает обыкновенный чернозем, то его можно отнести к
категории силыюсмытых или даже очень сильно смытых почв. Для
сероземов хорошим ориентиром может быть глубина залегания гипса.
Однако наряду с достоинствами рассмотренные классификации
имеют и ряд недостатков. Использование в качестве критерия цвета
почвы может привести к ошибкам, так как цвет в значительной степени
зависит от влажности почвы и ее освещенности. По цвету нельзя
выделить слабосмытме почвы (кроме дерново-подзолистых). Кроме того, не
все почвы с увеличением степени смытости приобретают бурую окраску.
Так, сероземы с увеличением эродированное™ приобретают все более
светлую окраску. Поддахивание того или иного горизонта также не
очень надежный признак, поскольку к настоящему времени стали все
шире использовать вспашку на разную глубину, безотвальную вспашку,
обработку почв плоскорезами.
В качестве альтернативы были предложены классификации,
основанные на количественной оценке важнейшего свойства почвы -
запасов гумуса в верхнем 25-сантиметровом слое и во всем почвенном
профиле (Наумов, 1955) и в слое 0-30 см для дерново-подзолистых и
других почв с маломощным гумусовым горизонтом и в слое 0-50 см для
серых лесных почв и черноземов (Заславский, 1972) (табл. 6.1).
Две указанные группы классификаций не противоречат одна
другой, поскольку обе в конечном счете опираются на содержание в
почвах гумуса. Преимущество второй перед первой в том, что она
основана на аналитическом определении; недостаток в том, что ее нельзя
применять в полевых условиях. Обычно ее применяют при
картографировании почв на стоковых площадках. С этой целью отбирают образцы
для анализа через каждые 5 см из слоя 0-50 см; параллельно
определяют плотность и влажность почвы. Этих данных достаточно для
определения запасов гумуса в почве.
Классификация почв по степени смытости, отнесенная к
третьей группе, является в значительной мере компиляцией классификаций,
167
предложенных ранее. Для непахотных почв они практически полностью
повторяют классификацию С.С.Соболева, а для пахотных почв
включают помимо нее элементы классификаций Г.П.Сурмача и
М.Н.Заславского. Применительно к пахотным дерново-подзолистым и
серым лесным почвам в эту классификацию введен новый
диагностический признак - вовлеченность в пахотный слой горизонта АгВу (табл.
6.2). Недостатком рассматриваемой классификации является отсутствие
четкого указания на то, что следует понимать под термином "гумусовый
горизонт" в разных почвах. Не ясно, к какой категории эродированное™
следует относить мощные и среднемощные черноземы, потерявшие от
одной трети до половины перегнойно-аккумулятивного горизонта А.
В целом классификация дефлированных почв строится на той
же основе, что и классификация смытых почв. Но есть и различия. В
первую очередь они обусловлены большим влиянием генезиса почв на
особенности протекания процессов ветровой эрозии. Это является
причиной построения отдельных классификаций для дефлированных
органогенных почв, почв тяжелых по гранулометрическому составу, а также
для супесчаных и песчаных почв.
Процессы переноса и отложения почвенной массы ветром
играют чрезвычайно большую роль в генезисе почв на песках. В силу ряда
естественно-исторических причин ветровая эрозия почв на песках
подчинялась определенной цикличности. Наиболее полно эти циклы,
названные им фазами дефляции, изучены А.Г.Гаелем на песчаных почвах
европейской части СССР. Разрушение легких по гранулометрическому
составу почв происходило здесь на большую глубину, вплоть до гор. С, а
эоловые отложения отличаются большой мощностью и разнообразием
форм. Поэтому в классификации легких по гранулометрическому
составу почв водоразделов и надпойменных террас степных рек
европейской части СССР, разработанной А.Г.Гаелем и Л.Ф.Смирновой
(Смирнова, 1985), столь большое внимание уделяется эоловым наносам
(табл. 6.3).
6.3 Классификация линейных форм эрозии
К линейным формам эрозии относят размывы, которые не могут
быть ликвидированы при обычной вспашке, культивации и посеве
сельскохозяйственных культур. Для их ликвидации необходима почва (или
грунт) со стороны. Для проектируемых мелиорации существенное
значение имеют положение линейной формы в рельефе, ее геометрия,
стадия эволюции, закономерности роста и причины затухания. Большой
168
Таблица 6.3
Классификация дефлировашшх легких степных почв
По степени дефлированности
Степень
Слабая
Средняя
Сильная
Очень сильная
Чрезвычайно сильная
Слой сдутой почвы
до 1/2 горизонта А
до горизонта В\
до 1/2 горизонта В,
до горизонта Вг (ВС)
до горизонта С
По степени погребенности
Степень
Незначительная
Мелкая
Средняя
Глубокая
Очень глубокая
Чрезвычайно глубокая
Мощность наноса, см
< 5
5-10
10-25
25-50
50-100
>100
Погребенность
По характеру
поверхности наноса
Равномерный или
кочковатый
Кочковато-
мелкобугристый
Среднебугристый
По слоистости и гу-
мусности наноса
Однородный или
слоистый,
гумусированный в
разной степени
Однородный или
слоистый, обычно
безгумусный
По возрасту наноса
Эпохи ранних
кочевников
Эпохи поздних
кочевников
Современной эпохи
По наличию
сформированных на наносах
*
почв
Маломощные почвы
(гор. А 25-20 см)
Маломощные почвы
(гор. А 20-18 см)
Примитивные почвы
(гор. А 10-3 см)
Инициальные почвы
(гор. А 3-1 см)
Развеваемые пески
Главным образом для песчаных почв.
вклад в разработку этих проблем внесен трудами В.П.Лидова A954) и
Д.Л.Арманда A956).
По отношению к материнской форме, например к балке,
размывы бывают:
• донными, идущими по тальвегу балки;
• вершинными, выходящими на водораздел по продолжению тальвега;
• склоновыми, впадающими в материнскую форму под некоторым
углом.
Наиболее, широко распространены донные и склоновые формы
размывов; вершинные встречаются редко.
В своей эволюции от начальных до конечных форм размывы
проходят ряд стадий. Причем эволюция склоновых и вершинных форм
отличается от эволюции донных форм. В зависимости от стадии
развития среди склоновых и вершинных размывов выделяют водороины,
промоины и овраги.
К водороинам относят размывы в почве глубиной 0,2-0,6 м,
которые заглаживаются при пахоте. Обычно они формируются по
бороздам при пахоте вдоль склона, а также на слабо задернованных
лугах при сбросе большого количества воды.
169
К промоинам относят размывы глубиной 0,5-3 м, шириной 0,5-
8 м, отличающиеся тем, что они непроходимы для обычной
сельскохозяйственной техники. Промоины захватьшают не только почвенную
толщу, но и материнскую породу. Для засыпания промоины необходимо
привозить почву или грунт со стороны.
В отличие от водороины и промоины овраг - это размыв,
выработавший свой собственный (вогнутый или ступенчатый) продольный
профиль, не совпадающий с профилем склона. Глубина наиболее
крупных оврагов на Русской равнине достигает 30 м, а ширина - 50 м.
Овраг, врезаясь в грунт, нередко вскрывает коренную породу.
Подавляющее большинство оврагов (80 % и более) относится к коротким (до 0,5
км). Оврагов средней длины @,5-2 км) гораздо меньше, а количество
длинных оврагов B-5 км) - ничтожно.
Среди донных размывов в зависимости от стадии эволюции
выделяют вымоины, донные промоины и донные оврага.
Вымоина - это эрозионная форма, соответствующая начальной
стадии размыва дна материнской формы, отличающаяся от водороины
геометрией и происхождением. Отличие в происхождении связано с
тем, что дно материнской формы (балки) обычно не распахивается и
сток по дну балки осуществляется в виде широкого потока. В местах
нарушения дернины начинается размыв отдельных участков дна
материнской формы с образованием ямы соответствующей ширины. Эту яму
и называют вымоиной.
Донная промоина - это размыв, образовавшийся в результате
слияния соседних вымоин. Донная промоина занимает часть днища
материнской формы.
Донный овраг - это размыв, образовавшийся в результате
расширения донной промоины, занявший в результате этого все днище
материнской формы. Донные оврага разрушают не только дно, но и
склоны материнской формы. При этом они сохраняют форму продольного
профиля, присущую материнской форме. Поэтому донный овраг
отличается от донной промоины лишь по количественным признакам.
Склоновые и вершинные овраги, которые для простоты мы
будем называть просто оврагами, в свою очередь, претерпевают ряд стадий
развития, которые характеризуются помимо качественных различий еще
и скоростями роста. Овраги, расположенные на сельскохозяйственных
угодьях, по интенсивности денудационного процесса делят на три
группы:
• медленно растущие овраги (скорость роста в длину до 1 м/год);
• овраги, растущие со средней скоростью B-3 м/год);
• быстро растущие оврага (скорость роста более 3 м/год).
170
Наиболее быстро растут оврага при неправильной организации
дорожной сети, вырубке и вывозе леса. Более 50% из них растут с
громадной скоростью, свыше 20 м/год, тогда как на сельскохозяйственных
угодьях скорость роста оврагов обычно не превьпиает 5 м/год. Вьщеляют
три стадии развития оврагов:
• врезание "висячего" оврага вершиной,
• выработка продольного "профиля равновесия",
• затухание.
Для стадии врезания "висячего" оврага вершиной характерно
наличие разницы в высотных отметках устья оврага и местного базиса
эрозии. Устье "висячего" оврага отделено от местного базиса эрозии
(например, дна долины) обрывом или крутым скатом. Для этой стадии
характерно также наличие хорошо выраженного вершинного перепада
высотой от 2 до Ю м. Склоны оврага обрывисты, осыпи на склонах
нет, так как обвалившаяся масса почвы и грунта быстро уносится.
На стадии выработки "продольного профиля равновесия"
овраг углубляется и теряет висячее русло, которое доходит до уровня
местного базиса эрозии. По берегам оврага появляется осыпь, на ней
поселяются растения-пионеры (мать-и-мачеха).
На стадии затухания профиль оврага приближается к
"профилю равновесия". При этом прекращается углубление дна оврага
и его рост в длину. Дно затягивается овражным аллювием. Русло
потока расширяется, поскольку поток меандрирует. Склоны оврага
осыпаются и наклон их поверхности приближается к углу естественного
откоса. Овраг превращается в балку. В гумидной зоне этот процесс
протекает несколько десятков лет, в аридной - тысячелетия (Маккавеев, Чалов,
1986). Причинами затухания оврага являются достижение равновесного
профиля и "съедание" водосбора, т.е. уменьшение площади водосбора
при продвижении вершины оврага вверх по склону.
Форма оврага в плане отражает условия его формирования и
стадию роста и развития. С.С.Соболевым A948) предложена
классификация оврагов по их форме, представленная на рис. 6.1.
Ширина оврага тесно связана с его глубиной: глубокие овраги
всегда широкие; в свою очередь глубина вреза определяется глубиной
местного базиса эрозии и формой профиля склона, прорезаемого
оврагом. Глубокие овраги могут образовываться на выпуклых склонах,
поэтому ромбовидные, яйцевидные, широколинейиые овраги и овраги с
расширенным устьем характерны именно для таких склонов. Тогда как
неглубокие узкие овраги (ланцетовидные, линейные) развиваются,
соответственно, на прямых и вогнутых склонах. Булавовидная форма харак-
171
Рис. 6.1. Формы оврагов в плане в зависимости от профиля склонов, на
которых овраги развиваются: 1 - ромбовидная; 2 - яйцевидная; 3 - ланцетовидная;
4 - линейная; 5 - широколинейная; б - булавовидная; 7-е расширенным
устьем; 8 - четковидная
терна для вьшукло-вогаутых склонов, а четковидная - для ступенчатых
склонов, сложенных породами разной плотности.
6.4 Особенности картографирования эродированных почв
Масштаб почвенно-эрозионных карт зависит от целей
картографирования. Для работ по проектированию и размещению противоэро-
зионных и противодефляционных мероприятий на территории отдельных
хозяйств или группы хозяйств составляют карты масштаба 1:10000. Для
обзора явлений эрозии на обширных территориях, а также для целей
планирования сельскохозяйственного производства составляют карты,
масштаб которых мельче: районные 1:25000; 1:50000; 1:100000;
областные от 1:200000 до 1:600000; еще мельче масштаб карт на территорию
всей страны или ее крупных частей.
Карты на отдельное хозяйство составляют методом почвенного
обследования. Особенностью картографирования эродированных и деф-
лированных почв является необходимость выбора эталона
полнопрофильной почвы, не затронутой процессами эрозии. Действительно, чтобы
оценить, какая доля гумусового горизонта А\ или какие нижележащие
горизонты потеряны, необходимо сравнить исследуемый профиль с
образцом полнопрофильной почвы. Очевидно, искать его нужно там, где
процессы эрозии не идут. Лучше всего было бы обнаружить эталон на
тех участках склонов, где проводится картографирование эродированных
почв. Смытые почвы никогда не лежат сплошными полосами поперек
172
склонов, как это часто схематически изображается. На самом деле они
залегают комплексами. Среди слабосмытых и даже среднесмытых почв
встречаются несмытые, которые залегают на микроводоразделах между
основными линиями стока. Однако достоверно обнаружить их
достаточно трудно. В связи с этим эталон несмытой почвы чаще всего
находят на водоразделе на тех же угодьях, которые занимают склон. Может
быть это и не совсем верно, так как условия почвообразования на
склоне и на водоразделе отличаются. Однако при уклонах до 10° эти
различия достоверно не установлены (Крупеников, 1990). Для почв,
находящихся в сельскохозяйственном использовании, не следует искать эталон
на других угодьях, скажем на целине или под лесом, так как процесс
почвообразования в этом случае идет иначе, чем при интенсивном
использовании почвы.
Еще одной особенностью картографирования эродированных и
дефлированных почв является необходимость выделения комплексов
почв разной степени смытости, сдутости и погребенности продуктами
эрозии. О причинах этого сказано выше. В качестве примера можно
привести классификацию эродированных почв Белоруссии,
составленную Г.И.Бахиревым A974):
• комплекс слабоэродированных почв включает 30-70% слабосмытых
почв и не более 15% среднесмытых;
• комплекс среднеэродированных почв включает 15-40% средне- и
сильносмытых почв; слабосмытые почвы при этом не учитываются;
• комплекс сильноэродированных почв включает более 60% средне-
и сильносмытых почв.
Для почвешю-эрозиошюго картирования, как и для почвенного
картирования вообще, характерно активное использование
топографической основы. Однако при почвенно-эрозионной съемке оно довольно
специфично. Широкое использование получили карты уклонов
местности (крутизны склонов) (рис.б.2). Их составляют на основе
топографических карт масштаба 1:10000 или 1:25000. Очевидно, чем гуще на
карте расположены горизонтали, тем круче склон. Нужно узнать, какому
именно расстоянию между соседними горизонталями соответствует тот
или иной уклон местности. Предположим, что имеется карта масштаба
V: 10000. Сечение горизонталей на карте такого масштаба составляет
1,5 м. Найдем каково горизонтальное проложение расстояния на
местности (г) между двумя точками, лежащими на соседних горизонталях в
направлении падения склона, при угле наклона 1°:
* = 2,5/tg 1° = 2,5/0,0174 = 144 м.
Очевидно, на карте масштаба 1:10000 это расстояние
соответствует 1,44 см. Отрезок такой длины откладьшаем на горизонтальной
173
я
< г° | J 1 >гзоЗ" | 5 1 >sbos° I 7 I >г2з<,га°
I I |>/<Mg 1 4 |>J^/g[ <f \>S3ofZ'\ 8 \>203o30°
Градации, крутизны
Рис. 6.2. Карта крутизны склонов
линии, против угла в 1°. Аналогичным образом можно найти
расстояние на карте между соседними горизонталями, соответствующее углам
наклона 2°, 3°, 5° и так далее. Эти расстояния также откладываем
против соответствующего им угла наклона. Концы отложенных участков
соединяем и получаем масштаб заложения. Для удобства использования
целесообразно начертить его на восковке.
При составлении карты уклонов продвигаем масштаб заложения
между горизонталями таким образом, чтобы размеры, соответствующие
заложениям, были бы перпендикулярны горизонталям. Границы
отрезков горизонталей, соответствующие той или иной градации уклона,
отмечаем простым карандашом. Затем отрезки с одной и той же градаци-
174
О 1 2км
Рис. 6,3. Карта крутизны склонов землепользования Шокинской опытной
сельскохозяйственной станции Смоленской области
ей уклонов соединяем, в результате получаем карту крутизны склонов
(рис. 6.2). Карту крутизны склонов обычно оформляют штриховкой или
цветом: чем круче склон, тем интенсивнее штриховка или окраска
(Брауде, 1965).
Кроме карты крутизны склонов по топофафической
основе можно составить картограммы длин и экспозиций склонов. Для
приблизительных расчетов длины склонов можно пользоваться
соотношением. ЫУ2К, где К - коэффициент расчлененности территории
долинной и балочной сетью. В исследованиях по линейной эрозии почв
часто используют карту относительных высот (глубин местных базисов
эрозии, по С.С.Соболеву). Ее строят следующим образом. Вначале иа
топофафической основе крупного масштаба проводят тальвеги долин и
балок, а также водораздельные линии между ними. Далее, от точки
замыкания каждой горизонтали на тальвег эрозионной формы до ближай-
175
О 1 2 км
CZ3 E3 » ЕЗЭ» D3 EZ3» Е~!"
^37 ^Ш« ^Шв ВШ<° ШИН-
Рис. 6.4. Почвенно-эрозионная карта землепользования [Пекинской опытной
сельскохозяйственной станции Смоленской области
шего водораздела проводят линии наибольшего падения склонов. На
каждой линии отмечают точки пересечения с горизонталями и затем
через точки с одинаковой высотой проводят изолинии превышений. Карту
оформляют окраской или штриховкой (Спиридонов, 1970).
Использование указанных материалов имеет большое
значение при почвенно-эрозионном картировании независимо от его
масштаба. При крупномасштабном картировании использование карт
крутизны и длины склонов позволяет исследователю представить себе еще
до выезда в поле, насколько опасен в эрозионном отношении рельеф
обследуемой территории и какие по степени смытости почвы могут
встретиться в том или другом районе. Очевидно, такое рассмотрение не
может заменить полевое обследование, однако существенно облегчает его
(рис. 6.3, 6.4).
Еще большее значение имеет использование морфометрических
показателей рельефа при среднемасштабном почвенно-эрозионном
картировании. Это обусловлено тем, что исходным материалом для него яв-
176
Таблица 6.4
.ix почв в зависимости от их положения в рельефе (в числи-
1ых и легкосуглнннстых почв, в знаменателе - для средие-
суглшшетых пылеватых)
Крутизна склона, град.
-1 | 1-2 | 2-5 | 5-10 | >10
Южная и западная экспозиции
.ьггая
.^смытая
»
»
»
»
»
несмытая
несмытая
»
слабосмытая
несмытая
слдбасммтя
слабосмытая
»
»
одергивание почвенного покрова орудиями
относительно более слабое одергивание
слабосмытая
несмытая
слабосмытая
слабосмытая
среднесмытая
среднесмытая
»
»
слабосмытая
слабосмытая
среднесмытая
слабосмытая
среднесмытая
среднесмытая
»
»
слабосмытая
слабосмытая
сильносмытая
среднесмытая
сильносмытая
сильносмытая
»
»
Северная и восточная экспозиции
несмытая
неемьгтая
»
»
»
»
»
несмытая
несмытая
»
слабосмытая
несмытая
слабосмытая
слабосмытая
»
»
одергивание почвенного покрова орудиями
относительно более слабое слергавание
слабосмытая
несмытая
слабосмытая
слабосмытая
среанесмыгая
среднесмытая
»
слабосмытая
слабосмытая
среднесмытая
слабосмытая
среднесмытая
слабосмытая
сильносмытая
сильносмытая
»
слвбосмьяая
слабосмытая
среднесмытая
среднесмытая
»
с.иль.носм.етая
сильносмытая
»
"авноудаленности от водораздела по линии стока, м
ючвенные карты более крупного масштаба, на которых эрози-
фоцессы отражены не всегда. Поэтому такие карты необходимо
•ектировать, основываясь на связи между морфометрическими
полями рельефа и степенью смытости.
В случае дерново-подзолистых почв эта связь детально иссле-
.ia В.П.Лидовым с сотрудниками (Лидов, 1981). Ими выявлена зави-
riOCTb степени смытости почв разного гранулометрического состава от
ины, крутизны и экспозиции склона (табл. 6.4). Хорошо видно, что
;еличение длины и крутизны склона сопровождается увеличением сте-
лени смытости дерново-подзолистых почв. Влияние экспозиции
проявляется лишь при больших уклонах и значительной длине склона.
Определенное влияние оказывает и гранулометрический состав почвы: легкие
точвы при прочих равных условиях оказьшаются в ряде случаев сильнее
эродированными, чем тяжелые, вследствие меньшей их противоэрозион-
чой стойкости.
2 Эрозия и охрана почв
177
Таблица 6.5
Соотношение площадей склонов разной крутизны (%) в различных типах местности
Тип местности
по
интенсивности эрозии
I
II
III
IV
V
VI
Доля смытых
пахотных
почв
нет
<10
10-20
20-30
30-50
>50
Доля площадей с углами наклона поверхности
<1°
90-100
70-90
50-70
40-50
20-40
<20
>1°
0-10
10-30
30-50
50-60
60-80
>80
>2°
0-2
3-15
15-30
25-35
35-50
60-85
>3°
-
-
2-Ю
10-30
20-30, редко до 40
40-55
>5°
-
-
-
3-5, редко 8
5-10, редко до 15
15-25
Если на обследуемой территории преобладают склоны примерно
одинаковой длины, появляется возможность связать эродированность
почв непосредственно с крутизной склона. В пределах зоны
Московского оледенения В.П.Лидовьш A981) предложено выделять на среднемас-
штабных почвенно-эрозионных картах шесть типов местности по
степени эродированности почвенного покрова в зависимости от
преобладающих уклонов (табл. 6.5).
С использованием данных этой таблицы, карт уклонов и
материалов, полученных на почвенно-геоморфологических профилях,
коллективом авторов под руководством В.ПЛидова A981) были составлены
карты-схемы почвенно-эрозиошюго районирования ряда областей, в том
числе Смоленской (рис. 6.5). На этой карте выделены: 1 - плоские
моренные, зандровые и древнеозерные равнины на которых эрозия
практически отсутствует; 2 - слабоволнистые моренные, слабобугристые
зандровые и озерные равнины, на которых смытые почвы занимают менее
10% пашни; 3 - мелкоувалисто-холмистые моренные, мелкобугристые
зандровые равнины, на которых смытые почвы занимают 10-20%
пашни; 4 - среднеувалисто-холмистые моренные, среднебугристые озово-
зандровые равнины, на которых смытые почвы занимают 20-30% пашни;
5 - крупноувалисто-холмистые моренные возвышенности,
крупнобугристые озово-зандровые равнины, на которых смытые почвы занимают 30-
50% пашни; 6 - грядово-холмистые моренные возвышенности, озы, ка-
мы, зандровые равнины, на которых смытые почвы занимают более 50%
пашни; 7 - супеси и пески (флювиогляциальные, завалуненные и
древнеозерные отсортированные); 8 - супеси и пески маломощные на
моренных суглинках с редкими выходами морены на поверхность (почвы
преимущественно двучленные); 9 - суглинки моренные, по низинам - из
переотложенной морены с редкими участками флювиогляциальных
песчаных отложений, озерно-ледниковые суглинки; 10 - суглинки озерного
происхождения; 11 - суглинки пылеватые, покровные.
178
Рис. б.5.Карта-схема почвенно-эрозионного районирования Смоленской области
6.5 Применение аэрокосмических методов при почвенно-
эрозионном картографировании
Использование аэрокосмических снимков значительно облегчае-
почвенное картографирование, делает его более детальньш. Работы nt
составлению почвенно-эрозионных карт на основе аэрокосмически;
снимков проводят в три этапа. На первом, предполевом, этапе собираю"
и анализируют литературные и картографические материалы, а также
материалы аэро- или космической съемки для изучаемой территории. £
результате выбирают ключевые участки для полевых работ. На втором
полевом, этапе, составляют подробные почвенно-эрозионные карты
ключевых участков. На третьем - формируют таблицы и картотеки д«г-
шифровочных признаков, на основе которых и составляют методок
экстраполяции почвенно-эрозионную карту.
\Ъ
К дешифровочным признакам объекта относятся форма,
размер, тон (цвет), рисунок (текстура) изображения и др. (Андроников,
1979; Методические рекомендации..., 1986). Временная ручейковая сеть,
овраги, участки смытых почв имеют на снимках плавные извилистые
формы. Гидротехнические противоэрозионные сооружения (террасы,
водозадерживаюшие валы, лотки для сброса воды) и лесополосы видны
как прямолинейные участки, сопряженные плавными кривыми. Размеры
объектов, которые отображаются на снимках, зависят, главным образом,
от масштаба съемки и отражательной способности их поверхности.
Возможности дешифрирования этих объектов определяются обычно
разрешающей способностью сетчатки человеческого глаза, которая
составляет примерно 0,1 мм. Подверженность почвенного покрова эрозии
четко выявляется по цвету (тону) и рисунку изображения. Дефлирован-
ные почвы имеют более светлый тон, для них характерны развитые
микроформы эолового рельефа. Смытые почвы представлены на снимках
также в более светлых тонах, а намытые - в темных.
С увеличением степени смытости тон снимка становится более
светлым, однако слабосмытые почвы визуально практически невозможно
отличить от несмытых. Для определения мощности гумусового горизонта
используют графики связи оптической плотности аэронегатива и
мощности гумусового горизонта. Оптическую плотность аэронегатива
определяют микрофотометрированием, а мощность гумусового горизонта -
непосредственным измерением в полевых условиях. В настоящее время но
имеющимся графикам связи можно различать маломощные, средне- и
сильносмытые почвы с мощностью гумусового горизонта 30-40 см и не-'
смытые и слабосмытые почвы с мощностью гумусового горизонта более
50 см.
Эродированные и дефлированные почвы на снимке обычно
имеют пятнистую текстуру. Дополнительным дешифровочным
признаком смытых почв является приуроченность их к достаточно крутым
участкам склонов, которые легко выделяются при стереоскопическом
изучении снимков.
По данным аэрофотосъемки в ряде случаев можно не только
определить степень смытости почвы, но и количество смытого материала.
Если мутность временных водных потоков во время снеготаяния
превышала 20-100 кг/м3, то значения коэффициентов интегральной яркости
изображений образованных ими русел и конусов вьшоса обычно выше,
чем у почв склона. Такие русла и конуса вьшоса легко опознаются на
аэрофотоснимках. Если мощность отложений составляет 0,2-0,3 м то по
аэрофотоснимкам она стереоскопически не воспринимается. Ее
необходимо определять непосредственно в полевых условиях на характерных
180
конусах выноса, либо по материалам наземной стереофотограмметри-
ческой съемки.
Данные аэрофотоснимков в сочетании с данными наземных
обследований можно использовать не только для определения степени
смытости почв или количества смытого материала, но и для выявления
зон активной эрозии. Особенно ценными такие снимки являются для
целей размещения защитных лесных насаждений и противоэрозионньк
гидротехнических сооружений.
На аэрофотоснимках хорошо видны оврага, можно различить
даже стадию их развития. Водороины и промоины дешифрируются по
более светлой окраске и вытянутой форме. Стадия врезания висячего
оврага вершиной дешифрируется по извилистой, четко очерченной
линии бровки и более светлой окраске склонов по сравнению с
прилегающими участками. Для стадии выработки продольного профиля
равновесия характерна несколько более темная окраска склонов и меньшая
их крутизна, хорошо воспринимаемая стереоскопически. Стадия
затухания роста оврага выделяется по более плавной, чем в предыдущих
стадиях, линии бровки, большей ее ширине и наличию растительности,
придающей более темный фон изображению откосов и дна оврага.
По аэрофотоснимкам, полученным в разное время, можно судить
о скорости роста оврагов. Для этого на аэрофотоснимке вблизи оврага
выбирают четко выделяющиеся опорные точки (пересечение дорог,
дома, отдельно стоящие деревья и др.). Прирост оврага определяют
измеряя расстояние между положением вершины оврага при первой и
последующей аэрофотосъемках. Разделив прирост оврага на время между
съемками,- получают скорость роста оврага. Следует иметь в виду, что
короткие овраги не всегда видны на космических снимках. Например,
на космических снимках масштаба 1:30000 достоверно дешифрируются
овраги, длина которых превышает 30-40 м, а на снимках масштаба
1:100000 -100 м (Рожков и др., 1987).
181
7. ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ЭРОЗИИ ПОЧВ
7.1 Принципы прогнозирования эрозии почв
Прогнозирование есть разработка научно обоснованного
предположения о будущем состоянии объекта исследования. Ввиду
значительной пространственной и временной изменчивости факторов эрозии
ее прогаоз носит вероятностный характер. Точный прогноз эрозии
почв возможен только при условии, что известны закономерности
возникновения и развития процессов, сопровождающихся этим явлением.
Речь идет с одной стороны о закономерностях формирования
эрозионной погоды, а с другой - о закономерностях изменения противоэрозиои-
ной (противодефляционной) стойкости почв и других факторов эрозии.
В связи с этим становится очевидным, что прогнозирование эрозии почв
- задача более трудная, чем прогнозирование погоды. Абсолютно
успешным может быть только прогноз ирригационной эрозии, так как
человек контролирует подачу воды.
Множество методов прогнозирования, в том числе
применяемых в эрозиоведении, делится на три класса:
• методы экстраполяции,
• методы моделирования
• экспертные оценки.
Они в свою очередь делятся на прогнозы краткосрочные и
долгосрочные. Краткосрочные эрозионные прогаозы не имеют широкого
распространения. Это, по-видимому, обусловлено их низкой оправдыва-
емостью. В то же время краткосрочный прогноз отдельных явлений
ветровой эрозии почв (в метеорологии их называют пыльными или пес-
182
чаными бурями, вихрями, поземками) имеет большое значение для ряда
отраслей народного хозяйства таких, как авиация, космонавтика.
Задачи прогнозирования определяются запросами науки и
практики. Для целей авиации и космонавтики важно заблаговременно знать
о приближающейся пыльной буре, чтобы принять необходимые меры
безопасности. Поэтому задачей прогноза является предсказание
собственно явления ветровой эрозии. Для целей сельского хозяйства важно
знать возможный ущерб от эрозии и возможные пути ее предупреждения,
поэтому задачей прогноза является предсказание возможных потерь
почвы (например, в т/га). Для экологической безопасности важно знатъ не
только объем потерь почвы, но и пути ее переноса, места отложения и
химический состав продуктов эрозии. Для промышленности важно
знать предстоящий спрос на противоэрозионную сельскохозяйственную
технику, поэтому задачей прогноза является определение площадей
эродируемых почв. Перечисленные отрасли далеко не исчерпывают весь
список возможных потребителей эрозионных прогнозов, число которых,
несомненно, резко возрастет с увеличением оправдываемости таких
прогнозов.
Задача краткосрочного прогнозирования ветровой эрозии почв
решается методами синоптической метеорологии: ожидаемое положение
на карте погоды сопоставляется с положением, соответствующим так
называемым типовым процессам, т.е. таким, что в прошлом приводили к
возникновению прогнозируемого явления, и составляется прогноз
скорости ветра; учитывается состояние почвы; учитывается рельеф и другие
местные условия (Зверев, 1977). При совпадении значений предикторов,
т.е. значений метеорологических величин в исходный момент времени,
со значениями, характерными для типового процесса, выдается прогноз
пыльной (песчаной) бури на ближайшие 1-3 суток. Прогноз
дальнейшего развития пыльной бури делается на основе учета особенностей
воздушного потока, вызвавшего бурю. При этом различают внутримассо-
вые, фронтальные, потоковые, вихревые бури и ураганы (Наливкин,
1970; Зверев, 1977). Применение этой методики, относящейся к
методам экстраполяции, помимо традиционных трудностей
прогнозирования на основе анализа карт погоды, осложняется недостаточной
обеспеченностью фактическим материалом по противодефляционной стойкости
почв и по другим факторам ветровой эрозии. Наиболее обоснованный
вариант такой методики разработан для территории Западного и
Южного Казахстана (Агаркова,1981).
Задачи долгосрочного прогнозирования эрозии почв решаются
методами эрозиоведения. Эти методы относятся ко всем трем классам.
Наиболее старыми являются методы, основанные на экспертной оценке.
183
В основе их - субъективная оценка экспертом тех или иных факторов
эрозии и основанные на этой оценке выводы. Экспертная оценка чаще
всего применяется при разделении почв на категории по степени
эрозионной опасности, по степени эродированное™ и т.п. Очевидно, что
разными экспертами одна и та же почва может быть отнесена к разкьм
категориям, поскольку критерии выбираются самим экспертом.
Более объективным является метод, при котором отдельные
факторы эрозии почв оценивают в баллах. Итоговую оценку опасности
дают на основе сравнения балльных оценок. Недостатком такого
полуколичественного метода является субъективизм в выборе шкалы для
оценки отдельных факторов. Несмотря на указанный недостаток
балльный метод сыграл свою положительную роль. Он позволил коллективу
авторов под руководством С.И.Сильвестрова (Арманд, 1965) впервые
произвести районирование территории СССР по основным факторам
эрозии почв.
Типичным представителем методов экстраполяции в
долгосрочном прогнозировании эрозии почв является методика Г.П.Сурмача
A969), позволяющая прогнозировать весенпий сток талых вод на
каштановых и черноземных почвах на основе осенне-зимних наблюдений за
погодными условиями (см. раздел 3.3.3). Такого рода методы должны
найти распространение ввиду надежности и простоты применения.
В настоящее время наиболее быстро развиваются методы
долгосрочного прогнозирования на основе моделирования. Однако
большинство из них основано на одновременном использовании принципов
экстраполирования и собственно моделирования, т.е. для прогноза будущего
в них используются сведения о прошлом и настоящем: средние
многолетние величины и показатели варьирования скорости ветра, количества
и интенсивности осадков, испаряемости, температуры и других
метеорологических величин, определяющих интенсивность и длительность
процессов эрозии почв.
Рассмотрим принципы и методы прогнозирования разных видов
эрозии почв на примере некоторых наиболее распространенных
математических моделей.
7.2 Прогнозирование дождевой эрозии почв
Наиболее широко в практике прогнозирования и
предупреждения эрозии почв используется, но-видимому, так называемое
"универсальное уравнение потерь почвы", разработанное в США:
Q = 0,224 RKLSCP,
где Q - потеря почвы от эрозии в кг/м2 за год;
184
R - комплексная характеристика эродирующей способности дождя;
К - комплексная характеристика свойств почвы, определяющих ее
эрозионные свойства (водопроницаемость и противоэрозионную
стойкость);
LS - комплексная характеристика топографических факторов;
С - комплексная характеристика влияния системы земледелия на смыв
почвы;
Р - комплексная характеристика эффективности различных противоэро-
зионных мероприятий.
Центральное место в этой системе принадлежит комплексной
характеристике эродирующей способности дождя, которую
рассчитывают по многолетним данным метеостанций. Для этого берут графики
зависимости интенсивности дождя от времени для всех ливней за много
лет (дожди с суммой осадков меньше 12,7 мм в расчет не берут). Для
каждого ливня находят показатель Гзо- который представляет собой
среднюю 30-минутную интенсивность дождя (мм/ч). Кроме того, для
каждого ливня рассчитывают суммарную кинетическую энергию
дождевых капель в расчете на 1м2 поверхности, на которую выпадает дождь.
Для этого пользуются эмпирическим уравнением
Е = 1,213 + 0,8901 lgr,
где Е - суммарная кинетическая энергия всех дождевых капель для
каждого миллиметрового слоя осадков, выпадающих на 1м2 поверхности,
кгс-м;
г - интенсивность дождя, мм/ч.
Поскольку интенсивность дождя изменяется во времени, кривую
зависимости г от Т разбивают на п участков так, чтобы в пределах
каждого участка 7} величина г была примерно постоянной гу После этого
рассчитывают суммарную кинетическую энергию дождевых капель для
всего ливня
£ = £A,213 + 0,8091 -Igr^Tj.
/=i
Комплексную характеристику эродирующей способности дождя
рассчитывают по уравнению R = Е гзо-
Выбор этой величины сделан на том основании, что она теснее
других показателей коррелирует с потерями почвы от дождевой эрозии
на стоковых площадках США. Подставляя в приведенное уравнение
значение Е и переходя к системе СИ, получают выражение для
комплексной характеристики эродирующей способности дождя
185
R =
£ A,213 + 0,809 llg r J rj Tj
гзо
173,6
Таблица 7.1
Комплексная характеристика противо-
эрозионной стойкости почв, А'
Таким способом обрабатывают материалы по всем ливням за
многолетний период и получают средние годовые значения R или
средние месячные значения для отдельных метеостанций. Эти значения для
территории США сведены в таблицы и карты.
Следует отметить, что показатель £г3о не является
универсальным даже для территории США. Поэтому в настоящее время в разных
странах проводятся исследования, направленные на разработку
показателей, более точно отражающих местные особенности климатического
фактора эрозии почв и более тесно коррелирующих с потерями почвы.
Чтобы учесть смыв почвы во время снеготаяния, авторы
методики предлагают к величине R прибавлять величину Rs, которая
представляет собой комплексный показатель эродирующей способности талых
вод. Величину Rs применительно к территории США предлагают
получать путем умножения суммы осадков за период с декабря по март (мм)
на коэффициент 0,0591.
Комплексная характеристика
свойств почвы К представляет собой
отношение величины среднегодового
смыва почвы с квадратного метра
стандартной стоковой площадки к
величине R. Под стандартной стоковой
площадкой понимают прямоугольную
площадку, расположенную на прямом
склоне с уклоном 0,09 площадью 0,01
акра D0,5 м2) при ширине 1,83 м и
длине 22,13 м. Длинная сторона
площадки расположена вдоль склона.
Почвы на площадке пашут вдоль склона и содержат по типу черного пара.
Измерения начинают не ранее двух лет после начала парования почвы.
Прямые измерения величины К являются очень трудоемкими и требуют
сложного оборудования. Для территории США разработаны таблицы
значений К (табл. 7.1), а также регрессионное уравнение и номограммы,
позволяющие получать величину К путем расчета.
Для нахождения величины К с использованием уравнения
множественной регрессии необходимо иметь сведения о большом
числе A5) свойств почвы, что не всегда возможно. В таком случае ис-
Гранулометрический
состав почвы
Песок
Очень мелкий песок
Супесь
Очень тонкая супесь
Легкий суглинок
Средний суглинок
Пыль
Глина
Гумус, %
0,5
0,05
0,42
0,12
0,44
0,27
0,38
0,60
2
0,03
0,36
0,10
0,38
0,24
0,34
0,52
4
0,02
0,28
0,08
0,30
0,19
0,29
0,42
0,13-0,29
186
7 - О^УМЕМННОГОДОБЫСТ-
] - БЫСТРОЕ
Рис. 7.1 Номограмма для определения комплексной характеристики эродируемости почв К
пользуют номограммы (рис 7.1). Чтобы воспользоваться номограммами
необходимо иметь данные по структуре почвы, ее водопроницаемости,
содержанию гумуса и гранулометрическому составу. Однако и эти
данные не всегда бывают доступны. В таком случае приближенную оценку
величины К делают на основе данных по гранулометрическому составу
и содержанию гумуса в почве с использованием табл. 7.1, которая
приведена в сокращенном виде. Классы почв по гранулометрическому
составу даны в соответствии с классификацией, принятой в США.
Комплексную характеристику топографических факторов LS
определяют путем перемножения факторов длины склона L и крутизны
склона S. Для этого необходимо иметь данные по фактическим
величинам длины и крутизны склона. Имея фактические значения длины и
крутизны склона соответствующие им факторы находят по номограммам
или с использованием уравнений регрессии:
22,13 J
где / - крутизна склона в %; х - длина склона, м;
т - эмпирический коэффициент, зависящий от крутизны склона:
т = 0,5, если / >5% га = 0,4, если 3 < / < 5%
т = 0,3, если 1 < / < 3% т = 0,2, если / < 1% .
S = 0,0650 + 0,0454 / + 0,0065 I2 ' L =
187
Известно, что при прочих равных условиях потери почвы
зависят от формы склона. При использовании комплексной характеристики
топографических факторов в том виде, который был приведен выше,
расчетные величины потерь почвы с выпуклых склонов были ниже
фактических, а в случае вогнутых - выше. Для преодоления этой трудности
было предложено делить склон на отдельные участки с примерно
постоянным в пределах каждого участка уклоном и рассчитывать величину LS
для каждою участка. Тогда формула расчета величины LS для всего
склона длиной дг; любой формы, разбитого на п участков, принимает
вид
^\Sjx'j'+1-Sjxf-i)
LS =
j=i
xi 22,13"
где Sj - фактор крутизны для j-ro участка склона;
Xj - расстояние от вершины склона до нижнего края ;-го участка;
Xj.i - расстояние от вершины склона до верхнего края j-ro участка;
все остальные величины были определены выше.
Часто с изменением расстояния от вершины склона изменяется
не только крутизна, но и свойства почвы. Чтобы учесть это
обстоятельство, в пределах участков равной крутизны следует выделить и участки с
равными величинами показателя противоэрозионных свойств почвы К.
Тогда произведение трех факторов для склона будет иметь вид
Zj[SjXj —SjXj-ij
KLS= 2Kj
J=i
X[ 22,13"
где Kj - комплексная характеристика эрозионных свойств почвы для ;-го
участка склона.
Комплексная характеристика влияния системы земледелия на
смыв почвы (О представляет собой отношение величины потерь с
участка, используемого в севообороте, к величине потерь с аналогичного
участка, воздельшаемого по типу черного пара, вспаханного отвальным
плугом вдоль склона. Она, следовательно, учитывает влияние всех
элементов используемой системы земледелия на смыв почвы. Среднюю
величину С за время ротации севооборота рассчитывают путем
суммирования значений С по отдельным полям севооборота, а в пределах поля -
по периодам, и последующего деления на продолжительность ротации
188
севооборота в годах. В пределах каждого года использования почвы на
каждом поле севооборота выделяют периоды, в течение которых
величина С считается постоянной для данного поля и определяется опытным
путем. В качестве примера (табл. 7.2) приведены сведения по величинам
С для отдельных периодов трехпольного севооборота "кукуруза-овес-
травы", типичного для центральной части кукурузного пояса США. Эти
величины справедливы при любом R, постоянном в течение года.
Аналогичные величины разработаны и продолжают разрабатываться и для
других севооборотов.
Таблица 7.2
Значения С для трехпольного севооборота по периодам при постоянном R, %
Номер поля севооборота, растительный покров,
чередование культур и атротехника
1. Кукуруза после зернобобовых, которые выращивали на сено.
Поле под кукурузу вспахали весной с оборотом пласта. После уборки
урожая пожнивные остатки оставили на поверхности поля
2. Овес по дискованным остаткам кукурузы
3. Злаки + бобовые
Периоды
F
8
_
SB
22
12
/
19
12
2
17
И
3
10
7
4
14
2
0,4
Периоды выделяют независимо от возделываемой культуры по
следующим критериям:
f _ период, в течение которого данное поле севооборота после отвальной вспашки
не обрабатывают;
5В - период, начинающийся после предпосевной обработки и посева и
заканчивающийся по достижении посевами проективного покрытия 10%;
1 _ период роста посевов; проективное покрытие возрастает с 10 до 50%;
2 — период развития посевов; проективное покрьпие возрастает с 50 до 75%;
3 _ период созревания посевов; длится от конца второго периода до момента
уборки урожая;
4 — период от уборки урожая до вспашки или нового сева.
Величины С, приведенные в табл.7.2, необходимо
откорректировать с учетом изменчивости R в течение года. Для территории США
имеются табличные значения среднегодовых и среднемесячных значений
R. По ним рассчитывают методом интерполяции долю среднегодового
значения R, приходящуюся на каждый рассматриваемый период. Эту
величину выражают в процентах. Сумма этих величин по всем периодам
для данного поля севооборота за год даст, очевидно, 100%. Для внесения
поправки на R удобно также пользоваться номограммами (рис. 7.2). На
этом рисунке приведены кумулятивные кривые R для трех характерных
регионов США: а - для районов возделывания кукурузы (штаты
Миссури, Иллинойс, Индиана и Огайо), расположенных в умеренном поясе; б
- для районов богарного возделывания зерновых в северо-западной части
Тихоокеанского побережья, которые находятся в субтропическом поясе;
189
в - для одного из Гавайских островов, расположенных в тропическом
поясе.
Для двух календарных дат,
R,%[ z^Tk соответствующих началу и концу
требуемого периода, по номограмме
находят значения R, из большего
значения вычитают меньшее и получают
долю R в процентах, приходящуюся на
данный период. Истинное значение
20 f / / величины С для каждого периода на-
ходят путем умножения найденной для
т/1 т/3 01/5 01/7 01/9 01/11 Латы этого периода доли R в процентах на
Рис. 7.2. Кумулятивные кривые годово- ВЗЯТую ИЗ Таблицы ВеЛИЧИНу С ДЛЯ
го распределения величины R дашюго периода (также в пр()центах)
и деления полученного произведения на 10000 (чтобы избавиться от
процентов и перейти к долям). Истинное значение С для ротации
севооборота находят путем суммирования всех значений С, полученных
указанным способом, для всех периодов, и деления полученной суммы на
длительность ротации севооборота в годах.
Для иллюстрации описанного способа определения величины
комплексного показателя влияния системы земледелия на смыв почвы,
С, в табл. 7.3 приведены все стадии расчета для трехпольного
севооборота. В первой колонке этой таблицы описано состояние почвы по
периодам. Во второй - даты начала и конца каждого периода. Первые
цифры указьюают число, вторые два - месяц, начиная с первого января
- 01.01. В третьей колонке приведены значения R (%) для поля,
находящегося в центральной части кукурузного пояса США, по периодам.
Эти величины взяты с графика рис. 7.2, а. В четвертой колонке
приведены значения С при постоянном R, взятые из табл. 7.2, для отдельных
периодов. Эти значения С показывают величину смыва почвы с данного
поля в течение данного периода в процентах от возможной величины
смыва с эталонного участка под черным паром при постоянном значении
R. В пятой, последней колонке, приведены величины, полученные от
перемножения соответствующих величин из третьей и четвертой колонок
и деления их на 10000. Суммирование дат из пятой колонки и деление
на три дает искомое среднегодовое значение С для.данного
географического пункта и указанного трехпольного севооборота.
По этой методике и были рассчитаны значения С для разных
систем земледелия. Эти материалы имеются в справочниках (Эрозия
почв, 1984). Аналогичные величины разработаны и для
несельскохозяйственных угодий, а также для пастбищ и залежей.
190
Учет влияния системы земледелия на смыв почвы
Таблица 7.3
Состояние почвы и растительности
Даты
Первый год
Травы
Вспаханная почва
Дискование н сев кукурузы
Проективное покрытие от 10% в начале
периода до 50% в конце
Проективное покрытие от 50% до 75%
Проективное покрытие более 75%
Пожнивные остатки
То же поле
Пожнивные остатки
Дискование и сев овса
Проективное покрытие от 10% до 50%
Проективное покрытие от 50% до 75%
Проективное покрытие более 75%
Травы: злаки с бобовыми по стерне овса
Травы
То же поле
Травы
Всего:
Среднегодовое значение фактора С = 0,175
01.01-15.04
15.04-05.05
05.05-01.06
01.06-20.06
20.06-10.07
10.07-15.10
15.10-31.12
- второй год
01.01-01.04
01.04-15.04
15.04-01.05
01.05-01.06
01.06-15.06
15.06-15.08
15.08-31.12
- третий год
01.01-31.12
6:3 = 0,0585
R,%
10
5
10
13
14
40
8
8
2
4
11
9
38
28
100
300
с,%
0,4
8
22
19
17
10
14
14
12
12
11
7
2
0,4
0,4
CR/10000
0,0004
0,0040
0,0220
0,0247
0,0238
0,0400
0,0112
0,0112
0,0024
0,0048
0,0121
0,0063
0,0076
0,0011
0,0040
0,1756
Комплексная характеристика эффективности
противоэрозионных мероприятий Р представляет собой отношение величины смыва
почвы при использовании противоэрозионных мероприятий к величине
смыва с парового поля, вспаханного вдоль склона (табл. 7.4). В число
мероприятий, учитываемых величиной Р, входят контурная обработка,
контурное полосное земледелие, поделка валов-террас с широким
основанием. Ряд агротехнических противоэрозионных мероприятий
(правильная обработка, почвозащитные севообороты, применение
удобрений, мульчирование почвы пожнивными остатками и др.) учитывается
величиной С. Об эффективности указанных противоэрозионных
мероприятий МОЖНО суДИТЬ ПО ВеЛИЧИ- Таблица 7.4
Нам соответствующих КОЭффиЦИ- Показатель эффективности противоэроэи-
/ „. п а\ онных мероприятий (Р)
ентов (табл. 7.4). r K
Рассмотренное уравнение
на практике применяют
следующим образом. Допустим, что для
некоторого пункта,
характеризуемого величиной R = 195 (берут из
справочника) я К = 0,37 (берут из
справочника или рассчитывают на
Уклон,
%
1-2
3-8
9-12
13-16
17-20
21-25
Контурная
обработка
0,60
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
Контурное
полосное
земледелие
0,30
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
Валы-террасы
с широким
основанием
. . 0,12
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
191
основе результатов анализа свойств почвы), необходимо рассчитать
возможный смыв с поля длиной 88 м, расположенного на склоне крутизной
9% и используемого в трехпольном севообороте, описанном в табл. 7.2.
Величину LS рассчитывают по формуле, приведенной выше:
LS = (88:22,13H'5 @,065+0,045х9+0,0065х92)=1,87.
Величина С равна 0,0585 (в данном случае ее берут из табл. 7.3
для рассмотренного трехпольного севооборота). Расчетная среднегодовая
потеря почвы Q = 0,224x195x0,37x1,87x0,0585 = \Jlvsl\i. Если
обработку почвы производить но контурам, тогда Р = 0,6 (берут из табл. 7.4
в зависимости от уклона) и Q = 1,77x0,6= ^Обкг/м2. Расчетную величину
смыва сопоставляют с допустимой для дайной почвы и, если она
превышает допустимую, подбирают такую систему ведения хозяйства
(изменяют величину О и такие противоэрозионные мероприятия
(изменяют величину Р), при которых расчетная величина смыва не будет
превышать допустимую.
Более подробные сведения об этой модели можно получить из
оригинальной литературы, список которой имеется в переведенной на
русский язык книге "Эрозия почв" под редакцией МДж.Киркби и
Р.Ф.К-Моргана A984).
Привлекательность рассмотренной модели обусловлена ее
завершенностью, обширными возможностями в области прогнозирования и
планирования противоэрозионных мероприятий, простотой применения
на практике, хорошей обеспеченностью вспомогательным
табулированным материалом, необходимым для расчета значений аргументов модели
(последнее справедливо только в отношении территории США).
Поэтому применение модели к территориям, не обеспеченным адекватными
измеряемыми параметрами, может привести к ошибкам в определении
смыва, достигающим 400% (Драголюбова, 1986). Это обстоятельство
является причиной того, что во многих странах в настоящее время
проводятся многолетние полевые стационарные опыты по методикам,
аналогичным тем, что лежат в основе "универсального уравнения потерь
почвы", направленные на разработку региональных вариантов этой модели.
Наряду с несомненными достоинствами данная модель обладает
и рядом недостатков, которые в некоторых случаях могут стать
принципиальными. Во всех вариантах этой модели механизм процессов
формирования стока и смыва почвы не рассматривается, т.е. модель
является чисто эмпирической, что ограничивает возможности её применения
для больших и сложных водосборов и для отдельных ливней, а также в
других природных условиях. В ней не рассматриваются процессы
отложения смытой почвы. Имеется также ряд менее существенных
недостатков. Наличие изъянов в модели, обусловленное чрезвычайной
192
сложностью и, главное, недостаточной изученностью моделируемого
явления, должно служить предостережением против необоснованного
использования этой модели, особенно применительно к объектам, не
обеспеченным адекватными измеряемыми параметрами.
Примером статистической модели дождевой эрозии,
разработанной в нашей стране, является модель Государственного
гидрологического института (Инструкция но определению расчетных гидрологических
характеристик..., 1979):
Q = hp%a\bki,
где Q - модуль стока наносов (смыв почвы) за дождевой паводок, т/га;
hp%~ суточный слой стока дождевых осадков заданной вероятности
превышения Р%;
Й1 - коэффициент, зависящий от типа ручейковой сети на склоне и
агротехнического фона;
b - коэффициент, учитывающий влияние сельскохозяйственного
использования почвы в предшествовавшем году на смыв почвы под паром и
пропашными культурами (если поле паровало или было занято
пропашными, b = 1; зерновыми - b = 0,9; многолетними травами — b -
0,8). Влияние предшественника на смыв почвы со склонов с
густопокровными культурами не учитывается ф = 1);
кг коэффициент, учитывающий крутизну склона; при / > 10% к,- =
ОМ, при i < 10% kt = 1,0.
Таблица 7.5
Характеристика временной ручейковой сет на склоне
Тип
/
и
III
Особенности сети
Временная микроручейковая сеть в приводораздельвой части
склона на относительно ровной поверхности с равномерным
уклоном; местоположение струй случайно; после каждой
распашки сеть уничтожается
Временная ручейковая сеть на нижерасположеяной части
склона с относительно ровной поверхностью и равномерным
уклоном, образуется слиянием микроручейков типа /:
местоположение зависит от формы склона и случайных причин
(направление борозды, колеи и т.д.); при распашке уничтожается
Временная ручейковая сеть, выраженная в рельефе
(приурочена к ложбинам стока), образуется при слиянии потоков типа II
и впадении в них потоков типа I; уничтожается при распашке
Дпина
ручейков
L, км
до 0,10
свьпие
0,10 до
0,30
свьпие
0,30 до
2,00
Плошадь
водосбора
F, км2
до 0,05
свьпие
0,05 до
0,25
свьпие
0,25 до
2,00
Суточный слой стока дождевых осадков hp% определяют по
методике, изложенной в разделе 2.2.5. Значения коэффициента а\
приведены в табл. 7.6. Чтобы воспользоваться этой таблицей, необходимо оп-
13 Эрозия и охрана почв
193
ределить тип ручейковой сети на склоне, возникшей в результате
эрозии. Его определяют ио данным натурных обследований с
использованием характеристик, приведенных в табл.7.5, либо по картам и
аэрофотоснимкам масштаба крупнее 1:10000.
Таблица 7.6 Наиболее разработан-
Пошттель влияния агрофона и типа ручейке- шш бткои этой модели явдя.
вой сети на смыв почвы при дождях
ется гидрологический.
Эрозионный блок разработан в
меньшей степени. В целом модель
пригодна для целей прогноза
смыва почвы с водосборов
площадью менее 2 км2 и для целей
проектирования
гидротехнических противоэрозионнных
мероприятий. Вероятность
превышения вычисленных величин смыва почвы принимается равной
вероятности превышения слоя стока воды, по которой ведется расчет.
Статистическая модель дождевой эрозии почв (Методические
рекомендации..., 1985), созданная во ВНИИЗиЗПЭ (г. Курск),
характеризуется более глубокой разработанностью эрозионного блока.
Гидрологические блоки этих двух моделей во многом аналогичны. По форме
данная модель близка "универсальному уравнению потерь почвы"
Агрофон
Густопокровные культуры
(многолетние травы,
зерновые) и многолетняя залежь
Пропашные культуры:
картофель, свекла, кукуруза и др.
Пар
Тип
ручейковой сети
I, II, III
I, II
III
I, II
III
а\
0,003
0,5
4,9
1,4
7,0
6 =
ioVa
f -х{
■r(hf*)h
Р ■ Р -А
мех 1 э.см **'
где Q - средняя величина смьша почвы дождевыми водами на отрезке
склона, горизонтальное проложение которого равно а, а нижний
конец находится на расстоянии х2 (по горизонтали) от водораздела, в
расчете на единицу площади, т/га;
а - горизонтальное проложение отрезка склона, для которого
определяют величину смыва почвы, м (обычно а берут равным 75 м);
/ - уклон (tga где а - угол наклона данного отрезка склона, град);
Х2 - горизонтальное проложение части склона от водораздела до
нижнего конца изучаемого отрезка, м;
к, п, р - эмпирические коэффициенты, зависящие от возделываемой
культуры, от направления рядков относительно горизонталей и от
уплотненности пашни (табл.7.7);
у- параметр, характеризующий мутность водного потока на приводораз-
дельном отрезке склона, горизонтальное проложение которого равно
а = 75 м, при его уклоне 0,004 на типичном, выщелоченном и обык-
194
Таблица 7.7
Коэффициенты в модели дождевой эрозии почв, разработанной во ВНИИЗиЗПЭ
Слой
стока,
мм
<7
7-15
16-25
>25
<7
7-14
16-25
>0
1
Агрофоп
Чистый пар
Кукуруза, свекла
Кукуруза, свекла
Кукуруза, свекла
Озимые зерновые
ы
Яровые зерновые
и
Крупяные
Многолетние травы,
1-й год пользования
Многолетние травы
последующих лет
Однолетние
травы
Направление
рядков
относительно склона
поперек
и
вдоль
"
поперек
"
вдоль
"
поперек
*•
вдоль
•■
поперек
вдоль
поперек
вдоль
поперек
вдоль
поперек
вдоль
поперек
вдоль
поперек
вдоль
Состояние
пахотного
слоя
рыхлый
плотный
рыхлый
плотный
рыхлый
плотный
рыхлый
|_ ПЛОТНЫЙ
рыхлый
плотный
рыхлый
плотный
рыхлый
плотный
рыхлый
плотный
рыхлый
плотный
рыхлый
плотный
п
1,3
1,3
1,35
1,35
1,4
1,4
1,45
1,45
1,3
1,3
1,3
1,3
1,35
1,35
1,35
1,35
1,4
1,4
1,4
1,4
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
0,8
0,8
1,0
1,0
р
0,5
0,5
0,5
0,5
0,55
0,55
0,6
0,6
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0.5
0,5
0,55
0,55
0,55
0,55
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,4
0,4
0,5
0,5
к
5,25
5,25
6,91
6,91
7,33
7,33
7,78
7,78
5,25
5,25
5,25
5,25
6,91
6,91
6,91
6,91
7,33
7,33
7,33
7,33
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0
' 0,51
0,51
1,0
1,0
г
23,0
18,5
23,5
19,0
24,0
19,4
24,0
19,4
18,5
14,8
20,3
16,6
18,7
15,0
20,8
17.1
19,0
15,2
21,0
17,3
4,2
4,7
6,4
7,3
9,0
9,9
4,7
5,4
1,4
1,9
5,2
6,8
новенном черноземах среднего гранулометрического состава
(табл.7.7), г/м3;
hp%- слой ливневого стока нужной обеспеченности, мм, определяют в
соответствии с методикой ГГИ, т.е. hp% — Е\%^% а^ъ.с т^(г)>
i - показатель степени при слое стока, который принимают равным 1,1;
Р„- коэффициент относительной податливости почв эрозии (табл. 7.8);
Рысх- коэффициент учета влияния гранулометрического состава почвы
на ее относительную податливость эрозии (табл. 7.9);
195
Таблица 7.
Коэффициент относительной податливости почта эрозии
Типы и подтипы почв
Рт
Черноземы типичные, выщелоченные, обыкновенные
1,0
Черноземы оподзоленные и южные: темно-серые лесные и темно-каиггановые почвы 1,07
Серые лесные я каштановые почвы
1,15
Светло-серые лесные , дерново-подзолистые, светло-каштановые почвы
1,23
Красноземы и желтоземы
0,75
/Vcm - коэффициент учета влияния степени смытости почвы на ее
податливость эрозии (табл. 7.10);
&S..CT - коэффициент учета влияния степени смытости почвы на сток
дождевых вод (табл. 2.13);
А - коэффициент учета влияния агротехнических и
лесомелиоративных прошзоэрозионных
Таблица 7.9
Коэффициент влияния
гранулометрического состава почвы на ее относительную
податливость эрозии
Таблица 7.10
Коэффициент влияния
степени смытости почвы на ее
относительную
податливость эрозии
Почва
Несмытая
Слабосмытая
Среднесмытая
Сильносмытая
Очень сильно смытая
*э.см
1,00
1,03
1,08
1,14
1,20
применения,
Ц.Е.Мирцхулавой A970):
приемов (глубокая зяблевая
вспашка, безотвальная обработка,
узкорядный сев, внесение
удобрений и др.) на сток и смыв почвы
(табл. 7.11).
Рассмотренная модель
позволяет легко определить, на каком
расстоянии от водораздела смыв
начнет превышать допустимую
величину. Кроме того она позволяет
рассчитать среднюю величину
смыва со склона. Для этого необходимо
сумму расчетных величин смыва со
всех 75-метровых отрезков
разделить на их количество.
Данная модель применяется для целей
проектирования комплекса противоэрозионных
мероприятий в ходе внутрихозяйственного
землеустройства. Возможности ее применения
ограничены в той же степени и теми же
причинами, что и возможности других эмпирических
моделей, в том числе и "универсального
уравнения потерь почвы". *
Среди моделей дождевой эрозии почв,
доведенных до возможности практического
выделяется методика прогнозирования, предложенная
Почва
Глина
Тяжелый суглинок
Средний суглинок
Легкий суглинок
Супесь на склонах круче 2
Супесь на склонах крутизной 1- 2
Супесь на склонах крутизной до 1
Песок аа склонах круче 2
Песок на склонах крутизной 1-2
Песок на склонах круче 2
*м.ех
0,90
0,95
1,0
1,07
1,15
1,0
0,90
1,20
1,0
0,90
196
Таблица 7.11
Коэффициент влияния противоэрозшшных агротехнических приемов, А, на смыв почвы
Наименование приема
Глубокая зяблевая вспашка
Поделка нанорельефа на зяби
Поделка нанорельефа на пропашных
Безотвальная обработка
Узкорядный и перекрестный сев
Внесение удобрений
Щелевание озимых и многолетних
трав
Снегозадержание и регулирование
снеготаяния
Черноземы и каштановые
почвы
несмы-
тые и
слабо-
смытые
0,88
0,90
0,70
0,70
0,85
0,80
0,80
0,80
средне-
смытые
0,88
0,90
0,70
0,70
0,85
0,75
0,80
0,80
сильно-
смытые
0,88
0,90
0,70
0,70
0,85
0,70
0,80
0,80
Серые лесные и дерново-
подзолистые почвы
несмы-
тые и
слабо-
смытые
0,83
0,88
0,70
0,70
0,85
0,75
0,80
0,80
средне-
смытые
0,83
0,88
0,70
0,70
0,85
0,70
0,80,
0,80,
сильно-
смытые
0,83
0,88
0,70
0,70
0,85
0,65
0,80
0,80
Q = 0,0U-r<»'dw
0,62-
—-3--1 + 0,38 —
2
Vah
Х2
где Q - количество смытой почвы со склона длиной х2 за время Г, т/га;
у- плотность почвы в состоянии полного водонасыщения, т/м3;
dw- средний размер отрываемых водным потоком почвенных частиц, м,
принимаемый при отсутствии данных специальных исследований
равным 0,004 м. dw можно найти более точно как средневзвешенный
диаметр водопрочных агрегатов при "мокром просеивании"
предварительно увлажненной почвы по методу Саввинова;
со'- средняя частота пульсаций скорости, с'1 (&>'= 10 с);
vdn - неразмывающая донная скорость движения воды, м/с;
vAx ~ Донная скорость потока на расстоянии .х2 от водораздела, м/с,
рассчитываемая по уравнению B.24);
хг. длина неэродируемого участка склона, в нижней части которого
скорость потока равна неразмывающей (м/с). Неэродируемый участок -
понятие условное, т.к. какой-то смыв почвы наблюдается даже при
скоростях потока, не превышающих неразмываюшую; рассчитывается
по уравнению B.24) при v^ = vAh;
Т - время, в течение которого слой вьшавших осадков превышает слой
инфильтрации, с.
Данная модель в отличие от других не содержит формальных
препятствий к применению ее в любых физико-географических услови-
197
ях, так как она основана на формуле смьша, вьшеденнои теоретически и
содержащей главным образом аргументы, которые характеризуют
условия образования поверхностного стока во время дождя, скорость
движения воды по склону и сопротивляемость почвы смыву, выраженную
через донную неразмывающую скорость движения воды. Для расчета
величины потерь почвы от эрозии в течение сезона или года необходимо
просуммировать смыв за отдельные ливни. Влияние севооборота,
урожайности и противоэрозионных агротехнических приемов выявляется
опытным путем и учитывается через величины донной неразмывающей
скорости течения воды и коэффициентов «тип, отражающих влияние
растительного покрова на сток и смыв почвы. При отсутствии опытных
данных в качестве первого приближения можно использовать
табулированные величины поправочных коэффициентов к величине донной
неразмывающей скорости и к указанным величинам. Имеется
модификация данной модели, позволяющая учесть форму склона (Мирцхулава,
1985).
За рубежом также делаются попытки создания физически
обоснованного уравнения дождевой эрозии почв. В 1985 г. Министерство
сельского хозяйства США совместно с несколькими университетами
начало работу над проектом WEPP (Water Erosion Prediction Project),
целью которого является создание нового поколения моделей для
прогнозирования и предупреждения эрозии почв. В основу разрабатываемых
моделей положено следующее уравнение смьша почвы при дождях
(Foster, Meyer, 1975):
D = Kr (r- те), G,1)
где D - подверженность почвы смыву в руслах ручейков, кг/(м2с);
Кг - параметр эродируемое™ почвы в руслах (с/м);
т - касательное напряжение потока, действующее на частицы почвы
(н/м2);
тс - критическое касательное напряжение, необходимое для отрыва
частиц почвы в существенных количествах (н/м2).
Для расчета касательного напряжения потока рекомендуется
использовать уравнение B.3). Величину Кг рассчитывают по формуле,
включающей содержание обменных кальция и магния, а также параметр
гранулометрического состава. Величину тс рассчитывают по двум разным
формулам в зависимости от минералогического состава почв,
включающим емкость поглощения, содержание обменных кальция и магния,
долю воднодиспергируемых частиц глины и ила, электрическую
проводимость почвы. Нетрудно видеть, что принципиальных различий между
подходами к разработке физически обоснованных моделей в нашей
198
стране и за рубежом нет, поскольку основные аргументы указанных
уравнений - скорость потока и касательное напряжение - тесно связаны
друг с другом.
7.3 Прогнозирование эрозии почв при снеготаянии
Эрозия почв при снеготаянии исследована значительно хуже,
чем другие виды эрозии. Это, по-видимому, объясняет меньшую
обеспеченность данного явления моделями. В кашей стране наиболее широко
используются две модели: модель ГГИ, применяемая преимущественно
для целей прогнозирования потерь почвы с водосборов разной величины,
и модель, разработанная во ВНИИЗиЗПЭ, используемая, 8 основном, для
целей нрогаозирования смыва почвы с отдельных полей севооборота.
"Универсальное уравнение потерь почвы" также приспособлено
для нрогаозирования потерь почвы от эрозии при снеготаянии путем
внесения поправок к климатическому фактору R.
Статистическая модель эрозии почв во время весеннего
снеготаяния, разработанная в ГГИ, имеет вид
Q = (hbbfabki,
где Q - модуль твердого стока наносов (т/га) за период весеннего
половодья заданной вероятности превышения Р%;
а, п - параметры, зависящие от типа ручейковой сети на склоне, типа
почвы и агрофона;
b - коэффициент, учитывающий влияние агрофона за предшествующий
год;
kt - коэффициент, учитывающий крутизну склона;
hp% - слой весеннего стока заданной вероятности превышения Р%.
Все параметры данной модели заданы таблично и в виде карт
для европейской территории России.
Статистическая модель эрозии почв при снеготаянии, созданная во
ВНИИЗиЗПЭ, как и в случае с моделью дождевой эрозии, отличается от
модели ГГИ более глубокой разработанностью эрозионного блока:
Q = -^1" Л" r(hTp%)' Pm Рмех Кем А «
где Q - средняя величина смыва почвы талыми водами на отрезке
склона, горизонтальное проложение которого равно а, а нижний конец
находится на расстоянииХг (по горизонтали) от водораздела, в
расчете на единицу площади, т/га;
199
Таблица 7.12
Коэффициенты в модаш эрози&и почв при снеготаянии, разработанной во ВНИИ-
ЗиЗПЭ
Угодье, его состояние; направление рядков
Зябь
Озимые
Многолетние травы,
1- и год
Многолетние травы,
последующие годы
Выгон
вспашка поперек склона
» вдоль склона
рядки поперек склона
» вдоль склона
» поперек склона
» вдоль склона
» поперек склона
» вдоль склона
хорошее задернение
среднее »
слабое »
л
1,3
1,3
1,2
1,2
1,2
1,2
0,8
0,8
0,4
0,8
1,0
Р
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,4
0,5
к
5,25
5,25
3,0
3,0
3,0
3,0
0,51
0,51
0,086
0,51
1,0
У, г/м
4,0
4,4
1,4
2,2
1,8
2,5
0,42
0,55
0,07
0,40
2,0
у - параметр, характеризующий мутность потока талой воды на отрезке
склона вблизи водораздела, горизонтальное проложение которого
а =75 м, при его уклоне 0,004 (табл.7.12);
hj>%~ слой весеннего стока заданной вероятности превышения Р%, мм
(определяется по методике ГТИ);
/ - показатель степени при слое стока, который принимают равным 0,93;
к, n, p - эмпирические коэффициенты, зависящие от возделываемой
культуры, от направления рядков относительно горизонталей и от
состояния поверхности почвы (табл. 7.12);
и - коэффициент, учитывающий влияние неравномерности снегоотложе-
ния по склону на интенсивность смыва, который определяют по
формуле
_ 3 \ h
2 2/г0 '
в которой /то - средний многолетний или годовой запас воды в снеге на
приводораздельной площади, мм;
h - средний многолетний или годовой запас воды в снеге в средней и
нижней частях склонов, которые подвергаются снежным заносам или
сдуванию с них снега.
При отсутствии результатов измерений ho и h для нахождения и
можно пользоваться нормативными таблицами, составленными в ВНИИ-
ЗиЗПЭ (Табл. 7.13). Остальные величины аналогичны величинам,
входящим в уравнение для расчета смыва дождевыми водами.
Данной модели присущи все недостатки статистических
моделей. Преимуществом ее является доведенность до возможности
практического использования.
200
Таблица 7.13
Соотношение запасов снега на разных частях склона и на водоразделе (Л/Ло)
Часть склона
Верхняя
Средняя
Нижняя
Нижняя присетевая
Экспозиция склона
СЗ
1,00
1,05
1,01
1,01
С
1,07
1,22
1,26
1,40
СВ
1,03
1,13
1,21
1,31
В
1,00
1,05
1,15
1,22
ЮВ
0,96
0,97
0,90
0,89
Ю
0,93
0,84
0,70
0,56
ЮЗ
0,95
0,86
0,73
0,59
3
0,96
0,89
0,76
0,62
7.4 Прогнозирование эрозии почв при орошении
Орошение напуском по бороздам - древнейший способ
орошения. До сих пор он широко применяется, потому что требует меньших
затрат по сравнению с другими способами. Кроме того этот способ
обеспечивает возможность подачи большого расхода воды на поле в
кратчайшие сроки. Это особенно актуально при возделывании
хлопчатника, оросительная норма которого в пустынной зоне достигает 9000
м3/га в год. Поэтому прогаозирование эрозии почв при поливе напуском
продолжает оставаться актуальной задачей.
Сравнительно высокая степень изученности процессов эрозии
почв при орошении является причиной того, что разработано большое
количество моделей ирригационной эрозии почв. Одна из них,
разработанная М.С.Кузнецовым A981) для почв Средней Азии, широко
используется при оценке опасности эрозии почв при поливе по бороздам. В
основе модели лежит следующее уравнение:
B = 10* qxBxt2b
где Q - смыв почвы с участка длиной х за время полива /, т/га;
qx - интенсивность вьшоса почвы потоком на расстоянии х от головной
части борозды (количество почвы, переносимой потоком через
единицу ширины в единицу времени), кг/с м;
Вх - суммарная ширина потоков воды в створе х, замыкающем снизу
площадь в 1 га, м/га;
fie - длительность транзита воды через створ х за один полив, с.
Интенсивность вьшоса рассчитывается по следующему
полуэмпирическому уравнению:
где у . - донная скорость потока в створе х, м/с;
v - донная размывающая скорость, м/с.
201
Время транзита воды через створ Oi*) равно разности между
временем полива @ и временем добегания воды до створа х (fu):
tix=t- tlx.
Из исследований Б.Ф.Камбарова A965) следует, что
"•■"ItJ ■
где fi - время добегания воды до конца борозды, с;
/ - длина борозды, м;
а - показатель степени в формуле скорости впитывания C.2).
Тогда получим
1
х)
t2x = *-h
Методы расчета параметров ?, гь /, а также значения а даны в
главе 10. Расстояние от головной части борозды до конца расчетного
участка (х, м) обычно берется в пределах 50-100 м.
Донную скорость движения воды в створе х (v^ ) при поливе
без сброса можно рассчитать по формуле (Мирцхулава, 1970)
VAx ~ VA0^~~'
где vA0- донная скорость потока в головной части борозды;
/ - длина борозды.
При поливе со сбросом / - фиктивная длина борозды,
рассчитанная на полив без сброса. Она больше фактической в д/l+S/lOO раз,
где 5 - сброс воды в конце борозды (%). 5 = /fe/fi), где h -
длительность добегания воды до конца борозды, t% - длительность долива воды.
При t2/ti равном 1,1; 1,5; 2,0; 3,0; 3,5 сброс воды 5 равен,
соответственно 0; 5%; 12,5%; 17%; 19%.
Используя формулы Шези и Павловского и принимая
распределение скорости потока в поливной борозде по вертикали
соответствующим степенной зависимости с показателем степени 0,17, (гл. 2)
получим
^1,5^+0,33^,5^0,17
v40 = — .
"п
где R0 - гидравлический радиус потока в головной части борозды, м;
/ - уклон;
пп - коэффициент шероховатости в формуле Павловского,
202
А - высота выступов геометрической шероховатости русла, м.
1
Ко
,з/0-5
1,5^+2,18
где <7о - расход воды в головной части борозды, м"/с.
Методы расчета донной размывающей скорости (уЛр), высоты
выступов шероховатости (Л) приведены в гл.2, а их конкретные
значения - в табл. 10.1. Выбор значения коэффициента шероховатости («п)
осуществляется методом подбора, изложенным в разделе 10.2.1.
Суммарную ширину потоков воды в створе х, замыкающем снизу
площадку в 1 га (Вх), выражают следующим образом:
ч4
1.1-10 ,
Вг=- АН
1-
/л/ЙхГ
х т у
где Н - глубина потока в головной части борозды, м (Я = 1,1 Rq).
Орошение дождеванием - более совершенный и прогрессивный
способ орошения. В принципе технология орошения дождеванием
должна быть такова, чтобы сток и смыв почвы не имели места. Опыт
показывает, однако, что на полях, орошаемых дождеванием, часто
формируется поверхностный сток и наблюдается смыв почвы. В то же время
процессы эрозии почв при орошении дождеванием, особенно в случае с
машинами периодического действия, изучены недостаточно. Для оценки
величины возможных потерь почвы от эрозии при орошении
дождеванием может быть использована приведенная выше модель Ц.Е.Мирцхулавы
при условии допущения постоянства интенсивности искусственного
дождя по территории орошаемого поля и во времени.
7.5 Прогнозирование ветровой эрозии почв
Одна из первых методик расчета возможных потерь почвы от
ветровой эрозии, так называемое "уравнение ветровой эрозии",
позволяет прогнозировать потери почвы в зависимости от ряда факторов:
Q = / (Е, I, К, С, L, V),
где Q - возможные потери почвы от ветровой эрозии за год с единицы
поверхности;
Е - дефлируемость почв, зависящая от ее комковатости (А) и наличия
почвенной корки, учитываемой коэффициентом Fs;
I - уклон;
К - коэффициент бороздковой шероховатости;
С - климатический индекс ветровой эрозии почв, зависящий от средней
скорости ветра (Vz) и влажности почвы (W);
203
Таблица 7.14
Потенциальные потери почвы от дефляции (£, в американских тоннах с акра) в
зависимости от ее комковатости, А
А,%
д
е
с
я
т
к
и
0
10
20
30
40
50
60
70
SO
Единицы
0
_
134
98
74
56
38
21
12
2
/
310
131
95
72
54
36 _
20
11
2
250
128
92
71
52
33
19
10
3
220
125
90
69
51
31
18
8
4
195
121
88
67
50
29
17
7
5
180
117
86
65
48
27
16
6
6
170
113
83
63
47
25
16
4
7
160
109
81
62
45
24
15
3
8
150
106
79
60
43
23
14
3
9
140
102
76
58
41
22
13
2
ПРИМЕЧАНИЕ. Если поверхность покрыта коркой, то Е составляет примерно
1/6 от табличного значения, независимо от гранулометрического состава.
1 американская тонна на 1 акр равна 2,24 т/га
L - длина незащищенной части поля в направлении ветра;
V - почвозащитный эквивалент растительного покрова и пожнивных
остатков.
V = R S К0,
где R - масса растительного покрова или пожнивных остатков на
единице площади;
S - коэффициент, учитывающий суммарную поверхность элементов
растений;
Ко - коэффициент, учитьшающий пространственное размещение
растений.
Поскольку определение S и Ко представляет собой весьма
сложную задачу, предложены номограммы и уравнения для расчета V на
основании R для разных видов растительности и пожнивных остатков.
Решение этого уравнения относительно Q, т.е. определение
возможных потерь почвы, осуществляется методом последовательных
приближений с использованием уравнений, номограмм и таблиц,
раскрывающих связь между переменными. На первом этапе по известной
комковатости почвы. А. определяют дефлируемость почв. Е (табл. 7.14).
Под комковатостью понимают характеристику механической
прочности агрегатов и их распределения по размерам, выраженную в
виде процентного содержания в почве агрегатов крупнее 0,84 мм. Ее
определяют по стандартной методике. Для этого из поверхностного слоя
почвы @-2,5 см) с площадки, выбранной случайным образом,
отбирается образец весом 1812 г D фунта). После высушивания до воздушно-
204
сухого состояния образец помещают в цилиндрическое сито и
прокручивают цилиндр со скоростью 2 оборота за 5 с. Поверхность цилиндра
состоит из сетки с квадратными ячейками размером 0,84 х 0,84 мм.
Диаметр цилиндра 21,6 см, высота 51 см. Частицы мельче 0,84 мм
просыпаются сквозь сито в подставленную емкость. После требуемого числа
оборотов сита эти частички взвешивают и рассчитывают их содержание
в исходном образце. Число оборотов сита зависит от
гранулометрического состава почвы:
• песок, супесь, песчанистый суглинок - 5 оборотов;
• суглинок, пылеватый суглинок, иловатый суглинок, пьиевато-
иловатый суглинок - 10 оборотов;
• глина, пылеватая глина - 15 оборотов.
Указанные градации почв по гранулометрическому составу,
совпадая по названию с принятыми в России, отличаются от них по
существу, так как основываются на американской классификации
гранулометрических элементов почвы.
Дефлируемость почв Е представляет собой возможные потери
почвы от ветровой эрозии за год с единицы поверхности поля при
стандартных условиях. Стандартным условиям соответствуют:
• значение климатического индекса ветровой эрозии почв С,
рассчитанное по данным о скорости ветра Vz и сумме осадков Р для
города Гарден Сити, штат Канзас, США, за 1954-1956 гг.;
• отсутствие на поле противоэрозионных борозд и гребней;
• отсутствие ветроломов (полезащитных лесополос, инженерных
сооружений и т.п.) по краям поля;
• отсутствие на поле бугров, холмов и других крупных неровностей;
• отсутствие взвешенных почвенных частиц в набегающем потоке;
• бесконечная длина поля;
• отсутствие растительности или пожнивных остатков;
• отсутствие почвенной корки.
Следовательно, по результатам первого этапа решения
"уравнения ветровой эрозии" можно записать Q\ = Е.
На втором этапе, вводя коэффициент Fs, учитывают влияние
почвенной корки. Наличие корки слабо сказывается на величине
среднегодовых потерь почвы, так как она довольно быстро разрушается в
результате абразии. Поэтому принимают, что Fs = 1. Если уравнение
применяют для расчета потерь почвы за короткий промежуток времени и
почва в исходном состоянии полностью покрыта коркой, то независимо
от ее гранулометрического состава принимают Fa = 1/6. На этом этапе
можно рассчитать величину 0.2 = Е Fs.
205
На третьем этапе с помощью номограммы (рис.7.3) учитывают
влияние крупных бугров или холмов, расположенных на поле. Для этого
из точки на абсциссе, соответствующей известному уклону /,
восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой а в случае вершины
холма или b в случае верхней трети наветренного склона длиной менее
500 футов A52 м) и находят ординату /5 точки пересечения, которая
представляет собой коэффициент учета длины склона. Например, если /
= 5%, то для случая с вершиной холма (кривая a) /s = 2,5. Для склонов
длиннее 500 футов принимают /s = 1, поскольку потери почвы с
длинных склонов практически не отличаются от потерь с горизонтальных
участков. На третьем этапе можно рассчитать величину Qj = Е Fs /s.
На четвертом этапе
/
S
4
3
г
Ь5
Ж
11
llllli
lllli
—. J ЩШ
! -тНйтГ
1 г--'^пи П11
Lrrf B*s ^ ' 11 1 1111
=
/
~
Z.
тг
¥
/
г
/
z
/
/
,- -^
г
учитьшают влияние скорости
ветра Vz и влажности
почвы W. Известно, что
перенос почвы ветром прямо
пропорционален кубу
скорости ветра и обратно
пропорционален квадрату
влажности почвы. Поэтому в
качестве комплексного
показателя влияния этих величин на
потерю почвы выбран
местный климатический индекс
ветровой эрозии, в основе
которого отношение куба
средней скорости ветра на
флюгере метеостанции к квадрату влажности почвы. Данные по средним
месячным и годовым скоростям ветра имеются в климатических
справочниках, а данных по влажности почвы в них нет. Поэтому в качестве
показателя влажности почвы используют Р^щдекс. предложенный Торнт-
вейтом. Для условий Северной Америки его можно рассчитать по
формуле, справедливой в диапазоне от -1,1 до +32,2°С :
1,5 2 3 4 5 <$ 8 S,%
Рис. 73. Влияние крутизны склона на потери почвы
от дефляции
РЕ
\2
индекс=0'3162
/=1
(
79
v 1,87} +22
где Ps - среднее месячное количество атмосферных осадков, мм;
Fi - средняя месячная температура воздуха, °С.
В результате климатический индекс ветровой эрозии почв
рассчитывают по формуле
206
с =
3,86 V,
К
0,8
0,6
0,4
О 1 Z 3 4 5 6 7 Ъ Кт
Рис. 7.4. Зависимость коэффициента
бороздковой шероховатости от
эквивалентной высоты гребней
\
\
\
/
/
(Ю "^индекс)
где Vz - средняя годовая скорость ветра, м/с.
В результате выполнения четвертого этапа можно рассчитать
величину 24 = Е Fs h С.
На пятом этапе с помощью
номограммы (рис. 7.4) учитывают влияние
относительно крупных элементов
шероховатости таких, как гребни, борозды,
валики, значительно превышающих по
величине почвенные агрегаты.
Аэродинамическое сопротивление и
почвозащитная эффективность таких элементов
зависят от их формы, высоты /г,
ширины Ь, расстояния друг от друга d,
отклонения продольной оси от
направления ветра и от агрегатного состава
почвы, из которой они состоят. Для любой
почвенной поверхности, покрытой
неровностями произвольного размера и
формы, можно опытным путем с помощью полевой аэродинамической
установки подобрать эквивалентную по аэродинамическому
сопротивлению и почвозащитной эффективности так называемую стандартную
поверхность. Под стандартной подразумевают поверхность поля, покрытую
стандартными гребнями (М>=1/4), расположенными на стандартном
расстоянии (h/d=l/4) перпендикулярно направлению ветра. Показателем
относительной эффективности гребней может служить их эквивалентная
высота Kt. По физическому смыслу Кх есть высота стандартных
гребней h при их стандартном расположении. Если стандартные гребни
разнести на расстояние большее, чем стандартное, их эквивалентная
высота уменьшится, что отражает изменение их почвозащитной
эффективности. Это же справедливо по отношению к любым гребням, отличным
от стандартных. В общем случае, если h/d>V4, то Kr = h, если Ш<\/4,
то Кг = п\—:—\ = .
\d 4) d
Имея эквивалентную высоту гребней КТ, можно по номограмме
(рис. 7.4) получить соответствующее ей значение коэффициента
бороздковой шероховатости К, учитывающего снижение потерь почвы под
влиянием гребней борозд. Номограмма получена для скорости ветра 22 м/с
207
на высоте 15 м, направленного под углом 45° к оси гребней. По
результатам выполнения пятого этапа можно рассчитать величину
Qs = EFSISC К.
На шестом этапе учитывают влияние протяженности L в
направлении ветра участка поля, не защищенного ветроломами,
расположенными по краям этого поля: L = L/ - Lb- Величину Lf определяют по
топографическому плану поля на основе данных о направлении ветра.
Величину Lb рассчитывают на основании данных о ветроломе. Если в
качестве ветролома выступает полезащитная лесная полоса высотой Я,
то величину Lb в первом приближении принимают равной 10Я. Имея
значение L и величину Qs, по
номограмме с подвижной
шкалой (рис. 7.5) находят величину
Qe, т.е. величину возможных
потерь почвы от ветровой эрозии с
реального поля, лишенного
растительное™.
Для этого на подвижной
оси ординат номограммы (рис.
7.5) отмечают величину Q5,
например, равную 80. Подвижную
ось ординат прикладывают к
неподвижной оси ординат графика
так, чтобы данная величина на
подвижной оси совпала с
величиной в два раза большей, т.е.
160, на неподвижной. Затем
находят точку пересечения кривой,
соответствующей величине 160,
с перпендикуляром,
восстановленным из точки на оси
абсцисс, соответствующей длине L, например 100 футов A фут = 0,3048 м).
Из точки пересечения опускают перпендикуляр на подвижную ось
ординат и снимают отсчет бе, в данном случае 50 американских тонн с акра
в год.
Последний этап - нахождение потенциальных потерь почвы с
поля за год с учетом растительности или растителжных остатков Qj по
номограмме (рис. 7.7). На оси ординат здесь отложены значения Q-i, a
на оси абсцисс - Q6. Каждому виду и количеству растительности и
растительных остатков поставлена в соответствие строго определенная
величина почвозащитного эквивалента. Определив эту величину с
помогу,;
JSO-1
360-
J40-
«0-
30 О-
120-
■со-
ао-
SO-
40-
%>0
Рис. 7.5. График с подвижной шкалой для учета
длины поля
208
щью графиков (рис. 7.6; 9.1) g.i03
или уравнений, можно,
наконец, воспользоваться гра-
2 5
фиком рисунка рис. 7.7.
Допустим, потенци- 2
альная потеря почвы равна
40 американским тоннам с j}s
акра (89,6 т/га). Требуется
определить потенциальные *
потери почвы при наличии п .
растительности,
почвозащитный эквивалент которой
равен 4000 фунтов на акр A
фуИТ на акр = 1,12 КГ/га). >'"<■'■ 7.6. График оля нахожоени»
На оси абсцисс находим ™««<™"™"™Р™ "'"ешщы
точку 40, восстанавливаем перпендикуляр до пересечение
нией, соответствующей 4000, и из точки пересечения он
дикуляр на ось ординат, где получаем 6 американских, то-
A3,44 т/га).
Поскольку все аргументы уравнения, за исклю>-
<ь,щп , | ■ нищ мм
200 '
100
70
fl,S / Z 3 4 5 6 НО 20 3040 60 iuwa
Рис. 7.7. График для нахождения потерь почвы от дефлж,.-.-.
том растительности
у
t -
/ .
_: - 2-
=::=:=:^::==;::::::
;_ лгл_
--VJ-/-- ^
«V J?
FAZ о* *
/ $4s
2-4-.- r&JC--
- 7 O^f-
J ij£
—-l-zsz :
2 x --
„t г ZZ
%Z ^tZ - -
L 2 II
-j-2
15-
V -
\z"--z\\\------zz"
14 Эрозия и охрана почв
ческого индекса ветровой эрозии С и крутизны склона / могут быть
изменены в результате хозяйственной деятельности человека, его можно
использовать не только для расчета потенциальных потерь почвы при
заданных значениях параметров Е, /, С, К, L, V, но и для определения
значений указанных параметров, необходимых для снижения потерь
почвы до требуемого уровня.
В течение многих лет рассмотренная модель служила основным
инструментом прогнозирования ветровой эрозии почв на Великих
равнинах. По мере накопления фактического материала и изменения систем
земледелия в модель были внесены изменения, позволившие расширить
возможности ее применения и рассчитывать потери почвы не только в
среднем за год, но и за более короткие промежутки времени. В
настоящее время на смену ей разрабатывается новая, более совершенная
модель WEPS (Hagen, 1991).
Помимо рассмотренной существует еще ряд методик
определения возможных потерь почвы от ветровой эрозии за год, а также
методики расчета потерь почвы за одно явление водной или ветровой эрозии
с использованием таких моделей, как CREAMS (Knisel, 1980),
ANSWERS (Beasley, Huggins 1982) и других. Метод математического
моделирования очень гибкий. Из частных моделей водной, ветровой и
ирригационной эрозии можно создать комплексную модель эрозии почв,
которая, в свою очередь, может стать частью модели продуктивности аг-
робиогеоценоза такой, например, как модель EPIC (Williams ei—aL,
1984).
8. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ ПРИ
ДОЖДЯХ И СНЕГОТАЯНИИ
Ускоренная антропогенная эрозия - результат нерациональной
хозяйственной деятельности человека. Однако высокий уровень
сельскохозяйственного производства - необходимое, но не достаточное
условие прекращения эрозионных процессов; в раде случаев требуются
специальные средства противоэрозионнои защиты. Системы земледелия на
склоновых землях должны иметь ярко выраженньш противоэрозионньш
характер. В засушливых районах защита почв от эрозии сочетается с
защитой от засухи, в районах с избыточным увлажнением - с
безопасным сбросом излишков воды (Сильвестров, 1972). По своим целям,
задачам и методам осуществления вся совокупность мероприятий по охране
почв условно делится на агротехнические, агролесомелиоративные,
гидротехнические и организационно-хозяйственные. Совокупность
взаимосвязанных, правильно размещенных в рельефе противоэрозионных
мероприятий, обеспечивающих эффективное снегозадержание,
равномерное снегораспределение и снеготаяние, задержание или безопасный
сброс жидкого стока, уменьшение смыва почвы до допустимых пределов,
прекращение оврагообразования и мелиорацию заовраженных
территорий, повышение плодородия эродированных почв и урожайности
сельскохозяйственных культур на них составляет противоэрозионньш
комплекс.
Механизм действия любого противоэрозионюго мероприятия
заключается либо в уменьшении скорости движения воды но склону,
либо в увеличении размывающей скорости потока. Первое достигается
путем сокращения расхода поверхностного стока, увеличешя
шероховатости поверхности, уменьшения микрорасчлененности склона, длины
линий стока воды и уклона на отдельных участках склона, второе - путем
211
повышения водопрочности структуры почвы, защиты ее от разрушения
каплями дождя и увеличения межафегатного сцепления, главным
образом, за счет связывающего действия корней растений.
8.1 Агротехнические протавоэрозионные мероприятия
Агротехнические нротивоэрозионные мероприятия затрагивают
несколько элементов системы земледелия, в первую очередь порядок
использования земли в севообороте и систему механической обработки. С
помощью этой группы мероприятий решают задачи защиты почв от
ударного действия дождевых капель, увеличения нротивоэрозионной
стойкости и впитывающей способности почв, сокращения объема и
интенсивности стока, снижения скорости течения воды во временных
руслах на поверхности почвы, предотвращения концентраши стока на
пашне, создания условий для безопасного сброса избытка талой или
дождевой воды. Наиболее широкие возможности здесь связаны с
использованием почвозащитной роли растительности и соверпюиствованием
всех элементов системы механической обработки почв.
8.1.1 Использование почвозащитных свойств растительности
Занятые пары
Чистый пар - наиболее опасный в отношении эрозии почв вид
угодий, поэтому в районах избыточного, достаточного и неустойчивого
увлажнения (лесная зона и северная лесостепь) следует вводить занятые
пары. В южной лесостепи на эрозиоиноопасных участках также следует
вводить занятые пары, а на менее опасных участках, а также
повсеместно в степных районах недостаточного увлажнения - чистые пары,
защищенные специальными противоэрозионными приемами.
Парозанимающей культурой может быть смесь овса с викой, горохом или
подсолнечником, клевер, эспарцет и др., а на эрозионно- менее опасных
участках - ранний картофель, кукуруза или подсолнечник на силос. Сиде-
ральные занятые пары используются в зоне достаточного увлажнения. В
качестве зеленого удобрения используются, главным образом на легких
почвах, бобовые культуры — люпин, донник белый, а также
крестоцветные: горчица белая, рапс, редька масличная.
Промежуточные и совместные посевы
Промежуточными называют культуры, которые возделывают на
пашне в промежуток времени свободный от возделывания основных
212
культур севооборота. Резко отличаясь по биологии и агротехнике от
основных культур севооборота, промежуточные культуры выполняют
роль утраченных элементов плодосмена в специализированных
севооборотах. Кроме того, занимая пашню в период отсутствия на ней
основных культур севооборота, промежуточные культуры выполняют
почвозащитную функцию, возможности которой трудно переоценить.
Применение промежуточных культур ограничено такими агроклиматическими
ресурсами, как вода и тепло. Успех их возделывания зависит от того,
насколько эффективно будут использованы "остатки" этих ресурсов
после основных культур, а это, в свою очередь, зависит от сроков и
качества выполнения всех видов полевых работ. В общем, посевы
промежуточных культур - это элемент весьма интенсивных систем и высокой
культуры земледелия (Лошаков, 1980).
По срокам сева различают озимые, поукосные, пожнивные и
подсевные (подпокровные) промежуточные культуры. Озимыми
называют культуры, высеваемые после уборки основной культуры в
конце лета - начале осени и убираемые на корм весной следующего года,
пожнивными - высеваемые после уборки зерновых, а поукосными -
высеваемые после скашивания одно- и многолетних трав и других
культур, убираемых на корм. Различие между пожнивными и поукосными
культурами лишь только в том, что после уборки трав времени для
вегетации промежуточных культур остается больше (кормовые травы часто
убирают раньше, чем зерновые культуры). Подсевными
(подпокровными) называют культуры, высеваемые весной вместе с основной
культурой (или подсеваемые под ее покров) и дающие урожай за счет
агроклиматических ресурсов послеуборочного (для основной культуры)
периода. Промежуточные культуры, возделываемые для целей
предотвращения эрозии почв, часто называют почвопокровными.
После уборки пропашных культур в августе или зерновых - в
июле-августе наступает эрозионноопасный период, когда почва не
защищена растительностью и когда для ее защиты применяют
промежуточные культуры. В качестве пожнивных и поукосных обычно применяют
кормовые культуры (суданскую траву, чину, кукурузу, подсолнечник), а
также некоторые озимые (рожь, тритикале, вику, рапс, сурепицу). В
качестве подсевных, высеваемых под покров основной культуры и
оставляемых на поле до осени после ее уборки, используют кормовой люпин,
сераделлу, райграс однолетний, донник белый. В совмещенных посевах
широко используют кукурузу с зернобобовыми, с сорго и суданской
травой; подсолнечник с горохом.
213
Промежуточные культуры защищают почву от эрозии, дают
дополнительный урожай, а также органический материал для запашки в
целях улучшения физических и химических свойств почвы.
Перекрестный и узкорядный посев
Узкорядные посевы более устойчивы к эрозии почв, чем
обычные при прочих равных условиях. Их применение приводит к
уменьшению стока на 20-30%, смыва почвы - на 25-50% и увеличению
урожайности зерновых культур на 1,5-2,0 ц/га. На расчлененных сложных
склонах особенно эффективен перекрестный посев, когда сеялка делает
первый проход вдоль склона, а второй - по контурам. Этот прием в
несколько раз снижает смыв почвы и обеспечивает прибавку урожая
зерновых культур за счет более равномерного распределения растений но
площади (Соболев, 1973; Каштанов, Заславский, 1984).
Полосное размещение культур на склоне
Буферные полосы, располагаемые в направлении, близком к
горизонталям, предназначены для распыления стока, замедления
скорости стекания воды и кольматации наносов. Их создают в виде узких
лент из многолетних и однолетних культур (озимой пшеницы, ржи, вики,
бобово-злаковых смесей) на нарах, на полях, занятых пропашными
культурами, а также в садах. Ширина буферных полос и расстояние
между ними определяются, главным образом, крутизной склона, а также
длиной и формой склона, свойствами почвы и характером
растительности на участках между буферными полосами. Для условий Молдавии
М.Н. Заславский A966) рекомендует на склонах крутизной 6-8°
создавать буферные полосы шириной 4-6 м с расстоянием между ними 30-40
м, а на склонах крутизной 10-12°, соответственно 8-10 и 20-30 м.
Ширина полос должна быть кратна ширине захвата сеялки. Расстояние
между полосами должно быть постоянным во избежание образования
клиньев.
Собственно полосное размещение культур, применяют для
защиты почв и от водной и от ветровой эрозии. Наиболее широко этот
прием применяют в районах распространения ливневой эрозии, в
частности в Молдавии. При увеличении крутизны склона ширину буферных
полос необходимо увеличивать. В случае, когда она становигся равной
ширине межполосного пространства, уже говорят о полосном
размещении культур и контурно-полосном земледелии. Обычно ширина полос
изменяется от 30 до 40 м.
214
Принцип полосного размещения культур используется и при
освоении склонов. Сначала склон распахивают полосами под многолетние
травы. Когда они достаточно разовьются, оставшиеся невспаханными
полосы между ними распахивают под однолетние культуры. После 2-3
лет пользования полосы многолетних трав расиахивают и используют
под однолетние, а многолетние травы переводят на место однолетних.
Таким образом, часть полос в любое время покрыта защищающей почву
растительностью.
Почвозащитные севообороты и улучшение естественных кормовых
угодий
Почвозащитными называют севообороты, которые, во-первых,
размещены на более эродированных частях склонов; во-вторых,
значительно насыщены почвозащитными культурами; в-третьих, связаны с
усиленным применением на их территории всех необходимых средств и
приемов противоэрозионной защиты (Сильвестров, 1972).
Место почвозащитных севооборотов на склонах определяется
их формой. Почвозащитные севообороты располагают в нижней части
выпуклых и прямых склонов, в средней части вьшукло-вогаутых и
несколько выше середины вогнутых (см. рис. 3.2).
Пар и пропашные культуры - наиболее опасны в отношении
эрозии почв, поэтому присутствие их в почвозащитных севооборотах
крайне нежелательно; однако при необходимости их нужно располагать
полосами и защищать специальными противоэрозионными приемами.
Для почвозащитных севооборотов подбирают культуры с учетом их
почвозащитной эффективности. Наибольшей почвозащитной
эффективностью обладают многолетние травы, далее следуют озимые и яровые
культуры, зернобобовые культуры и однолетние травы, затем зерновые и
крупяные культуры. Среди последних наименее эффективны культуры
поздних сроков сева (просо, гречиха).
Набор культур в севообороте зависит от природной зоны и
специализации хозяйства. Например, на черноземах и темно-серых лесных
почвах лесостепной зоны ВНИИЗиЗПЭ рекомендует применять такие
севообороты:
зерно-травяной (на склонах крутизной 3-5°) почвозащитный (на склонах круче 5°)
1) однолетние травы; 1-2) многолетние травы;
2) озимая рожь; 3) озимая рожь;
3) овес с подсевом многолетних трав; 4) овес с подсевом многолетних трав.
4) многолетние травы;
5) озимая пшеница.
Для получения хороших урожаев трав рекомендуются сложные
травосмеси из бобовых и злаковых культур. В настоящее время обраще-
215
но особое внимание на улучшение кормовых угодий. Это одновременно
мера укрепления базы животноводства и защиты почв от эрозии,
поскольку в районах, подверженных эрозии, основная часть кормовых
угодий занимает балки и крутые склоны. Из-за интенсивного бессистемного
использования этих земель их продуктивность обычно очень низха. При
освоении склонов под сеянные сенокосы и пастбища их продуктивность
повышается в 3-5 раз. Рекомендованы два вида улучшения естественных
кормовых угодий: 1) поверхностное улучшение, заключающееся в
проведении дискования и ранневесеннего боронования для разрушения
почвенной корки и сохранения влаги, щелевания, подсева многолетних
трав и внесения удобрений; 2) коренное улучшение, включающее
полосную вспашку и посев многолетних трав по пласту, внесение
органических и минеральных удобрений ( на смытых почвах рекомендуется
вспашка с почвоуглублением до 30-35 см).
Мульчирование
Мульчирование (от англ. mulch - "обкладывать соломой,
навозом") является одним из эффективных способов сохранения и
накопления влаги в почве, а также защиты почвы от эрозии. Мульчирующий
материал не только предохраняет почву от прямых ударов дождевых
капель, разрушающих ее структуру, вызывающих уплотнение верхнего
слоя и снижение его водопроницаемости, но и повышает шероховатость
поверхности и, следовательно, снижает скорость водных потоков.
Использование в качестве почвозапщтного покрытия
послеуборочных остатков оказывает огромное влияние на всю систему
земледелия. Во-первых, чтобы сохранить мульчирующее покрытие в
эффективном состоянии в процессе возделывания почв необходимо коренным
образом менять агротехнику - переходить на новую систему машин (более
подробно этот вопрос будет освещен в разделе 9.1.2). Во-вторых,
исходя из того, что послеуборочные остатки на поверхности почвы - это и
укрытие, и пища для вредителей и возбудителей болезней
сельскохозяйственных растений, необходимо применять систему профилактических
мероприятий. В-третьих, при внесении в почву соломы злаков (или при
оставлении ее на поверхности) необходимо иметь в виду, что вследствие
низкого содержания в ней азота почвенные микроорганизмы,
разлагающие солому, могут использовать азот почвы. Если иммобилизация
почвенного азота совпадает по времени с периодом интенсивного роста и
развития возделываемых (небобовых) растений, то они могут испытывать
азотную недостаточность. В стенных районах Северного Кавказа
оставление стерни без дополнительного внесения минеральных удобрений, в
216
особенности азотных, приводит к снижению урожая зерна (Извеков, Ры-
балкин, 1975). Поэтому ори мульчировании почвы соломой, ее
необходимо удобрять компенсационными дозами азотных удобрений, которые
колеблются от 0,25 до 1,5 кг азота на каждые 100 кг соломы (Авров,
Мороз, 1979).
Эффективность мульчирования зависит от площади
проективного покрытия поверхности мульчирующим материалом. Опыты показали,
что при одинаковом покрытии поверхности мульча из пожнивных
остатков пшеницы, кукурузы, сорго была одинаково эффективна. По данным
службы охраны почв США для эффективной защиты почвы от эрозии
рекомендуется вносить 2,5-5 т/га соломы или сена, 10-12,5 т/га
стержней кукурузных початков, 15-20 т/га навоза и другие мульчирующие
материалы. В качестве мульчи используется также жидкий навоз, взятый
из аэрируемых окислительных траншей. Установлено, что распределение
его но поверхности слоем толщиной 10-20 мм C,5-7 т/га твердого
вещества) более чем в два раза сокращает поверхностный сток, снижает
потери почвы и питательных веществ (Михайлина, 1977).
Начиная с 30-х гг., идет поиск и испытание в качестве
мульчирующих веществ продуктов промышленности - и побочных продуктов, и
специально создаваемых почвенных кондиционеров. Во-первых, это
обусловлено поисками приемлемых путей утилизации некоторых
побочных продуктов целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленностей,
во-вторых, поисками эффективных веществ, которые могли бы быть
использованы в качестве препаратов, оструктуривающих почву и
предохраняющих ее от разрушения водой и ветром.
Разновидностями мульчирующего материала можно считать
эмульсии латексов и смол в воде, полимерные материалы, отработанные
моторные масла, применяемые для повышения водопроницаемости почв,
а также их противоэрозионной и противодефляционной стойкости. В
настоящее время они нашли пока ограниченное применение: при
закреплении подвижных песков, для защиты почв от смыва при поливе по
бороздам, для уменьшения пылимости фунтовых аэродромов. В качестве
мульчирующего покрытия в горных садах на склонах используют гравий
и щебень.
8.1.2 Противоэрозионная обработка почвы
В зависимости от решаемых задач различают: основную
обработку, уход за парами, предпосевную обработку, посев (посадку) и
уход за насаждениями. Все виды обработки помимо основной своей
задачи должны выполнять и почвозащитные функции.
217
Обработка почвы и посев культур в направлении горизонталей
Вспашка, культивация, боронование и посев в направлении,
близком к горизонталям, являются наименее трудоемким способом
зашиты почв от эрозии. При этом фебни и борозды, располагаясь
перпендикулярно к направлению склонового стока, оказьшают наибольшее
возможное сопротивление движению воды, задерживают часть стока и
способствуют увеличению поглощения воды почвой. В районах
избыточного увлажнения, где нет необходимости в дополнительном накоплении
воды, обработку почвы следует проводить под небольшим углом к
горизонталям, чтобы обеспечить безопасный отвод излишков воды. В
районах неустойчивого и
недостаточного увлажнения
обработку почвы
желательно проводить строго по
горизонталям. Это возможно
при нагшчии легких
маневренных машин и орудий.
Современная
сельскохозяйственная техника
позволяет проводить обработку в
направлении, близком к
горизонталям. Для этого
используются два способа:
организация прямолинейно-
контурной обработки,
проводимой но отрезкам
прямых в направлении
горизонталей; выделение на склоне
полей или рабочих участков
с различным направлением
пахоты (рис.8.1).
На этом рисунке
представлены три варианта
размещения нолей на
двустороннем склоне
(Вервейко, 1971). В первом
варианте (а)
предусматривается расположение 2 и 3
Рис. 8 .1. Размещение попей на склоне „ исправление П0ЛеЙ ШИННЫМИ сторонами
обработки почв (отмеченное стрелками) ВДОЛЬ СКЛОНа, ВЬШуЖдаЮЩее
218
проводить обработку почвы в том же направления, что неприемлемо по
соображениям защиты почв от эрозии. Во втором варианте (б) с
контурным расположением границ полей обеспечивается наилучшая защита
почв от смыва, однако но технологическим и экономическим
соображениям он не всегда выполним. В третьем варианте (в) почва защищена
несколько хуже, чем во втором, однако, если учесть, что затраты на
обработку почвы в третьем варианте в 2,3 раза меньше, чем во втором, то
третий вариант (в) окажется оптимальным для хозяйства.
Многочисленные исследования поперечной обработки почвы,
проведенные в различных природных условиях, показали в общем ее
высокую нротивоэрозионную эффективность. Зяблевая пахота поперек
склона позволяет задержать дополнительно 5-8 мм влага и дает
прибавку урожая зерновых 2-4 ц/га. В результате уменьшается и смыв почвы,
особенно в маловодные годы. Однако известны случаи, когда поперечная
обработка приводила к увеличению стока и смыва почвы.
Необходимыми условиями противоэрозиошюй эффективности поперечной обработки
почвы являются:
• расположение борозд и гребней в направлении, близком к
горизонталям, что обеспечивает отсутствие больших, уклонов вдоль борозд;
• умеренная интенсивность дождя или снеготаяния, не приводящая к
переполнению вогнутых форм нанорельефа водой;
© сочетание поперечной обработки с глубокой пахотой,
обеспечивающее впитывание задержанной воды;
• крутизна склона не более 5-6° (оптимальным является уклон 2—3°; с
увеличением уклона емкость форм
нанорельефа уменьшается).
Глубокая вспашка и вспашка с
почвоуглублением
Увеличение глубины
обработки почвы приводит к повышению
водопроницаемости почвы и,
соответственно, к уменьшению стока воды и
смыва почвы. Вспашка на глубину 20-
22 см считается нормальной, а на 25-
27 см и глубже - глубокой.
Многочисленные опыты показали, что при
зяблевой обработке почвы углубление
пахотного слоя на 1 см приводит к
уменьшению стока на 0,8-4 мм. Такой широкий диапазон связан с осо-
5
4
3
2
/
а
-&h. мм
7
Камышин,!
1963 I
Новосиль,
I960
Каменная
^степь,1955
Каменная
степь, I960
Тимашево,
1957
D.cm
_1
10
20
30 40
Рис. 8.2. Влияние глубины зяблевой
обработки на уменьшение стока (Сурмач,
1976)
219
бенностями зимы и с глубиной обработки. Глубокая обработка наиболее
эффективна в многоводные годы. В маловодные годы, когда сток
небольшой, ее эффективность мала. Обработка почвы на малую глубину
F-8 см, например при лущения стерни) слабо влияет на сток.
Увеличение глубины обработки, особенно в диапазоне 15-25 см, приводит к
резкому сокращению стока. В диапазоне 25-27 см эффективность этого
приема падает (рис. 8.2). Наибольшее сокращение стока вызывает
углубление пахотного слоя в диапазоне 22-30 см. Окультуривание почвы
приводит к увеличению эффективной глубины вспашки. При
гидрологических расчетах эффективность почвоуглубления принимают
постоянной, равной снижению слоя стока на 1,2 мм при углублении на 1 см.
На смытых почвах
рекомендуется проводить глубокую
обработку плугом с почвоуглубителем
(рис. 8.3) или плугом с вырезным
отвалом, чтобы не выворачивать на
поверхность малоплодородные
глубокие горизонты почвы.
s 4 з г г На черноземах и каштано-
Рис. 8.3. Устройство плуга с почвоуглубите- ВЫХ ПОЧВЭХ ЗаВОЛЖЬЯ Зяблевая
лем: 1 - дисковый нож; 2 - предплужник; вспашка на глубИНу 27-30 СМ В На-
3 - лемех корпуса; 4 - полевая доска;
5 - почвоуглубитель; 6 - отвал; 7 - стойка Правлении, СЛИЗКОМ К ГОрИЗОНТаЛЯМ,
обеспечивает полное поглощение талой воды в 8-9 случаях из 10, а па
черноземах Центральной полосы - в 7. В остальных случаях сток
значительно снижается (Сурмач, 1976). Причина этого становится ясной, если
вспомнить, что весенний сток 10%-й обеспеченности составляет в зоне
каштановых почв лишь 15-20 мм, а в зоне черноземов - 80 мм.
Глубокое полосное рыхление почвы
Глубокая вспашка весьма эффективное, но энергоемкое
мероприятие. Поэтому такую вспашку можно проводить через 2-3 года,
чередуя ее с обычной вспашкой. Кроме того, в целях экономии средств
вместо сплошной глубокой обработки рекомендуется обычная вспашка с
последующим глубоким рыхлением полосами. Этот метод изучали в
Молдавии в целях предотвращения эрозии от ливневых осадков на
парах, ранней зяби, а также при весенней обработке полей под посев
кукурузы (Каштанов, Заславский, 1984). Ширина полос 1,2-3,5 м,
расстояние между ними 10-15 м. Использование этого приема сокращает
смыв почвы в 1,5-2,5 раза и увеличивает урожайность зерна кукурузы на
4-16 %.
220
Ступенчатая вспашка
Сущность ступенчатой вспаш-
ки заключается в создании ступенчатой
формы плужной подошвы и
чередующихся борозд разной глубины на
поверхности почвы, затрудняющих внуг-
рипочвенный и поверхностный сток. Ее у/Шу* N—--\ яшш. , ,
проводят четырехкорпусным плугом, 10-15 см
причем ВТОРОЙ И Четвертый Корпуса ус- Рис. 8.4. Схема работы четырехкор
ТаНОВЛеНЫ На Обычную Глубину, а Пер- пУсного тУга пРи ступенчатой вспашке
вый и третий - на 10-15 см глубже (рис. 8.4). По данным И.С.Шатилова
применение ступенчатой вспашки задерживает в среднем 100-120 м3/га
A0-12 мм) воды, уменьшает смыв почвы на 5,8 м3/га, увеличивает
урожайность зерновых на 2,4 ц/га (Каштанов, Заславский, 1984).
S.I.3 Способы водозадерживающей обработки почв
Создание противоэрозионного нанорельефа
На склонах крутизной более 2-3°, где эффективность
поперечной обработки почв снижается, необходимо проводить дополнительные
водозадерживающие мероприятия. Часть из них основана на создании
водозадерживающих углублений (лунок, борозд, микролиманов) на
поверхности почвы. Лункование
проводится на зяби и парах
специальным орудием, лункообразовате-
лем, или приспособленными для
этой цели дисковыми
лущильниками с эксцентрично
установленными на оси дисками (рис. 8.5).
Длина лунок 110-120 см, ширина 35-
50 см, глубина 12-15 см. На
каждом гектаре образуется до 13 тыс.
лунок общей емкостью 250м3/га
при угле атаки дисков (а) 30°.
Объем лунок уменьшается при
увеличении крутизны склона и
уменьшении угла атаки дисков. D „ с _ , . ,
J J Рис. 8.5 Схема лункователя: 1 - 4 - сфери-
При образовании лунок агрегат ческие диски: D. гауб,Ша лунки; а - угол
ДОЛЖеН работать В направлении, атаки диска; е - смещение оси диска
относительно оси вала
221
близком к горизонталям, чтобы обеспечить расположение лунок в том
же направлении во избежание их прорыва.
Прерывистое бороздование проводят с помощью специального
приспособления,
агрегатируемого
с плугом,
кукурузной сеялкой,
пропашными или
паровыми
культиваторами.
Рабочим органом
является трех-
Риг. 8.6. Присобление к плугу для устройства перемычек.: I - кор- ИЛИ ЧСТЫрехЛО-
пус плуга; 2 - крыльчатка; 3 - дисковый нож; 4 - предплужник паСТНЗЯ КРЫЛЬ-
чатка; ее лопасти жестко закреплены иод углом 120 или 90° (рис. 8.6).
Вертикальная лопасть крыльчатки сгребает почву в борозде,
образованной корпусом плуга с укороченным или снятым отвалом. После того,
как накопится достаточно почвы для образования перемычки, что
соответствует одному обороту опорного колеса плуга, опорный ролик
освободит лопасть крыльчатки, и она провернется на 1/3 или 1/4 полного
оборота, соответственно конструкции. При проворачивании крыльчатки
происходит формирование перемычки. Прерывистое бороздование
проводится одновременно со вспашкой зяби или паров, а также в
междурядьях пропашных культур, например, кукурузы при их культивации.
Размеры борозды: длина 80-100 см, ширина 35-40 см, глубина 10-15
см. Средняя емкость прерывистых борозд 300 м3/га.
Данные по эффективности лункования и прерывистого бороздо-
вания довольно противоречивы. Однако в первом приближении можно
принять, что указанные мероприятия сокращают, в среднем,
поверхностный сток на 10-17 мм, смыв почвы на 4 т/га, а урожайность зерновых
поднимают на 1-2 ц/га.
Микролиманы представляют собой небольшие площадки,
окаймленные валиками высотой 20-22 см с перемычками через 1,4 м и
расстоянием между ними 70 см. Их поделка осуществляется более широкой
крыльчаткой G00 мм), актирующейся с плугом, у которого первый
корпус имеет удлиненный отвал. Число микролиманов на 1 га достигает
4100, а суммарная емкость -700 м3/га.
Для уменьшения поверхностного стока и смыва на зяби и нарах
применяют также обвалование, которое обычно производится
одновременно со вспашкой. Для этого на предпоследнем корпусе плуга
устанавливают удлиненный отваж, создающий борозды и валики высотой 20-25
222
см, расположенные на расстоянии 140-170 см друг от друга. Во
избежание стока вдоль валиков применяют фигурное обвалование, при
котором через каждые 25-50 м хода делают дугообразный поворот агрегата
вверх по склону, а затем переводят его в нормальное положение.
Эффективность создания микролиманов и обвалования примерно та же, что
и другах методов создания водозадерживающего наиорельефа.
Все искусственно созданные микроформы мигают свой объем к
весне из-за насыщения водой и оплывания почвы, поэтому лункование,
прерывистое бороздование, создание микрслиманов и обвалование
почвы эффективны лишь на достаточно водопрочных почвах. Следует
также учитывать, что поделка углублений приводит к увеличению
поверхности почвы, что может повлечь дополнительные потери влаги на
испарение. Поэтому весной необходимо как можно быстрее заровнять
поверхность и провести закрытие влага боронованием. Эффективность
этих приемов зависит также от крутизны склона. На «слонах крутизной
более 4-5° их применение нецелесообразно. Более того, оно может
привести к формированию концентрированного стока и развитию линейных
форм эрозии в случае прорыва микроформ в верхней части склона.
Поэтому применение указанных мероприятий целесообразно сочетать с
поделкой водоотводных борозд.
Поделка водоотводных борозд
Борозды нарезают осенью по зяби, стерне и на озимых посевах
навесным бороздоделом БН-300, рабочими органами которого являются
лемех и метатели для отбрасывания почвы равномерным слоем на
расстояние до 10 м или сменным корпусом плуга с удлиненным отвалом.
Глубина водоотводных борозд 18-22 см, ширина по верху 40-48 см,
заложение откосов 1:1 (Каштанов, Заславский, 1984). Борозды обычно
нарезают на расстоянии 50-100 м друг от друга в зависимости от
рельефа местности и условий стока под углом 25-30° к горизонталям. При
этом фактический уклон борозд оказывается в 3-4 раза меньше уклона
склона. Однако на крутых склонах, занятых ценными культурами
(например табаком), расстояние сокращают до 6-7 м. Длина
водоотводных борозд с односторонним сбросом до 200-250 м. При большей иш-
рине склона бороздам придают двусторонний уклон, направляя их в
противоположные стороны.
Расстояние между водоотводными бороздами можно рассчитать,
исходя из условия неразмываемости пространства между ними. Если в
уравнении B.24) заменить донную скорость движения воды (Vu ) на
донную допустимую скорость (Кдд0П) можно легко получить длину неэро-
223
дируемого участка склона или допустимое (по условию неразмываемости
почвы) расстояние между водоотводными бороздами или водозадержива-
ющими валами 0сдоп).
Из водоотводных борозд вода сбрасывается -в места, безопасные
в эрозионном отношении, например, в задернованные или облесенные
ложбины, лощины, балки. Если таких мест нет, на склонах создают
искусственные залуженные водосбросы. Они представляют собой
корытообразные ложбины шириной 10-15 м, засеянные многолетними травами,
такими, как кострец, мятлик луговой, овсяница луговая и др.
Водосбросы рассчитываются на сток 5-10% обеспеченности, исходя из условий
неразмываемости и пропускной способности русла. Из водосбросов вода
поступает в балки, поймы рек, пруды. По данным ИД.Брауде A976)
устройство водоотводных борозд в 3-5 раз уменьшает смыв серых лесных
почв.
Щелевание
Щелевание заключается в поделке специальными орудиями
узких и глубоких щелей. Применяют его обычно на зяби, посевах озимых,
сенокосах и пастбищах. Глубина щелей может быть от 15 до 60 см, а
расстояние между ними 100-150 см. Рабочим органом служат ножи-
щелерезы, устанавливаемые обычно на раму плуга или шюскореза-
глубокорыхлителя. Щелевание можно производить также кротователем
без дренера. Оно особенно эффективно на мерзлых почвах с ледяной
коркой на поверхности. Если весной перед самым стоком нарушить
верхний мерзлый 20-30-сантиметровый слой, насыщенный льдом,
водопроницаемость почвы резко увеличится. Весеннее щелевание мерзлой
почвы особенно эффективно в степных и лесостепных районах на
черноземах, где глубина промерзания почвы сравнительно небольшая, а её
водопроницаемость достаточно высокая. Этот прием позволяет увеличить
запасы влаги в почве на 30-35 мм, уменьшить смыв, в среднем, на 9 т/га
(Иванов, 1988) и повысить урожайность зерновых на 4-5 ц/га.
Существенного увеличения эффективности щелевания можно добиться путем
заполнения щели измельченными растительными остатками или торфом.
С этой целью щелеватель оснащают устройствами, необходимыми для
подачи заполнителя из грузовой тележки в щель (рис. 8.7).
Кротование
Под естественной древесной или травянистой растительностью в
почве формируется сеть пустот от сгнивших корней и ходов землероев,
обеспечивающих беспрепятственное просачивание талых и ливневых вод
224
в глубину почвы. Сведение леса и
распашка земель приводит к
постоянному засыпанию и заиливанию этих
пустот, в результате чего
водопроницаемость почвы резко понижается.
Путем специальной обработки удается
создать искусственную сеть пустот. В
этом и заключается сущность крото-
вания. При протаскивании дренера на
ГЛубИНе 35-40 СМ, а ИНОГДа И глубже, Р"с- 8-7- Схема агрегата для щелеват?.
с заполнением щели торфом; I - торф;
создаются кротовины, круглые ходы ., > . ,
r rJ 2 - транспортер продольный; 3 - регу-
ДИамеТрОМ 6-8 СМ, Залегающие на ПО- лятор глубины; 4 - грядиль; 5 - рабочий
СТОЯННОЙ ГЛубИНе (рИС. 8.8). орган; 6 - кожух; 7 - транспортер по-
КроТОВаНИе ПРОИЗВОДИТСЯ ОД- пеРечный- 8 ~ битеры
новременно со вспашкой зяби, для чего на одном или двух корпусах
плуга ставят кротователи. При вспашке с кротователем в подпахотном
горизонте образуется вертикальная щель, через которую вода поступает
в кротовину. Однако при весеннем снеготаянии одно кротование не
всегда оказывается достаточно
эффективным, так как кротовины находятся в
мерзлом слое и оттаивают в последнюю
очередь. В этом случае целесообразно
проводить кротование одновременно с
поделкой микролиманов. Весной, когда снег
начинает оседать, открываются гребни
земляных валиков, по ним оттаивание
идет вглубь и достигает кротовины.
Сочетание этих двух приемов задержания
влаги в условиях Татарии привело к
уменьшению ПОВерхНОСТНОГО СТОКа В ДВа (на Рис. 8.8. Схема кратовального уст-
330 М3/га), а СМЫВа ПОЧВЫ - В три раза ройства к плугу: I - стойка дрене-
(Шакиров, 1969). Кротовины оказывают- № 2 - дремр; з - уширитель
Корея эффективным средством накопления
влага и в летний период во время дождей.
пуса (кротовина); 4 - полевая доска
Снегозадержание и регулирование снеготаяния
Огромное влияние на интенсивность эрозии в период весеннего
снеготаяния оказывает неравномерность накопления снега на склоне.
Для удержания и равномерного распределения снега на склоне
применяют различные приемы. Наиболее простым из них является использо-
15 Эрозия и охрана почв
225
вание кулис, представляющих собой один или несколько рядков
высокостебельных растений (подсолнечника, кукурузы, горчицы, сорго и
др.), оставляемых на зиму. Кулисные насаждения не относятся к разряду
промежуточных, так как по технологии возделывания и воздействию на
почву они не выполняют роли заместителей утраченных элементов
плодосмена в севообороте. Единственное их назначение - защита почв и
посевов и накопление влаги (за счет снега). Наилучшие результаты
получают при устройстве двух-трехрядных кулис на расстоянии 10-12 м
одна от другой. (О технологии создания кулис см. раздел 9.1.1.)
Хорошие результаты дают также стерневые кулисы, которые
представляют собой полосы стерни шириной 60 см, высотой 35-40 см на
расстоянии б м друг от друга, остающиеся после уборки урожая
зерновых культур с использованием специальной жатки (Каштанов,
Заславский, 1984).
Одним из наиболее эффективных приемов снегозадержания
является снегопахота, которую начинают при высоте снежного покрова 8-
12 см и проводят 2-3 раза за зиму, преимущественно во время
оттепелей. Используемый для этого снегопах-валкователь представляет собой
прицепное орудие с двумя съемными лемехами с Отвалами,
работающими вевал, снабженное двумя лыжами, предназначенными для сохранения
защитного слоя снега при работе на посевах озимых культур и
многолетних трав. С помощью снегопаха формируют снежные валы с
наклонными стенками высотой от 40 до 70 см, располагая их поперек
господствующих ветров или перекрестно на расстоянии 5-10 м один от другого
на нижних частях склонов южной и западной экспозиции и 15-20 м - на
верхних частях этих склонов, а также на склонах северной и восточной
экспозиции. Весьма эффективным приемом является также поделка раз-
гребных полос в снежном покрове, осуществляемая с помощью
бульдозера или снегопаха клиновидной формы (Каштанов, Заславский, 1984).
Недостатком снегопахоты является то, что в ветреные зимы снежные
валы разрушаются и снег уносится с полей. В этом случае большой
эффект дает полосное уплотнение снега, особенно при проведении его в
период оттепелей. Оно способствует накоплению дополнительного
количества снега на уплотненных полосах, растягивает период снеготаяния
и, следовательно, уменьшает его среднюю интенсивность. Кроме того
уплотненные снежные полосы уменьшают скорость стекания воды и
задерживают смытую с проталин почву. В Московской обл. использование
этого приема уменьшало скорость стекания талых вод в 2-4 раза и
сокращало смыв почвы почти на 60% (Каштанов, Заславский, 1984). Для
полосного уплотнения снега используют тяжелые водоналивные катки,
заполняя их сухим песком или 35-40%-м раствором калийной соли.
226
Ширина полос 3-^,5 м, расстояние между ними зависит от крутизны
склона и мощности снежного покрова; обычно оно составляет 5-8 м.
Регулировать снеготаяние можно также путем полосного
обнажения почвы или зачернения снега золой, торфом, почвой полосами
шириной 2-3 м с расстоянием между ними 5-15 м. На зачерненных
полосах проталины образуются быстрее, а снег сходит на несколько дней
раньше, чем с незачерненпых. При этом запасы влаги в почве
увеличиваются на 10-15 мм, смыв почвы уменьшается, в среднем, на 2 т/га
(Иванов, 1988), а урожайность зерновых повышается на 1-3 ц/га.
8.2 Агролесомелиоративные прогивоэрозионные мероприятия
8.2.1 Общие представления
Агролесомелиорация - раздел мелиорации, охватывающий
вопросы улучшения природных условий сельскохозяйственных угодий
защитными лесными насаждениями. Мелиорирующая роль лесных
насаждений велика и многообразна. Она выражается в улучшении водного и
температурного режимов сельскохозяйственных угодий, повышении нро-
тивоэрозионнойипротиводефкяцип'.шой стойкости йочв, ен&жешш
интенсивности воздействии на почвы водных и воздушных потоков.
Степень выраженности тех или иных мелиоративных функций лесного
насаждения зависит от сочетания природных условий в месте его
нахождения и от характеристик самого насаждения. Сочетание природных
условий обусловливает мелиоративную направленность лесного насаждения
и, следовательно, требования, которым оно должно отвечать.
На равнинных водораздельных пространствах практически во
всех природных зонах существует опасность проявления ветровой
эрозии почв. Поэтому основное назначение ленточных лесных насаждений
на водораздельных пространствах, полезащитных лесных полос, -
снижение скорости ветра и турбулентного обмена в приповерхностном слое
атмосферы. Механизм действия, способы создания, принципы расчета
систем полезащитных лесных полос, а также ассортимент и
биологические особенности древесных пород, рассмотрены в 4 и 9 главах.
Полезащитные лесные полосы не только предотвращают ветровую эрозию
почв, но и способствуют уменьшению вредного воздействия суховеев, а
также накоплению и равномерному распределению снега на полях.
На приводораздельных склонах помимо опасности ветровой
эрозии почв возникает опасность смыва и размыва почв. Поэтому лесные
насаждения на склонах помимо почвозащитных должны выполнять и
функции по перехвату поверхностного стока дождевых и талых вод и
227
переводу его полностью или частично во внутрипочвенный сток. Чем
больше опасность эрозии почв (т.е. чем длиннее и круче склон при
прочих равных условиях), тем больше внимания следует уделять
обеспечению возможности вьшолнения лесополосой своих стокорегулирующих
функций. На практике это реализуется в том, что на склонах круче 2°
ленточные лесные насаждения ориентируют в направлении
перпендикулярном линии стока, без учета направления ветра. Такие насаждения
называют стокорегулирующими лесными полосами.
На землях, прилегающих к оврагам и балкам, существует
повышенная опасность концентрации поверхностного стока и связанная с
ней опасность роста оврагов. Поэтому лесные полосы должны быть
приспособлены для перехвата концентрированного стока, перевода его
полностью или частично во внутрипочвенный. Лесные полосы,
расположенные вдоль бровки балки, называют прибавочными, а полосы,
расположенные вдоль бровки оврага или его вершины, называются
приовражными.
Днища оврагов и балок, на водосборах которых сток не
зарегулирован, являются местом переноса и отложения почвы, смытой с полей
на водосборах. Одним из эффективных способов задержания твердого
стока в пределах балок, затухающих оврагов и их конусов выноса
является насаждение деревьев и кустарников. Защитное лесное насаждение
по дну и склонам оврагов, балок, ложбин, предназначенное для
задержания наносов, называется кол&матирующим лесным насаждением.
Помимо перечисленных существует множество видов лесных
насаждений, различающихся по конструкции, составу пород, размерам,
форме, способам выращивания и поддержания в "рабочем" состоянии
(более подробные сведения о некоторых из этих вопросов см. в главе 9).
8.2.2 Стокорегулиругощие лесные насаждения
Механизм действия стокорегулирующих лесных насаждений
Основное назначение стокорегулирующих лесных насаждений
перехват поверхностного стока и перевод его во внутрипочвенный.
Механизм действия стокорегулирующих лесных полос основан на
повышенной (по сравнению с пашней) впитывающей способности почв в
лесном насаждении. Водопроницаемость почв в лесу обычно выше, чем
на пашне, так как плотность почв в лесу меньше, а пористость больше.
Это связано с образованием пустот после отмирания корней, с
деятельностью землероев. Кроме того, лесная подстилка предохраняет почву от
замерзания и заиливания, а также сама задерживает часть стока. Чем
228
больше возраст защитного лесонасаждения, тем ближе обстановка в нем
к лесной, тем больше впитывающая способность почвы.
Водорегулирующая способность лесного насаждения зависит от
множества факторов, главными из которых являются интенсивность
впитывания воды почвой, продолжительность процесса впитывания,
интенсивность поступления воды в лесополосу, площадь лесополосы. Эти
факторы влияют непосредственно на процесс впитывания воды почвой.
Множество других факторов влияет опосредованно, через влияние на
указанные факторы.
Интенсивность впитывания воды почвой уменьшается с
течением времени даже при постоянных условиях впитывания (толщина слоя
воды, ее температура и мутность). В стокорегулирующей полосе условия
впитывания существенно изменяются с течением времени и во время
ливней, и в процессе снеготаяния. Толщина слоя воды в лесополосе
зависит от интенсивности дождя или снеготаяния, от продолжительности
этих двух явлений и от условий поступления воды в лесополосу.
Интенсивность снеготаяния, как и интенсивность дождя, весьма сильно
меняющиеся величины. Продолжительность поступления воды также
подвержена изменениям. Во время ливней она измеряется минутами и часами,
а во время снеготаяния - сутками. Условия поступления стока в лесную
полосу также различны. Широкой полосой сток поступает в лесную
полосу крайне редко. Чаще всего сток концентрируется в соответствии с
условиями рельефа, которые подчиняются определенным
закономерностям. Так, на каждые 1000 м стокорегулирующей лесной полосы
приходится от 10 до 46 мест концентрации стока в зависимости от
расчлененности территории (Калиниченко, Ильинский, 1976) - чем больше
расчлененность, тем больше мест концентрации стока. По этой причине
чаще всего на поглощение стока "работает" не вся полоса, а лишь от 5
до 20 % ее длины (Рожков, 1981). Концентрации стока при входе его в
лесополосу способствует и валик, который образуется при отвальной
пахоте на опушке лесополосы.
Итак, количество воды, которое может впитаться в почву в
лесополосе, равно произведению интенсивности впитывания на время
впитывания и на площадь лесополосы. Прогнозировать эту величину весьма
сложно ввиду изменчивости факторов впитывания. В то же время она
имеет весьма важное значение для целей проектирования, так как
является основой для выбора проектировщиками таких параметров системы
стокорегулирующих лесных полос, как ширина полосы и расстояние
между соседними лесополосами.
Результаты опытов (табл.8.1) подтверждают наличие
зависимости объема впитавшейся в почву воды в лесополосе от площади лесопо-
229
лосы: чем больше длина лесной части стоковой площадки (т.е. ширина
лесополосы) и, следовательно, ее площадь (так как ширина стоковой
площадки постоянна), тем больше объем впитавшейся талой воды. В то
же время удельный объем впитавшейся в лесополосе воды,
характеризующий "коэффициент полезного действия лесополосы", уменьшается с
увеличением ширины лесополосы. Это объясняется особенностями
динамики стока талых вод. В начале снеготаяния приток талой воды в
лесополосу невелик и вся она успевает впитаться в приопушечной части,
т.е. "работает" не вся площадь лесополосы, а лишь ее некоторая, при-
опушечная, часть. В удаленные от опушки участки лесополосы вода
поступает только тогда, когда она не успевает впитываться в
приопушечной части.
При устройстве стокорегулирующих полос из
сельскохозяйственного использования изымается наиболее ценная, часть земельного
фонда - пахотные земли. Уменьшения отчуждения пашни можно
добиться путем уменьшения ширины лесополосы и путем увеличения
расстояния между соседними лесополосами на склоне. Уменьшение ширины
сопровождается уменьшением объема впитавшейся в лесополосе воды, но
эффективность лесополосы, т.е. объем воды, поглощаемой каждым
квадратным метром поверхности почвы в лесополосе, увеличивается.
Оптимальная полоса должна, следовательно, отвечать двум
противоположным требованиям - с одной стороны, требованию максимальной
эффективности, т.е. быть узкой, с другой стороны, требованию
максимального объема поглощаемой воды, т.е. быть широкой. Оптимальная
ширина, которая удовлетворяет этим двум противоречащим друг другу
требованиям, изменяется в пределах от 10 до 20 м (табл.8.1).
Увеличение расстояния между соседними лесополосами
приведет к увеличению объема стока, поступающего в лесополосу вследствие
увеличения ее водосборной площади. Чтобы перехватить этот
добавочный объем воды необходимо увеличить водопоглощающую способность
лесополосы увеличением ее размеров или каким-либо другим способом.
Одним из эффективнейших способов является устройство в лесополосе
простейших гидротехнических сооружений - валиков, канав с
перемычками. На склонах крутизной до 2° валик устраивают на нижней опушке
путем напахивания плантажным плугом за два прохода (с отваливанием
в сторону опушки). Эффективность такого сравнительно простого
приема весьма высокая (табл. 8.2). На более крутых склонах, а также на
склонах с ложбинами и промоинами, на нижней опушке или в
последнем междурядье устраивают канавы с валом. Чем круче склон, тем
больше должна быть высота вала. Обычно крутые склоны в
значительной степени расчленены промоинами и ложбинами и лесополосы не
230
Таблица 8.1
Влияние ширины лесополосы на сток талых вод (Рожков 1981)
Параметры стоковых площадок (Средине показатели за годы наблюдений
длина, м
в
лесу
общая
ширина, м
уклон, Запасы (м3)
град. воды в снеге
плюс осадки
Сток,
3
м
Коэффициент
стока
Поглощение воды в полосе
общее, м
удельное,
3, 2
м /м
Каменная степь, 1948-1958 гг., чернозем обыкновенный (Сухарев, 1976)
0
10
20
30
45
480
490
500
510
525
20
1,5-2,1
600
715
730
77!
865
228
131
ПО
62
0,5
0,38
0,18
0,15
0,08
0,00
_
212
248
337
492
-
1,06
0,62
0,56
0,55
Новосильскал АГЛОС, 1966-1970 гг., серая лесная почва (Сурмач и др., 1975)
0
12,5
27
44
150
162,5
177
194
20
1,5-2,1
411
699
747
842
159
127
89
143
0,38
0,18
0,12
0,17
_
!30
251
249
_
152
0,46
0,28
Курская обл., к-з им. Дзержинского, 1972-1974 гг., серая лесная почва (Дьяков, 1976)
0
10
20
40
100
ПО
120
140
20
3,5-4,0
125
146
171
221
58
37
41
42
0,46 1
0,25 51
0,24 72
0,19 1 121
-
0,26
0,18
0,15
удается разместить строго по горизонталям. В таких случаях необходимо
устраивать в лесополосах прерывистые валы-канавы с боковыми
перемычками поперек лесополосы, частично выходящими на пашню.
Стокорегулирующие лесополосы, совмещенные с простейшими
гидротехническими сооружениями, валами и валами-канавами, могут в
среднем, задержать на серых лесных и каштановых почвах слой талой
воды около 15 мм, а на черноземах - до 30-35 мм (Рожков, 1981).
Стокорегулирующие лесные полосы дополняют простейшими
водозадерживающими сооружениями в тех местах, где объем стока
сравнительно невелик - 80-100 мм при 10%-й.его обеспеченности. При
большей величине стока часть его следует сбрасьшать в овражно-балочную
сеть, приняв меры против возможной линейной эрозии. Для этого стоко-
Таблица 8.2
Поглощение талой воды почвой в стокорегулирующей лесной полосе, совмещенной с
простейшим гидротехническим сооружением (Сурмач, 1976)
Вариант опыта и год
закладки лесополосы
Гояы
наблюдений
Величина водопоглощения, мм
средняя [наименьшая {наибольшая
Поволжская агролесомелиоративная станция, чернозем обыкновенный
Лесная полоса шириной 12 м, 1952
То же с обвалованием
1965-1970
1965-1970
388
553
198
235
655
980
Опытно-производственное хозяйство ВНИАЛМН, светло-каштановая почва
Лесная полоса шириной 12 м, 1952
То же с обвалованием
1965-1970
1965-1970
311
455
57
112
737
775
231
регулирующие лесные полосы дополняют водонаправляюпшми
пиротехническими сооружениями.
Создание стокорегулирующих лесополос
При определении параметров систем стокорегулирующих
лесополос руководствуются "Инструктивными указаниями по
проектированию и выращиванию защитных лесных насаждений на землях
сельскохозяйственных предприятий СССР" A973), в которых даны придержки
по конструкции лесополос, их ширине и величине межполосных
расстояний. Эти придержки являются лишь первым приближением к истинным
значениям, которые следует определять с максимально возможным
учетом местных условий. Главной величиной, от которой зависят другие
параметры системы, является расстояние между соседними стокорегули-
рующими лесополосами на склоне. Его можно рассчитать, исходя из
условия полного задержания поверхностного стока (Сурмач, 1971):
L ^ Ь ' (* ~ Г*) " Г л
га
где L - расстояние между лесополосами, м;
b - ширина лесополосы, м;
К - интенсивность впитывания воды почвой в лесополосе, мм/мин;
гж - интенсивность дождя или водоотдачи из снега в лесополосе;
г ~ интенсивность дождя или водоотдачи из снега в поле, мм/мин; ( при
дождях г = гл);
а- коэффициент стока в иоле.
Как указывалось выше, оптимум ширины стокорегулирующей
лесополосы на склоне находится в пределах 10-20 м. Специальные во-
добалансовые исследования, проведенные ВНИАЛМИ, показали, что
ширину полос, совмещенных с простейшими гидротехническими
сооружениями, без существенного ухудшения их гидрологической
эффективности можно уменьшить до следующих величин: в лесостепной зоне - до
10 м; в степи и сухой степи - до 9 м.
Расстояние между лесополосами с канавами и валами по
нижней опушке следует проводить по формуле
. b-T-(K-r,)-r„-T + lQ00Q
где Г - длительность дождя или стока талых вод, мин;
Q - суммарный объем задержания воды погонным метром канавы и вала,
который находится по формуле
где <2к - объем метрового участка канавы, м3/м;
232
<2в - объем воды, задерживаемый метровым участком вала, (м3/м):
где h - рабочая высота вала, м;
/ - уклон.
Стокорегулирующие лесополосы на склонах выращивают по
технологии, рекомендованной для выращивания полезащитных лесных
насаждений (см. раздел 9.2.3).
8.2.3 Лесомелиорация овражно балочных систем
Прибалочные лесные насаждения
Механизм почвозащитного действия прибалочных лесных
насаждений несколько отличается от механизма действия других видов
лесных насаждений. Эти отличия обусловлены, в первую очередь,
особенностями места расположения таких насаждений - вдоль бровки
балок и лощин. Особенность этого местоположения в том, что здесь
кончается пологий склон, а ниже бровки начинается сравнительно крутой
склон балки. Здесь обычно расположена нижняя граница пашни. Кроме
того, расчлененность поверхности здесь выше, чем в приводораздельной
и средней частях склона. Эти особенности обусловливают более
высокую степень концентрации поверхностного стока, поступающего в при-
балочную лесополосу. Поэтому прибалочные лесополосы еще в большей
степени, чем стокорегулирующие, нуждаются в дополнении
простейшими гидротехническими сооружениями - распылителями стока,
перемычками, водозадерживающими и водоотводящими валами.
Кольматирующая роль прибалочных лесополос несколько ниже,
чем стокорегулирующих. Это обусловлено большей концентрацией
стока, а также возможными значительными отклонениями направления
прибалочных лесополос от горизонталей, поскольку их форма в плане
определяется конфигурацией балки. Тем не менее, при движении вниз
по склону к прибавочной лесополосе можно наблюдать уменьшение
смыва почвы и появление наносов, чего обычно не бывает на прямых и
выпуклых склонах в отсутствие прибалочной лесополосы.
Появление наносов на склоне выше прибалочной лесополосы
наблюдается на расстоянии, кратном примерно 15 высотам лесополосы,
и связано с сугробом снега, накапливаемым лесополосой. Снег на
межполосном пространстве тает быстрее, чем в сугробе, затеняемом
лесополосой, и талые воды, попадая в сугроб, освобождаются от переносимых
почвенных частиц.
233
Кольматирование наносов прибавочной лесополосой
обеспечивает надежную работу водозадерживающнх валов, обычно устраиваемых
между лесополосой и вершиной склонового оврага. По наблюдениям В.
Ивонина и Ф. Мирошниченко в Ростовской обл. (Рожков, 1981) водоза-
держивающие валы, не защищенные прибалочными лесополосами,
заиливались в течение трех лет и не задерживали расчетный объем стока.
Ширина прибалочных лесополос, согласно действующим
инструкциям, ограничена диапазоном 12,5-21 м. Выбор ширины и
конструкции прибалочной лесополосы зависит от условий снегонакопления,
поскольку накопление большого количества снега в лесополосе может
сопровождаться усилением смыва и размыва почвы ори его таянии. При
прочих равных условиях чем плотнее и шире лесополоса, тем больше
снега она аккумулирует. Чем меньше ширина и больше ажурность
лесополосы, тем меньше сугроб в самой лесополосе и тем равномернее
распределение снега в межполосном пространстве. В то же время
мелиоративная эффективность плотной конструкции выше. Поэтому
обоснование ширины и конструкции прибалочной лесополосы должно включать
учет местных особенностей почв, рельефа, микроклимата.
Согласно исследованиям (Данилов и др., 1980), в
южнотаежной и лесостепной зонах европейской части России лесополосы
максимальной ширины ажурной или продуваемой конструкции надо
создавать на высоких наветренных берегах балок, минимальной ширины
E-7,5 м) при продуваемой конструкции - на подветренных
(снегозаносимых) берегах балок. На участках большого отклонения
лесополосы от перпендикуляра к линиям стока полоса должна быть
предельно узкой и продуваемой. В местах пересечения лесополосой ложбин
целесообразно увеличение ширины и плотности конструкции за счет
введения кустарников.
Прибалочные лесные полосы являются элементом системы про-
тивоэрозионных мероприятий. Другими элементами, прилегающими к
ним территориально, являются гидротехнические сооружения разной
сложности (распылители стока, водозадерживающие и водоотводящие
валы и валы-канавы, плотины, перемычки в склоновых оврагах,
пересекаемых лесополосой, выположенные неглубокие оврага) и участки,
отводимые под залужение.
Чтобы избежать ускоренного развития эрозии во время
проведения мелиоративных работ (а их приходится проводить не один год), их
надо проводить в определенной последовательности. Начинают со
сложных мелиоративных работ - засыпки ложбин и вьшолаживания
откосов неглубоких оврагов, которые будет пересекать прибалочная
лесополоса. Затем строят водозадерживающие (водоотводные) сооружения.
234
После этого начинают готовить почву под лесополосу. Одновременно
идет работа по подготовке к посадке лесных культур по берегам балки,
а также к устройству приовражных и кольматирующих насаждений.
Землеройная техника требует значительной площади для работы и
проезда. Поэтому все работы должны быть хорошо скоординированы, чтобы
не пришлось разрушать уже созданные элементы противоэрозионной
системы. Технология выращивания прибалочных лесополос, в основном
такая же, как и стокорегулирующих. В прибалочную часть лесополосы
вводят обильно и ежегодно плодоносящие породы-пионеры, березу, ель,
клен ясенелистный и др., для лучшего осеменения береговых оврагов,
расположенных ниже по склону.
Подготовка почвы к созданию прибалочных лесных полос
определяется почвенно-климатическими условиями и существенно зависит от
степени смытости почв, количества водороин и промоин, направления
лесополосы относительно линий стока.
В лесостепных районах применяют преимущественно
подготовку почвы по системе черного пара или зяблевую вспашку полосами (см.
раздел 9.2.3).
На месте будущей лесополосы на склонах крутизной до 4°
предварительно производят засыпку промоин и выполаживание склонов
мелких оврагов. В верхней части склона выше лесополосы устраивают
распылители стока. На склонах крутизной до 7° почву обрабатывают
полосами, оставляя необработанными полосы метровой ширины. В случае
коротких межовражных участков почву готовят с применением лесных
двухотвальных плугов, которые делают борозды шириной 70 см и
глубиной 6-15 см, которые, аккумулируя сток, предотвращают смыв.
В сухой степи почву готовят в течение двух лет по системе
черного пара с заменой глубокой вспашки плантажной. В особо
засушливых условиях в качестве основной обработки используют глубокую
пахоту, а плантажную вспашку переносят на осень следующего года.
Приовражные лесные насаждения
Основное их назначение - увлажнение и затенение откосов, что
создает условия для зарастания их травянистой и лесной
растительностью, которая скрепляет корнями почву и предотвращает рост оврагов
вширь. Приовражные лесные полосы располагают вдоль бровки оврага,
поэтому они чаще всего ориентированы вдоль склона , как и сам овраг.
Это увеличивает опасность размыва почвы вдоль лесополосы в процессе
снеготаяния. Поэтому приовражные полосы, как и прибалочные,
нуждаются в дополнении гидротехничекими сооружениями. Технология созда-
235
ния и конструкция приовражных лесополос такая же, как и прибалоч-
ных. Состав пород определяется природными особенностями зоны и еще
в большей степени дифференцирован по ширине лесополосы. В
приовражную полосу вводят березу, ель, клен ясенелистный и другие породы,
способствующие быстрому облесению откосов. В крайний ряд
лесополосы со стороны оврага вводят корнеотпрысковые породы: белую
акацию, осину, тёрн, шиповник и др.
Овражно-балочные лесные насаждения
Овражно-балочные лесные насаждения бывают трех видов:
• береговые балочные - по длинным пологим берегам балок;
• по дну и откосам оврагов с целью их закрепления;
• насаждения-илофильтры по днищам оврагов и балок для кольматации
твердого стока.
Пологие берега балок в ряде районов имеют довольно
значительную протяженность вдоль направления стока, так, в центральных
районах Молдавии она достигает 300-^ЮО м, в правобережье нижней
Волги - 280-350 м, в сгепных районах правобережья Днепра - 200-250
м. При активном использовании таких склонов в качестве лугов и
пастбищ на них развивается смыв и размьш почв. Раньше такие территории
предлагалось отводить под сплошное (массивное) облесение.
Исследованиями ВНИАЛМИ доказано, что их можно продолжать использовать в
качестве лугов и пастбищ после насаждения лесных полос поперек
склона и совмещения их с простейшими гидротехническими
сооружениями. На берегах балок крутизной до 20° лесными полосами в сочетании
с простейшими пиротехническими сооружениями здесь удается
зарегулировать сток 10%-й обеспеченности.
Наиболее трудным объектом для лесомелиорации являются
откосы и дно активно растущих оврагов. В настоящее время проблемы
облесения оврагов решают на основе оптимизации рельефа и
регулирования стока на водосборе. Оптимизация рельефа включает выполаживание
и отсыпку откосов, планировку оползней, строительство переездов
через крутые оврага и другие гидротехнические сооружения. После
завершения этих работ на выположенных откосах высаживают сеянцы
засухоустойчивых и корнеотпрысковых пород, таких как сосна
обыкновенная, акация белая, береза бородавчатая, клен татарский, груша, тёрн,
смородина золотистая.
Форма и размеры дна балок в значительной мере определяют
особенности их облесения. На широких выровненных днищах путем
поверхностного или коренного улучшения создают хороший травостой, а
236
затем насаждения-илофильтры шириной 20-50 м через 100-300 м. На-
саждения-илофильтры создают из рядов древесных пород, чередующихся
с рядами кустарниковых ив.
8.3 Гидротехнические противоэрозионные мероприятия
Гидротехнические противоэрозионные мероприятия применяют в
тех случаях, когда агротехнических и агролесомелиоративных
мероприятий недостаточно. Чаще всего это - на крутых склонах и на сильно за-
овраженных землях. Их отличают высокая эффективность и
сравнительно высокая стоимость. Поэтому гидротехнические мероприятия
выступают в качестве завершающего звена в комплексе противоэрозионных
мероприятий.
8.3.1 Простейшие гидротехнические сооружения на водосборной
площади
Валы-террасы
На склонах крутизной 4-6° эффективность таких водозадержи-
вающих приемов как лункование и прерывистое бороздование резко
снижается, уменьшается также емхость микролиманов. В этих условиях
большое значение для задержания стока приобретает сооружение валов-
террас (валов с широким основанием или гребневидных террас)
(Степанов, Овчаренко, Захаров, 1980).
Их создают на склонах крутизной не более 6° при невысокой
ложбинности склона. Валы-террасы строят по горизонталям местности и
привязывают к границам полей и производственных участков. Высота
валов обычно 30-60 см, ширина основания - в 8-12 раз больше высоты.
Благодаря пологим откосам такие валы легко преодолеваются всеми
сельскохозяйственными машинами при обработке почвы, посеве и
уборке урожая (рис. 8.9). Для строительства валов-террас необходимы плуги,
грейдеры или бульдозеры. Вначале распахивают вевал полосу на ширину
основания вала, а затем почву перемещают на вал грейдером или
бульдозером. Концы вала заворачивают вверх по склону под углом 120° и
постепенно сводят на нет. После этого вал планируют, выдерживая
горизонтальность гребня, и укатывают тяжелыми катками.
Расстояние между соседними валами рассчитывают по двум
условиям: неразмьшаемости пространства между ними (аналогично расчету
допускаемого расстояния между водоотводными бороздами) и неперепол-
няемости прудка перед валом.
237
Рис. S.9. Вал-терраса с широким основанием: 1 - вал; 2 - прудок: h - высота
вала; hp - рабочая высота вала;
Один погонный метр вала задерживает объем воды (К, м3),
равный h2/2 I, где h - рабочая высота, м; / - тангенс угла наклона склона.
Максимальный расход воды (q макс ) с полосы склона шириной I м
равен rax, где г - интенсивность осадков, м/с; а- коэффициент стока; х
- длина склона (в данном случае расстояние между валами-террасами,
м). Тогда объем стока (W) с полосы шириной I м выражается
следующим уравнением
W= <7макс Т = rax Т.
Если вода не переливается через вал, т.е. выполняется условие W < V,
то
А2/2/ > rax яоа1.
Отсюда легко найти допустимое (по условию непереполняемости прудка)
расстояние между валами
хяоа</12 г aT/2J.
Рассчитав допускаемые по двум условиям расстояния между
валами, выбирают меньшее.
В условиях избыточного увлажнения на тяжелых
маловодопроницаемых почвах делают наклонные террасы, чтобы сбросить избыток
воды в залуженные водотоки. Уклон по длине вала в сторону водосброса
принимается не более 0,005, во избежание его размыва.
Ступенчатые террасы
Ступенчатые террасы сооружаются в целях интенсивного
использования крутых склонов под ценные многолетние культуры с
механизированными обработкой почвы и уходом за растениями, задержания
поверхностного стока и зашиты почв от эрозии. Они представляют
собой непрерывные вытянутые по горизонтали (или с допустимым уклоном
вдоль полотна) площадки той или иной ширины. Механизм противоэро-
зионного действия террасирования основывается на уменьшении
скорости движения воды и увеличении поглощения воды почвой. Не каждый
склон пригоден для террасирования. На песчаных породах террасы
оказываются непрочными, на каменистых и плотных породах они обходятся
слишком дорого. На склонах сложной конфигурации, где направление
238
Рис. 8.10. Схема строения иапашной (А) и выемочно-насыпной (Б)
ступенчатой террас: 1 - полотно террасы; 2 - выемочный откос; 3 - насыпной
откос; 4 - берма; а - угол поперечного наклона террасы; /3 - угол
наклона склона
падения склона и его крутизна меняются на протяжении 30-40 м, делать
террасы очень трудно.
Ступенчатые террасы состоят из полотна, выемочного и
насыпного откосов (рис. 8.10). Расстояние между насыпным откосом верхней
террасы и выемочным откосом нижней террасы называется бермой. В
засушливых районах, особенно на орошаемых террасах, по нижнему
краю полотна устраивают валы для задержания влаги. В районах
избыточного увлажнения (например на побережье Кавказа) вдоль выемочного
откоса прокладывают канаву для отвода избытка воды, при этом полотну
террасы придается небольшой продольный уклон. В поперечном сечении
полотно террасы может быть горизонтальным, иметь прямой уклон (в
направлении склона) или обратный уклон.
Террасы с прямым уклоном C-6°) экономически наиболее
выгодны, так как при их сооружении требуется меньший объем земляных
работ, лучше сохраняется плодородие почвы около выемочного откоса.
Кроме того, регулированием угла наклона полотна удается сохранить
постоянную его ширину при изменении крутизны склона в продольном
направлении. Однако на террасах с прямым уклоном часть влаги
теряется, поэтому такие террасы имеет смысл устраивать в районах с
избыточным количеством осадков и низкой водопроницаемостью почвы.
Горизонтальные террасы наиболее удобны в эксплуатации,
однако на склонах меняющейся в поперечном направлении крутизны
ширина полотна оказывается непостоянной, что приводит к образованию
клиньев.
Террасы с обратным уклоном C-6°) задерживают наибольшее
количество влага, поэтому их целесообразно сооружать в засушливых
районах, при этом полотно террасы должно быть строго горизонтальным
в поперечном направлении, а почва достаточно водопроницаема, чтобы
избежать формирования стока вдоль полотна террасы. Сооружение
таких террас требует максимального объема земляных работ, а плодородие
239
полотна, особенно около выемочного откоса, оказывается низким. Для
выравнивания плодородия почвы применяют посев сидератов и внесение
навоза и минеральных удобрений.
Террасы нарезают в направлении горизонталей. Для этого склон
разбивают на полосы различной ширины в зависимости от
запроектированной ширины террасы и крутизны склона. Верхнюю кромку
выемочного откоса будущей террасы обозначают колышками, идущими строго
по горизонталям. При уклоне 8-10° обычно делают полосы шириной 8-
10 м, при уклоне - 10-12° - 6-8 м, при 12-14° - 4-6 м и при уклоне
14-16° - 3-4 м (Заславский, Каштанов, 1979). Перед террасированием
производится засыпка водороин, промоин и неглубоких оврагов.
В зависимости от способа сооружения террасы могут быть на-
папшыми или выемочно-насыпными. На склонах крутизной 6-14°
террасы сооружают с помощью плантажных или обычных полевых плугов.
При вспашке полос с отвалом вниз по склону почва перемещается с
верхнего края полосы на нижний. После 4-5-кратной односторонней
вспашки почвы формируется напапшая терраса с прямым уклоном и
изогнутым профилем (см. рис. 8.10). В верхней части полотна имеется
небольшое углубление, в средней - небольшая выпуклость и в нижней -
выровненная поверхность. При напашном террасировании не происходит
полного сбрасывания верхнего гумусового слоя в насыпной откос, в
результате тщательного перемешивания почвы он присутствует в той или
иной мере во всех частях террасы.
На более крутых склонах террасирование производят
специальными террасерами или универсальными бульдозерами. Террасер
представляет собой сменный рабочий орган в виде отвала, который
навешивается на универсальную раму впереди мощного трактора. Террасы
нарезают возвратно-поступательным движением трактора с террасером. Угол
отвала 51° обеспечивает перемещение снятой почвы и грунта вниз по
склону под гусеницу трактора, идущую по насыпной части полотна.
Количество проходов зависит от почвенно-грунтовых условий и крутизны
склонов. С увеличением крутизны склона объем земляных работ
увеличивается (Степанов, Овчаренко, Захаров, 1980). Окончательное
формирование заданного поперечного профиля террасы и откосов
производится при помощи грейдера. Угол выемочного откоса обычно около 50-60°,
а крутизна насыпного откоса 35-40°. После нарезки полотно террас
рыхлят специальным рыхлителем и выравнивают дисковыми боронами.
В районах с каменистыми почвами сооружают вертикальные откосы
террас с каменной кладкой, что обеспечивает наибольший выход
полезной площади. Откосы террас засевают многолетними травами или
ягодными кустарниками.
240
Траншейные террасы
Рис. 8.11. Схема траншейной
террасы
лучшие условия.
Траншейные террасы (террасы-
канавы) используются для борьбы с
эрозией и селями при облесении крутых
(до 35-^0°) склонов. Они состоят из
траншей, вытянутых строго по
горизонталям и валов из вынутой почвы,
расположенных вдоль нижних краев канав
(рис. 8.11 ). Деревья высаживают в нижней
части насыпного откоса, примыкающего к
канаве, что обеспечивает им относительно
Распылители стока
Распылители стока создают для рассредоточения потоков воды,
концентрирующихся в ложбинах, разъемных бороздах, межах, напашах,
у дорог и лесных полос. Распылитель стока представляет собой валик с
расположенной перед ним выемкой, перегораживающей понижение под
углом 45° к его оси (рис. 8.12). Высота валика обычно 0,3-0,5 м, в
сторону нижнего конца распылителя он уменьшается и сходит на нет.
Валик имеет треугольное или трапециевидное сечение с заложением
откосов 1:1,5.
Распылители размещают по длине ложбин через каждые 50-100
м. Их устраивают за один или два прохода трактора с навесным плугом,
у которого оставляют только два средних корпуса, причем на заднем из
них устанавливают удлиненный отвал.
Для этих же целей используют
плантажный плуг или бульдозер. На
дорогах распылители стока создают
путем насыпки небольших валиков A0-
15 см) с широким основанием A0-15 м)
под углом 45° к ее оси. Распылители
стока по дороге размещают на
расстоянии 100 м один от другого при
крутизне 4°, а при меньших уклонах - на
расстоянии 150-200 м. Распылители
строят весной, когда земля на дороге
еще достаточно влажная и не уплотнена
(Степанов, Овчаренко, Захаров, 1980).
,,»*'iSi^«£&Stos*U
Рис. 8.12. Распылители стока
16 Эрозия и охрана почв
241
Водозадерживающие валы ( валы Борткевича)
Водозадерживающие валы устраивают на прилегающем к вершине
оврага участке склона для приостановки его роста (рис. 8.13). Валы
рекомендуется создавать в условиях спокойного рельефа на водосборах
площадью не более 15 га при средней крутизне склона не более 3°. При
выраженной ложбинности склона площадь водосбора не должна
превышать 5-8 га, а при крутизне склона 3-6° - 5 га.
Валы возводят бульдозером путем сдвигания предварительно
вспаханной почвы. В процессе сооружения вала его уплотняют катком.
Вал имеет гребень шириной до 2,5 м. Горизонтальность гребня
проверяют с помощью нивелира. Сухой откос вала (заложение 1:1,5)
сооружают круче мокрого (заложение 1:2,5). Высота вала может
изменяться в пределах 0,8-1,5 м, чаще всего 1,2 м. Длина вала не
превышает 400-500 м при одностороннем сбросе воды. При сбросе воды
в двух направлениях - 800-1000 м. Валы размещают по горизонталям
местности, концы (шпоры) поворачивают под углом 100-120° к оси
вверх по склону. Шпоры могут быть закрытыми (глухими) и открытыми,
когда для прохода воды в конце шпоры
делают водопропуск, вьшодящий поток по
задернованной ложбине в неопасные в
эрозионном отношении места. Для
лучшего удержания подтекающей воды
устраивают перемычки через 50-100м под
прямым углом к оси вала (Степанов,
Овчаренко, Захаров, 1980). Расчет
расстояния между водозадерживающими
валами проводится так же, как и
расстояния между валами-террасами.
Для укрепления вала весной
Рис. 8.13. Размещение вапов на Следующего ПОСЛе Сооружения ГОДЗ еГО
площади водосбора. Пунктир - граница ЗасеваЮТ СМеСЬЮ МНОГОЛеТНИХ Трав (ежа
водосбора сборная, тимофеевка, клевер, овсяница
луговая), а в пространстве между вершиной оврага и первым валом, а
также на дне оврага высаживают лесные культуры.
Водоотводные валы-канавы (нагорные канавы)
Водоотводные валы-канавы применяются для отвода воды от
вершин оврагов в задернованные ложбины или к одной вершине,
закрепленной водосбросным сооружением. Их рассчитывают на пропуск
наибольшего расхода воды 10%-й обеспеченности. Уклон вдоль
242
водоотводящего вала не должен превышать 0,003-0,005, чтобы избежать
размыва, в то же время при меньших уклонах возможно заиление.
Технология сооружения водоотводных валов-канав та же, что и
водозадерживающих валов. Наиболее часто строят валы-канавы
следующих размеров: глубина канавы 0,5-1,0 м, ширина канавы по
верху 2-4 м, высота вала 0,4-0,7 м, ширина вала у основания 2,2-4,3 м.
Однако не всегда целесообразно совмещать водоотводящие валы с
канавами, так как отвод воды лучше осуществлять по задернованному
руслу, образованному мокрым откосом вала и прилегающим к нему
склоном (Рожков, 1981).
8.3.2 Гидротехнические сооружения на оврагах
Вершинные водосбросные сооружения
1 STI4i=:
WfP^
Вершинные водосбросные сооружения служат для безопасного
сброса воды через вершину на дно оврага. Они создаются в тех случаях,
когда система водорегулирующих
мероприятий на водосборе
оказывается неэффективной или
не может быть применена, а также
при подходе вершины оврага к
ценным сооружениям. Выделяют
три типа вершинных сооружений:
быстротоки, перепады и консоли
(консольные перепады) (рис. 8.14).
Быстротоки - это сооружения в
которых вода движется
непрерывно по их дну. В
перепадах и консолях - на одних
участках по дну, а на других -
падает по воздуху.
Вершинные сооружения
строят из разных материалов.
Срок службы их зависит, в
основном, от строительного
материала. Плетневые и фашинные (из связок прутьев) служат 3-7 лет,
деревянные - 10 лет, каменные и бетонные - 30-40 лет. Долговечность
плетневых и фашинньк сооружений зависит от качества растительного
материала, лучшим из которых является кустарниковая ива. Живые
ивовые прутья после укладки могут прорастать и надолго закреплять
Рис. 8.14. Схема головных овражных сооружений:
1 - быстроток; 2 - двухступенчатый перепад;
3 — консоль
243
вершину. Вершинные сооружения рассчитывают на пропуск расходов от
0,1 м3/с (плетневые) до нескольких кубометров в секунду (деревянные,
каменные, бетонные). Очень удобны и экономичны сооружения из
сборного железобетона, детали которых либо специально
изготавливают на заводах, либо заимствуют из ассортимента,
применяемого в дорожном и мелиоративном строительстве. Вершинные
сооружения строят на материковом грунте; построение их на насьши не
допускается.
Выбор вида вершинного сооружения определяется:
• глубиной обрыва в вершине оврага,
• водопрочностью грунтов,
• глубиной залегания грунтовых вод.
На глубоких оврагах целесообразно делать быстротоки или
консоли; перепады оказываются слишком дорогими, так как на их
изготовление идет много материала. При близком залегании грунтовых
вод лучше делать легкие сооружения (консоли и быстротоки). Однако
консоли очень требовательны к грунтам; на маловодопрочных грунтах
существует угроза подмыва опоры при увеличении воронки размыва. В
связи с этим разработана конструкция висячей консоли.
Наиболее распространенными вершинными сооружениями
являются быстротоки. Они состоят из входной части, принимающей
поток и направляющей его в сооружение; собственно быстротока -
наклоненного под углом 10-15° лотка; водобойной части - водобойного
колодца для гашения энергии потока. За ним следует укрепленное
камнем дно - рисберма.
Донные сооружения (запруды)
Запруды создают после укрепления вершины оврага для
предотвращения дальнейшего углубления дна. При отсутствии донных
сооружений очень вероятен подмыв и разрушение вершинных
сооружений. Запруды обычно строят в привершинной части оврага, где
вследствие больших уклонов скорость потока оказывается выше
допустимой для данного грунта. Расчет количества запруд проводится по
формуле
H-IpL
п= ,
Ь
где п - число запруд;
244
Разрез вдоль плетня
[<иод)в
Н - разность отметок начальной и конечной точек укрепляемого русла;
/о - уклон, при котором русло не размьгоается @,005 - для песчаных
грунтов; 0,008 - для суглинистых; 0,010 - для глинистых);
L - расстояние между запрудами;
h - проектная высота запруды, зависящая от используемого материала.
Расстояние между запрудами вдоль русла L определяется по
формуле
£. = -*-,
где / - уклон русла оврага.
Запруды делают из тех же материалов, что и вершинные
сооружения. Часто для этих целей используют также старые автомобильные
шины, проволоку и т.д. Однорядные запруды делают высотой до 0,5 м,
двухрядные плетневые и деревянные -
до 1 м, каменные - до 1,5 м и бетонные
- до 2,5 м. Овраги глубиной от 2 до 7 м
можно перегораживать также
земляными плотинами-перемычками,
насыпаемыми бульдозером поперек оврага на
0,5 м выше его бровки" на расстоянии
20-30 м друг от друга. Откосы плотин
впоследствии обсаживают деревьями.
Для устройства плетневых запруд
поперек оврага роют траншею шириной 0,2-
0,3 м и глубиной 0,5 м, которая
врезается в откосы оврага или промоины не
менее, чем на 1 м, устанавливают в
траншею плетень, а затем засыпают
грунт, уплотняя его послойно.
Для пропуска воды через
середину запруды устраивают стрелку
прогиба в вертикальной плоскости от 0,17
до 0,1 ширины запруды В на уровне ее
строительной высоты в средней,
пониженной части. При русле шириной
более 1 м плетневым запрудам для
большей устойчивости придают стрелку
прогиба и в горизонтальной плоскости.
Она составляет 0,125 - 0,10 общей
ширины запруды В\ (рис. 8.15). Со сторо-
План
V*
Разрез по оси оврага
Утрамбованный,
насыпной грунт
Рис. 8.15. Плетневая запруда
ны вершины оврага перед плетнем делают земляную отсыпку с откосом
1:2 и банкетом шириной 0,5 м. Водобойную площадку укрепляют
хворостом, фашинами (скрепленными пучками хвороста диаметром 0,5-0,6
м) или каменной наброской.
Засыпка оврагов и выполаживание их откосов
Недостатком изложенных выше гидротехнических методов
защиты почв от линейных форм эрозии является то, что они направлены
лишь на приостановление их роста и не решают вопроса использования
заовраженной территории. Более того, их осуществление требует чаще
всего больших затрат, дополнительного отчуждения земель и
исключения их из интенсивного хозяйственного использования. Наиболее
радикальным методом борьбы с линейными формами эрозии является их
полная засыпка. Водороины глубиной до 50 см уничтожают вспашкой
всвал вдоль размыва и последующей обработкой поперек склона. Более
глубокие размывы заравнивают бульдозером. Овраги, расположенные по
берегам рек и водохранилищ, можно заполнять материалом, подаваемым
в виде пульпы землесосными снарядами при очистке этих объектов.
Такой опыт осуществлен в г. Волгограде. В городах овраги можно
засыпать городским и строительным мусором.
Более часто применяется выполаживание откосов небольших
оврагов до тракторопроходимых уклонов. Если после ликвидации оврага
предусмотрено использовать межовражные участки иод пашню, крутизна
выположенных откосов не должна превышать 10°, а дно необходимо
засеять многолетними травами. Если овраг размещается на склоне с
многолетними насаждениями, то проектный уклон целесообразно принимать
равным крутизне прилегающих склонов A0-15°). При использовании
участка с оврагом под сплошное облесение и залужение проектная
крутизна выполаживаемых откосов может быть 15-20°. С уменьшением угла
наклона выположенных откосов возрастает объем земляных работ.
При выполаживании откосов важно сохранить верхний гумуси-
рованный слой почвы. Для этого перед планировкой с полосы,
прилегающей к оврагу, срезают гумусовый слой почвы и перемещают его в
сторону от оврага. Затем производят выполаживание откосов и
разравнивание плодородного слоя почвы по поверхности откосов. При этом
возрастает объем работы, так как один и тот же слой почвы вначале
перемещают вверх по склону, а потом вниз.
246
Рис. 8.16. Схема выполаживания относов оврага с сохранением
на поверхности плодородного слоя почвы: 4 //, III, IV, V -
последовательность операций; I, 2, 3, 4, 5 - номера рабочих участков;
1а - поперечный профиль оврага до выполаживания; 2а, За - то
же, после срезания и перемещения гумусированного слоя на
рабочие участки Aв, 2в); 16, 26 - профиль после срезания и
перемещения породы в овраг; А - гумусированный слой почвы; Б - поч-
вообразующая порода; стрелками указано направление работы
бульдозера
В настоящее время предложен метод, позволяющий сохранить
плодородный слой почвы без существенного увеличения объема работ
(Рожков, 1981). Овраг, начиная от устья, разбивают на участки (рис.
8.16). Бульдозером срезают землю и перемещают ее в овраг на первом
участке сначала с одной стороны, затем с другой. После этого срезают
гумусовый слой со второго участка и распределяют его по поверхности
первого. Затем бульдозером вьшолаживают откосы на втором участке и
покрывают его гумусовым слоем с третьего участка. В дальнейшем
принцип работы на других рабочих участках остается таким же, как и
на втором участке. Последний привершинный участок покрывают
гумусовым слоем, взятым из-под основания водоотводной канавы или вала,
сооружаемого выше вершины оврага для перехвата поверхностного
стока.
247
Этот метод успешно применяется на оврагах глубиной не более
5-6 м с небольшой водосборной площадью, прорезающих рыхлые
породы.
8.4 Организационно-хозяйственные мероприятия
Эта группа мероприятий направлена главным образом на проти-
воэрозионную организацию территории с учетом эродированное™ и
опасности эрозии почв, обеспечивающую правильное сочетание и
размещение всех мер защиты почв от эрозии на водосборной площади. В
частности, она включает правильное размещение севооборотов
(полевых, почвозащитных, кормовых) с расположением полей,
обеспечивающим проведение всех видов обработок почвы в направлении,
близком к горизонталям. На односкатных склонах поля располагают
длинными сторонами поперек склона, а на многоскатных - в
направлении, близком к горизонталям.
В целях более обоснованного проектирования противоэрозион-
ных мероприятий А.С.Козменко A949) предложил земли выпуклых
склонов относить к разным категориям, так называемым эрозионным
фондам: приводораздельному, присетевому и гидрографическому.
В призодораздельный земельный фонд включают ровные
участки и пологие склоны крутизной в среднем до 3,5°, для которых
характерно практически полное отсутствие эрозии и смытых почв в верхней
части и слабая эрозия и слабосмытые почвы в нижней части. Земли
этого фонда включают в обычный полевой севооборот с зерновыми и
пропашными культурами. Применяемые противоэрозионные мероприятия
направлены на задержание или безопасный отвод поверхностного стока.
На землях фонда при необходимости располагают полезащитные лесные
полосы. По границе с землями присетевого фонда располагают
водорегулирующие лесные полосы.
В присетевой земельный фонд включают земли, примыкающие
к гидрографической сети, расположенные на склонах крутизной от 3,5
до 8-10°. Для них характерны средне- и сильносмытые почвы. Их
используют в почвозащитном севообороте ( до 6°) под защитой лесных
насаждений, а также под постоянное или периодическое залужение. На
землях данного фонда необходимо применять комплекс
агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических мероприятий по защите
почв от поверхностной и линейной эрозии.
В состав гидрографического земельного фонда включают
земли суходольной, гидрографической и долинной сетей. Суходольная часть
представлена почвами разной степени смытости. Эти земли используют
248
как улучшенные сенокосы и пастбища, а также под лесонасаждения.
Днища балок нередко занимают садами. Земли гидрографической сети
расположены на террасах и пойме реки. Террасовые земли с
зональными почвами используют в полевом или кормовом севооборотах под
защитой лесонасаждений, а легкие почвы - в почвозащитном севообороте.
На пойменных почвах выращивают овощные и технические культуры, а
также устраивают сенокосы и пастбища. Берега гидрографической сети
подвергают залужению.
В настоящее время при проектировании противоэрозионных
мероприятий используются более дробные классификации земель. В
частности С.С.Соболев A973) предложил выделять девять категорий земель,
объединяя их в три класса в зависимости от рекомендуемой
интенсивности их использования (табл. 8.3)
К 1 категории относятся поймы и плоские нерасчлененные
междуречья с частыми блюдцами и западинами.
Ко 2 категории - приводораздельные части склонов крутизной
до 1°, реже 2°, со слабовыраженной ложбинностью, пологае участки
вогнутых склонов, а также сравнительно короткие склоны (до 200-300
м).
249
Таблица 8.3
Группировка земель по эродированное™, опасности эрозии и рекомендуемые пропшо-
эрозионные мероприятия
Категория
Характер и
возможность проявления
эрозионных процессов
Рекомендуемые мероприятия
А. Земли пригодные для интенсивного использования в земледелии
1
2
3
4
Не подвержены и
потенциально не
предрасположены к водной
эрозии: сток талых и
дождевых вод с этих
земель не разрушает
нижележащие земли
Подвержены или
потенциально
предрасположены к слабой
эрозии или сток с этих
земель угрожает
нижележащим участкам
(несмьггые и слабосмытые
почвы)
Подвержены или
потенциально
предрасположены к средней
эрозии (слабо- и сред-
несмытые почвы; на
вновь осваиваемых
землях несмьггые почвы)
Подвержены или
потенциально
предрасположены к
сильной эрозии (средне-
смытые почвы; на
недавно освоенных и
новых землях - слабо-
смытые и несмьггые
почвы)
Необходимости в проведении противоэрозионных
мероприятий и специальном регулировании стока нет.
Используются в любом севообороте при обычной для данных
условий агротехнике. В засушливых районах создается система
полезащитных лесных полос (с учетом рельефа)
Для прекращения эрозии и регулирования поверхностного
стока (задержания талых и ливневых вод на полях)
достаточно применять простейшие агротехнические
мероприятия: вспашку и рядовой сев поперек склона, более
глубокую вспашку, лункование, снегозадержание, регулирование
снеготаяния (с учетом рельефа) и др. В засушливых
районах создается система полезащитных лесополос (с учетом
рельефа)
Кроме указанных для 2 категории мероприятий
необходимы специальные приемы: на зяби - прерывистое бороз-
дование, почвоуглубление, обвалование на выровненных
склонах, нарезка водоотводных борозд и др.; на пропашных
- прерывистое бороздованне, глубокое рыхление
междурядий и др.
Кроме применения всего комплекса мероприятий,
рекомендованного для земель 2 и 3 категорий, нужна специальная
организация территории; рабочие участки, правильно
обрабатываемые, контурное земледелие, чередование посевов
полосами вдоль основного направления горизонталей,
"полосное земледелие", буферные полосы, в том числе
постоянные для "самотеррасировання" склонов. Необходимы
также гидротехнические мероприятия: устройство
горизонтальных или наклонных валов-террас с широким
основанием, ступенчатые террасы и др. Земли 4 категории при
надлежащей защите можно использовать в специальных
почвозащитных севооборотах с многолетними травами, а также
осваивать под виноградники, сады и т.п. при контурной
посадке многолетних культур или устройстве ступенчатых
террас
К 3 категории - средние и местами верхние части склонов
крутизной 2-3°, прямой и выпуклой формы.
К 4 категории - более крутые нижние участки длинных склонов
прямой и выпуклой формы, крутизной 3-5° и более с волнистой поверх-
250
Продолжение таблицы 8.3
Категория
Характер и
возможность проявления
эрозионных процессов
Рекомендуемые мероприятия
Б. Земли, пригодные для ограниченной обработки (непригодные для постоянного
возделывания ценных однолетних сельскохозяйственных культур даже при условии применения
полного комплекса протчеоэрозионных мероприятий)
5
Подвержены или
предрасположены к очень
сильной эрозии
(средне- и сильносмытые
почвы; на недавно
освоенных и новых
землях - слабосмьггые и
несмытые почвы)
Сильно эродированная или потенциально
предрасположенная к сильной эрозии пашня, а-также пастбища,
сенокосы, заросли кустарников, которые могут быть
включены в почвозащитный севооборот с 1-2 полями зерновых
культур н 5-10 полями многолетних трав, при условии
применения мероприятий для 4 категории земель
В. Земли, не пригодные для обработки
б
7
8
9
Не пригодные для включения в почвозащитный севооборот. Используются под
сенокосы и пастбища с нормированным выпасом и применением поверхностного и
коренного улучшения с посевом трав узкими полосами поперек склонов или на
ровных участках - поперек направления эрозионноопасных ветров (защитные
нераспаханные полосы осваиваются только после укоренения посеянных трав)
Ограниченно пригодные для пастбищ с очень строго нормированным выпасом и с
применением поверхностного или коренного улучшения
Не пригодные для земледелия, сенокошения и выпаса, но пригодные для
лесоразведения
Не пригодные для земледелия, сенокошения, выпаса и лесоразведения - так
называемые "бросовые" земли - выходы плотных пород, галечники, скалы, каменные
осыпи и пр. Пригодные для разведения дичи (охотничье хозяйство) и туризма
ПРИМЕЧАНИЕ. Земли первых трех категорий используют в принятых для данного
хозяйства севооборотах.
ностью, изрезанной частыми ложбинами, а также крутые участки
склонов сложной формы.
Первые четыре категории земель объединены в класс "А" -
земли, пригодные для интенсивного использования в земледелии. Однако
при повышении индекса категории земель нарастают насыщенность
севооборотов почвозащитными культурами и интенсивность применения
противоэрозионных мероприятий. Если в поле или в рабочий участок
попадают земли нескольких категорий (например 2 и 3), то всему
участку дают более высокий индекс C). Рисунок 8.17 дает представление о
приуроченности четырех первых категорий земель к элементам рельефа.
К классу Б (земли, пригодные для ограниченной обработки)
относятся лишь земли 5 категории, включающие участки склонов
крутизной 3-5° до 10°, сильно расчлененные ложбинами, промоинами и
оврагами.
Следующие четыре категории земель объединены в класс В -
земли, не пригодные для обработки. К 6 категории земель относятся
251
Рис. 8.18. Топографическая карта с водораздельными линиями и опорными
профилями на эрозионноопасных склонах
склоны и дно задернованных балок, слабо расчлененные промоинами.
Эти земли могут быть использованы не только в качестве сенокосов и
пастбищ (как указано в табл.8.3), но и под плодовые и орехоплодные
насаждения и под пруды. 7 категория включает рассеченные
склоновыми оврагами и промоинами участки склонов и дна балок и балочных
ответвлений с расстоянием между ними более 50 м. К 8 категории
относятся размытые овражно-балочные земли: растущие овраги, участки
склонов и дна балок и долин, расчлененные частыми оврагами и
промоинами. К 9 категории - "бросовые" земли с выходами твердых коренных
пород, галечника, а также каменные осыпи.
В дополнение к выделенным С.С.Соболевым девяти категориям
земель в "Рекомендациях по агротехническим приемам защиты почв от
водной эрозии в Нечерноземной зоне" A977) выделена также 10
категория - лесные и лесоплодовые насаждения и естественные леса в
оврагах, балках, речных долинах и на крутых склонах, нуждающиеся в
охране и повышении их производительности.
В настоящее время в связи с достижением определенных
успехов в развитии методов прогнозирования эрозионных процессов появи-
252
лась возможность перевода противоэрозионнои организации территории
и проектирования противоэрозионных комплексов при
внутрихозяйственном землеустройстве на расчетную основу. Создание условий для
практической реализации такой возможности - одна из основных задач
эрозиоведения. До сих пор она сдерживается недостаточной
обоснованностью существующих моделей и недоведенностью большинства из них
до возможности практического применения проектировщиками.
Из рассмотренных ранее моделей (см. гл.7) наиболее
перспективной для указанных целей представляется экспериментально-
теоретическая модель .Мирцхулавы, однако уровень ее разработанности
в настоящее время позволяет использовать эту модель лишь для
планирования размещения сельскохозяйственных культур на том или ином
участке склона, не касаясь проектирования других противоэрозионных
мероприятий.
Большое внимание привлекает эмпирическая модель USLE,
предоставляющая наиболее широкие возможности проектировщикам и в
связи с этим наиболее широко используемая для целей проектирования
противоэрозионных мероприятий. К сожалению до сих пор не известно
ни одной работы, в которой была бы подтверждена применимость
"универсального уравнения потерь почвы" или его модификаций на
территории России. Наиболее подходящей для целей противоэрозионнои
организации территории и проектирования противоэрозионных
мероприятий при внутрихозяйственном землеустройстве является в настоящее
время эмпирическая модель, разработанная во ВНИИЗиЗПЭ под
руководством Г.ПСурмача ("Методические рекомендации...", 1985). Она
позволяет прогнозировать смыв почвы дождевыми и талыми водами и
сравнительно просто подбирать необходимые агротехнические и
лесомелиоративные мероприятия.
Для выполнения указанных работ требуются следующие
картографические материалы:
1) план землеустройства с горизонталями (М 1:10 000),
2) карта крутизны склонов,
3) почвенно-эрозионная карта с горизонталями (при отсутствии
на карте горизонталей их нужно перевести с топографической основы).
На совмещенной топографической и почвенно-эрозионной карте
проводят основные водораздельные линии, разграничивающие
направления линий стока. Начинать лучше с проведения главной водораздельной
линии, а затем ответвлять от нее водораздельные линии меньших
водотоков, включая лощины (водораздельные линии между ложбинами не
проводятся).
253
Таблица 8.4
Севообороты и us структура (Сурмач, 1992)
Севооборот
№
Тин и вид
Соотношение культур или угоднй, %
Пар
(зябь)
Яровые
зерновые (зябь)
Пропашные (зябь)
Озимые
Многолетние
травы
I Полевые
1
2
3
4
5
П-польвый зернопропашной
10-польяый »
9-полышй »
7-польный »
4-польный »
-
-
-
10
-
40
45
30
30
50
30
20
50
30
25
20
25
20
30
25
10
10
-
-
-
II Почвозащитные
6
7
8
7-польный зерно-травяной
6-польный травяно-зерновой
7-польный зерно-травяной
_
-
-
27 | - —
20
25
-
-
28
20
25
45
60
50
ПРИМЕЧАНИЕ: при расчете смыва в севооборотах при стоке талых вод доля зяби
определяется суммирование долей площадей паров, яровых и пропашных культур
Затем на типичных эрозионноокасных склонах (рис. 8.18)
проводят от водораздельной линии до бровки балки или полотна речной
террасы опорные профили, разделив их начиная сверху на отрезки
длиной 75 м G,5 мм на карте масштаба 1:10 000). Далее, измерив
расстояние между горизонталями, определяют уклон каждого отрезка и
записывают его значение на профиле. Затем, пользуясь расчетной схемой,
приведенной в главе 7, рассчитывают смыв почвы с различных
сельскохозяйственных угодий при стоке талых вод 25%-й и стоке ливневых вод
- 7,5-10%-й вероятности превышения (Сурмач, 1992). После этого
умножают полученные величины на произведение коэффициентов
влияния рекомендуемых противоэрозионных мероприятий (табл. 7.11).
Смыв почвы в севообороте рассчитывают на основании данных
о смыве с участков отдельных агрофонов как средневзвешенный, исходя
из принятой структуры посевных площадей. Полученные величины
среднего ежегодного смьша в севообороте в весенний и летний периоды
складывают и сравнивают с допустимой нормой смьша (табл. 1.2).
В случае ее превышения находят на профиле точки, но которым
следует провести первую водорегулирующую лесную полосу, затем
находят по таблицам, какой величины сток задерживается лесополосой; рас-
Таблица 8.5
Коэффициент противоэрозионного влияния севооборота (Сурмач, 1992)
Зябь
1,0
-
Чистый
пар
"
1,13
1
0,8
0,34
Номер севооборота в таблице 8.4
2 1 3 | 4 | 5 ! 6
При талом стоке
0,77 | 0,89 | 0,84 | 0,86 | 0,42 |
При дождевом стоке
0,27 | 0,48 | 0,43 | 0,32 | 0,09
7
0,32
0,06
8
0,39
0,08
254
Таблица 8.6
Коэффициент перехода от смыва с зяби при снеготаянии в районе г. Курска к смыву в
других регионах Русской равнины (Сурмач, 1992)
Средний сток с зяби, мм
Кп
5
0,46
10
0,64
15
0,76
20
0,85
30
1,00
40
1,10
50
1,17
считывают коэффициент водопоглощения, по нему определяют
коэффициент снижения смыва почвы под влиянием лесной полосы и производят
вычисление остаточного смыва. Аналогичным образом в случае
необходимости проектируется вторая водорегулирующая полоса, а иногда и
третья.
Имея план землепользования с намеченными трассами
водорегулирующих лесополос и границами обычного и почвозащитного
севооборотов, землеустроитель может приступить к формированию полей
севооборотов.
При практических расчетах среднемноголетнего смыва в
севообороте пользуются сокращенной схемой.
Рассчитывают или находят по имеющимся в "Методических
рекомендациях... "A985) таблицам и графикам смыв почвы с зяби на
склонах восточной или западной экспозиции на среднесутлинистом типичном
и слабовыщелоченном черноземах Курской области заданной степени
смытости при определенном расстоянии от водораздела и крутизне
склона. Затем делают поправку на генетический тип (табл. 7.8),
гранулометрический состав почвы (табл. 7.9) и экспозицию склона (табл.
7.14). Смыв почвы от дождевого стока с чистого пара и в севооборотах
в зависимости от его типа и вида при обеих видах стока находят
умножением величин смыва с зяби на соответствующие переходные
коэффициенты (табл. 8.4, 8.5). Далее полученные величины смыва умножают на
географические коэффициенты, характеризующие различие средней
величины стока (для весеннего периода) и суточного слоя осадков 1-
процентной обеспеченности (Hi%) (для летнего периода) в Курской
области, и в интересующем нас пункте (табл. 8.6; 8.7). Завершается расчет
умножением величин смыва на произведение коэффициентов влияния
агротехнических приемов в севооборотах отдельно при стоке талых
(табл. 8.8) и дождевых вод (табл. 8.9).
Табли ца 8.7
Коэффициент перехода от смыва при дождях в районе г. Курска (Hj% = 130 мм) к смыву
в других регионах Русской равнины (Сурмач, 1992)
Hi%, мм
Почвы
Кр2
80 | 100 | 120 | 130
Черноземы и серые
лесные
0,6710,7910,92! 1,00
140
Черноземы
1,09
Серые
лесные
1,10
160
Черноземы
1,30
Серые
лесные
1,43
180
Черноземы
1,58
Серые
лесные
1,88
255
Таблица 8.8
•яния агротехнических приемов на смыв в севооборотах при стоке
талых вод (Сурмач, 1992)
~лубокая зяблевая вспашка
ежегодное
лрименение
применение
через год
Поделка
нано-
рельефа
на зяби
Шелевание
ОЗИМЫХ И
многолетних трав
Узкорядный
посев
зерновых
Безотвальная и
плоскорезная
обработка
Для серых лесных почв
0,85
0,89
0,92
0,95
0,90
0,92
0,97
0,93
0,98
0,95
0,80
Для черноземов
0,89
0,92
0,95
0,96
0,91
0,93
0,97 П
0,95
0,98
0,95
-
0,80
Для черноземов и серых лесных почв
0,87
0,91
0,94
0,96
0,91
0,93
0,97
0,94
0,98
0,95
-
0,80
низация территории является важнейшим, но не
■ аншационно-хозяйственным мероприятием. К этой же
есш также мероприятия, направленные на ограниче-
•твеннош освоения территории, интенсивности ее ис-
относятся: запрещение или ограничение рубки леса,
чстьбы скота на наиболее эрозионноопасных
участии части скота на стойловое содержание;
сохранена земель участков леса и луга противоэрозиошю-
о в речных долинах и балках, на крутых приреч-
Таблица 8.9
ехнических приемов на смыв в севооборотах при дождевом
стоке (Сурмач, 1992)
-делка иа-
юрельефа на
тропашных
Узкорядный
посев
зерновых
Внесение удобрений
Слабосмы-
тая почва
Среднесмы-
тая почва
Сильносмы-
тая почва
Для серых лесных почв
0,79
0,83
0,75
0,83
0,82
-
0,96
0,94
0,97
0,97
0,94
0,85
Д
0,79
0,83
0,75
0,83
0,82
-
0,96
0,94
0,97
0,97
0,94
0,85
0,75
0,75
0,75
0,81
0,75
0,75
0,70
0,70
0,70
0,77
0,70
0,70
0,65
0,65
0,65
0,73
0,65
0,65
ля черноземов
0,80
0,80
0,80
0,85
0,80
0,80
0,75
0,75
0,75
0,81
0,75
0,75
0,70
0,70
0,70
0,77
0,70
0,71
ных и нрибалочных склонах, в крупных водоподводящих ложбинах.
К этой группе мероприятий относятся также правильное
размещение сети лесонасаждений, дорог, а также простейших
гидротехнических сооружений.
На склонах лесополосы любого назначения следует располагать
в направлении, близком к горизонталям, и только на ровных участках
полезащитные лесные полосы располагают поперек направления
господствующих ветров. В противном случае они могут стать местом
концентрации стока и развития линейной эрозии. Дорога прокладывают по
границам полей в направлении, близком к горизонталям. На тех дорогах,
которые вынужденно пересекают горизонтали, устраивают распылители
стока в виде валов, пересекающих дорожное полотно, которые
направляют сток в безопасные места.
17 Эрозия и охрана почв
257
9. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ
Задачи предупреждения ветровой эрозии почв решают путем
осуществления комплекса организационно-хозяйственных,
агротехнических и агролесомелиоративных мероприятий. Соотношение между
элементами комплекса зависит от конкретных физико-географических и
социально-экономических условий. Влияние, оказываемое этим
комплексом на все элементы системы земледелия, может быть столь
существенным, что приводит к качественному изменению системы, к
превращению ее в почвозащитную.
9.1 Агротехнические мероприятия
Агротехнические противодефлянионные мероприятия
затрагивают несколько элементов системы земледелия, в первую очередь
порядок использования земли в севообороте и систему механической
обработки. С помощью этой группы мероприятий решают задачи снижения
скорости ветра в приповерхностном слое и повышения
противодефляционной стойкости почвы. Наиболее широкие возможности здесь связаны
с использованием почвозащитной роли растительности.
9.1.1 Почвозащитные севообороты
Почвозащитная эффективность сельскохозяйственных культур
Почвозащитная эффективность каждой сельскохозяйственной
культуры зависит от ее возраста. От посева до появления всходов
почвозащитная эффективность всех культур одинакова и равна нулю. Это
обусловлено тем, что противодефляционная стойкость посевов до
появления всходов целиком определяется противодефляционной стойкостью
258
почвы, которая зависит от свойств почвы, способа подготовки к посеву
и особенностей посевной машины. Начиная с момента появления
всходов почвозащитная эффективность большинства культур увеличивается
по мере роста и развития растений и достигает некоторого предельного
значения, обусловленного биологическими особенностями культуры
(высота, листовая поверхность, поверхность стеблей) и способом посева
(полосный, гнездовой, узкорядный и т.д.). После уборки урожая
почвозащитные функции переходят к растительным остаткам. Почвозащитная
эффективность любой культуры изменяется в течение года. Изменяется
и вероятность сильных ветров, способных вызвать ветровую эрозию,
которая, как следует из изложенного выше, подчиняется определенным
географическим закономерностям: в одних местах пыльные бури
бывают преимущественно весной, в других - летом и т.д. Это обусловливает
трудность однозначной оценки почвозащитной эффективности тех или
иных культур. Тем не менее некоторые заключения сделать можно.
Наиболее устойчивы и практически всегда защищены от
ветровой эрозии поля севооборота, занятые многолетними травами. И это
обстоятельство широко используется на практике. Например, доля
многолетних трав в зернопаровых почвозащитных севооборотах,
разработанных для Северного Казахстана, достигает 50%, а срок их использования
в севообороте - до 6 лет.
Практически не защищены от ветровой эрозии почвы паровых
полей, не занятых растительностью. Весьма мало отличаются от
паровых полей по этому показателю почвы, занятые под свеклу, капусту,
лук и подобные по технологии возделывания и биологическим
особенностям культуры. Их наземной биомассы обычно не хватает в течение
всего сезона для сколько-нибудь эффективной защиты почвы от
выдувания.
Более эффективны в этом отношении такие культуры, как
кукуруза, подсолнечник, хлопчатник. Почвы под зрелыми посевами этих
культур практически не подвержены ветровой эрозии. Однако эти
культуры сравнительно медленно достигают почвозащитного состояния, так
как согласно технологии их возделывания ширина междурядий должна
быть достаточно большой (до 60-90 см), чтобы обеспечить достаточную
площадь питания и возможность проведения культивации. Чем больше
междурядья, тем выше должны быть растения, чтобы защитить почву, и
тем больше для этого требуется времени. Поэтому период
недостаточной почвозащитной эффективности у этих культур более
продолжителен, чем у культур с небольшими междурядьями, и на ранних стадиях
роста и развития они часто страдают от ветровой эрозии почвы.
259
Высокой почвозащитной эффективностью отличаются сплошные
насаждения хлебных злаков в период после начала кущения (с момента
достижения некоторой достаточной в конкретных условиях биомассы)
до уборки урожая. Однако продолжительность этого периода сильно
изменяется. Если для озимой пшеницы за продолжительность этого
периода принять время от прекращения осенней вегетации до наступления
стадии восковой спелости, равное для основных районов ее
возделывания примерно 285 суткам, то продолжительность аналогичного периода
для яровой пшеницы лишь около трех месяцев. Следовательно, озимая
пшеница, если она хорошо раскустилась, длительное время защищает
почву. Продолжительность же защитного действия яровой пшеницы
совершенно недостаточна.
Итак, степень защищенности полей севооборота от ветровой
эрозии в течение года будет закономерно изменяться в соответствии с
биологическими особенностями возделываемых культур. Поэтому при
разработке и размещении севооборота помимо общих требований
необходимо удовлетворить и требование достаточной защищенности полей от
ветровой эрозии. Самым эффективным и распространенным способом
решения проблемы является введение в состав севооборота многолетних
трав. Однако одного этого недостаточно. Необходимо равномерно
распределить травы по полям, что решается путем полосной организации
полей севооборота: полосы трав чередуют с полосами других культур.
Все полосы располагают перпендикулярно направлению наиболее
опасных ветров. Для продления защитного действия сельскохозяйственных
культур используют их послеуборочные остатки. Для дополнения
почвозащитного действия основных культур севооборота используют посев
промежуточных культур. Травосеяние, как средство защиты почв от
ветровой эрозии, широко применяют и на внесевооборотиых землях.
Рассмотрим пути и способы реализации почвозащитных свойств
растительности в севооборотах и вне их более подробно.
Полосное расположение посевов
Итак, основным агротехническим приемом зашиты почв от
ветровой эрозии является чередование полей, занятых почвозащитными
культурами (защитные поля), с полями, занятыми культурами, не
способными предотвратить сдувание почвы (защищаемые поля). Важное
значение при этом имеют размеры защитных и защищаемых полей и их
расположение относительно направления наиболее опасных ветров.
Размеры и расположение защитных полей зависят от размеров и
расположения защищаемых полей. Линейный размер защищаемого поля
260
в направлении ветра (в данном случае его правильнее называть шириной
поля) ограничивается требованием недопущения потерь сверх
определенной величины (вопрос о допустимой величине потерь обсуждается в
главе 1). Известно, что при прочих равных условиях потеря почвы тем
больше, чем больше протяженность поля в направлении ветра (Chepil,
Woodruff, 1963). При одинаковой протяженности потеря тем больше,
чем меньше противодефляционная стойкость почвы. Это обусловлено
тем, что количество переносимой ветром почвы лавинообразно
возрастает с увеличением расстояния от края поля в направлении ветра,
причем "скорость" нарастания интенсивности переноса тем больше, чем
меньше противодефляционная стойкость почв. В результате при
одинаковых размерах поля и одинаковых скорости и продолжительности
ветра потеря почвы будет больше там, где меньше противодефляционная
стойкость почвы. Характер влияния размеров поля на возможные потери
почвы от ветровой эрозии хорошо иллюстрируется соответствующей
номограммой в "уравнении ветровой эрозии" (см. рис. 7.5).
Следовательно, определение необходимой ширины защищаемого
поля сводится к нахождению его протяженности в направлении ветра,
при которой потеря почвы от ветровой эрозии не превысит допустимой
величины. К полученной величине следует прибавить ширину защитной
зоны, создаваемой в результате образования "ветровой тени" за
защитной полосой, примыкающей к защищаемой полосе с наветренной
стороны. Очевидно, что необходимая ширина поля будет тем больше, чем
меньше отличается от прямого угол между длинной стороной поля и
направлением ветра. Необходимая ширина защищаемого поля зависит от
противодефляционной стойкости почвы, которая при прочих равных
условиях определяется её гранулометрическим составом. Поэтому, чем
легче почва по гранулометрическому составу, тем меньше допустимая
ширина защищаемой полосы. Для почв одинакового
гранулометрического состава она будет зависеть от скорости ветра: чем больше скорость
ветра, тем меньше ширина полосы (табл.9.1).
При изложенном подходе к определению ширины защищаемой
полосы допускается, следовательно, некоторая потеря почвы с этой
полосы. Предполагается, что сдуваемая с этой полосы почва не покинет
поле, а отложится в ближайшей защитной полосе. Это обстоятельство
накладывает ограничение на ширину защитной полосы. Ширина этой
полосы не может быть меньше некоторого предела, зависящего от
скорости ветра и почвозащитных свойств этой полосы. Ширина и
защитной, и защищаемой полос может быть рассчитана на основе
количественного учета всех факторов ветровой эрозии. Необходимо добавить,
что при принятии окончательного решения о требуемой ширине полосы
261
Таблица 9.1
Ширина полос черного пара (м), обеспечивающая одинаковую защиту разных почв и
снижение переноса почвы до допустимого уровня (Chepil, Woodruff, 1963)
Класс почвы по
гранулометрическому составу
Песок
Супесь
Агрегированная глина
Песчанистый суглинок
Пьшеватая глина
Суглинок
Пылеватый суглинок
Иловатый суглинок
Отклонение ветра от перпендикуляра к полосе
0"
б
8
24
30
46
76
85
107
20°
5
7
23
28
43
72
79
99
45°
4
5
16
21
34
52
58
76
ПРИМЕЧАНИЕ. Расчеты произведены на скорость ветра 17,9 м/с на высоте 15,2 м и на
допустимую интенсивность переноса почвы, равную 0,1 г/см/с, при высоте стерни
на соседней полосе 30,5 см и при отсутствии почвозащитного нанорельефа на
пашне.
исходят из характеристик используемой сельскохозяйственной техники
- ширина полосы должна быть кратна ширине захвата этой техники.
Кроме того, часто, исходя из соображений удобства организации полей
севооборотов, принимают ширину защитных полей, равной ширине
защищаемых полей.
В интересах сельскохозяйственного производства следует
добиваться увеличения допустимой ширины защищаемых полос. Этого
можно достичь путем увеличения противодефляционной стойкости почвы
или самого поля. Самым доступным и широко используемым приемом
при этом является мульчирование.
Мульчирование
В настоящее время в целях предотвращения ветровой эрозии
почву чаще всего мульчируют послеуборочными остатками,
подстилочным или жидким навозом, отходами промышленности, специально
созданными химическими препаратами. Наиболее широко используют
послеуборочные остатки на корню (стерня хлебных злаков) или после
соответствующей обработки (солома, измельченные стебли подсолнечника,
сорго, кукурузы).
Почвозащитная эффективность послеуборочных остатков (как,
впрочем, и живых растений) зависит от высоты слоя, которым они
покрывают почву, суммарной поверхности листьев и стеблей в единице
объема этого слоя и от скорости ветра. При одинаковых условиях
(скорости ветра, характере расположения на поверхности, длине
стеблей) эффективность растительных остатков будет зависеть от вида сель-
262
Брдз5рв£ Wo корню
Рис. 9.1. Почвозащитная эффективность пожнивных остатков различных
сельскохозяйственных культур (Lyles,AUison 1980)
скохозяйственной культуры. Эффективность пожнивных остатков на
корню убьюает в следующем порядке (рис. 9.1): озимая пшеница, рапс,
сорго, кукуруза, хлопчатник, подсолнечник. В этом же порядке убьюает
и эффективность послеуборочных остатков при условии равномерного
разбрасывания их по поверхности. Во всех случаях эффективность
остатков на корню (при той же массе) выше, чем при их разбрасывании.
Весьма эффективным противодефляционным приемом является
мульчирование почвы жидким навозом. Он существенно улучшает не
только физико-механические свойства поверхностного слоя почвы, но и
ее питательный режим. Твердая фаза жидкого навоза задерживается
некапиллярными порами поверхностного, примерно двухсантиметрового,
слоя почвы, а жидкая, содержащая коллоиды и растворимые
органические вещества, просачивается вглубь. Поверхностный слой почвы
высыхая превращается в корку, проницаемую для воды и воздуха и
устойчивую к воздействию ветра и абразии переносимыми ветром почвенными
частицами. Корка надежно предохраняет почву от дефляции. Кроме
того, она затрудняет потерю воды почвой в результате испарения. Ран-
невесеннее мульчирование жидким навозом степных почв Западной
Сибири позволяло не только защитить почву, но и уберечь влагу в почве
без боронования (Краснощекое, 1984).
Мульчирование жидким навозом особенно эффективно при
необходимости быстрого "подавления" очагов дефляции почв, а это очень
важно, так как дефляция обычно начинается в наименее устойчивых ча-
263
стях поля и затем лавинообразно распространяется по направлению
ветра.
В целях оперативной ликвидации очагов дефляции
рекомендуется применять пониженные дозы жидкого навоза: 15 т/га - при
сплошной обработке поля и 9 - при полосной. Полосную обработку
рекомендуется проводить на полях с некарбонатными почвами среднего и
тяжелого гранулометрического состава (т.е. с почвами относительно
устойчивыми к ветру), а сплошную - на полях с карбонатными и легкими по
гранулометрическому составу почвами (т.е. относительно
неустойчивыми). Ширина обработанных полос 6 м, необработанных - не более 4
м. С увеличением дозы навоза его почвозащитная эффективность
увеличивается, но при этом теряется оперативность. Если позволяет время
и ресурсы целесообразно увеличить норму внесения жидкого навоза до
50-100 т/га.
Для внесения жидкого навоза используют машины серийного
производства - разбрасыватели жижи. Влажность навоза не должна
быть больше 94%. В противном случае не обеспечивается необходимая
противодефляционная стойкость почвы.
Многочисленными опытами подтверждена эффективность
разных видов нефти, битума, отработанных минеральных масел, сульфит-
спиртовой барды и продуктов ее конденсации, сульфата целлюлозы,
карбоксиметилцеллюлозы, мелиорантов на основе лигнина,
синтетических латексов, смол, поверхностно-активных веществ, полиэлектролитов.
Однако ни одно из веществ этих классов не нашло пока широкого
применения в условиях сельскохозяйственного производства. Объясняется
это в первую очередь экономическими причинами. Велики и стоимость
веществ, и стоимость их внесения в почву. Эффективные дозы самих
веществ невелики (от нескольких десятков до нескольких сотен
килограммов на гектар), но необходим еще и растворитель (чаще всего вода)
в количестве 10-30 м /га, транспорт и машины для внесения.
Наиболее широко мульчирующие вещества применяют для
целей закрепления песчаных почв, которые в результате антропогенного
воздействия (при строительстве дорог, трубопроводов, линий
электропередачи, а также в результате нерегулируемого выпаса скота) нередко
превращаются в подвижные пески. Особенно часто это происходит в
зонах сухих степей, полупустынь и пустынь. Мульчирующие вещества
здесь - единственное средство для первоначального закрепления песков,
позволяющее применить затем фитомелиоративные мероприятия -
посадку и посев псаммофитов (песколюбивых растений).
264
Посев промежуточных культур
Назначение промежуточных культур, как и в случае водной
эрозии, состоит в восполнении утраченного элемента плодосмена и
создании защитного покрова на поверхности почвы, когда послеуборочных
остатков основной культуры недостаточно для защиты почв от ветровой
эрозии. В качестве озимых почвопокровных культур (высеваемых в
конце лета и в начале осени, чтобы обеспечить защиту почвы зимой и
весной) используют рожь, пшеницу и овес. Озимые почвопокровные
культуры используют в районах достаточного увлажнения. В
засушливых районах их используют редко и только на почвах чрезвычайно
сильно подверженных ветровой эрозии. Наиболее широко в качестве
озимой почвопокровной культуры используют овес, так как он меньше
чем озимые пшеница и рожь, иссушает почву. Это обусловлено тем, что
какая-то доля растений овса зимой гибнет, но оставаясь на корню,
эффективно защищает почву и задерживает снег. Обычно овес высевают
после уборки свеклы, картофеля, овощей, сои. Норма высева 36-52
кг/га. Весной почвозащитную культуру уничтожают гербицидами или
механическим путем (культиватором), оставляя ее остатки в таком
количестве, чтобы обеспечить поздней весной защиту высеваемых после
этой культуры всходов основной культуры, например кукурузы.
В пустынной зоне на легких орошаемых почвах для защиты
посевов хлопчатника от выдувания в качестве почвопокровной культуры
применяют рожь. Ее высевают в ноябре по гребням борозд, расстояние
между которыми 60 см. В феврале производят ее подкормку азотом
A20 кг/га). В течение вегетации ее 2-3 раза поливают. Высота
растений ржи к концу апреля достигает 1 м. Перед посевом хлопчатника
рожь убирают на зеленый корм, оставляя стерню высотой 15 см, которая
надежно укрывает всходы хлопчатника от выдувания и засекания. В
отсутствие почвопокровной культуры хлопчатник в иные годы приходится
пересевать по нескольку раз. Весенние посевы почвопокровных культур
применяют тогда, когда растительных остатков с прошлого года к весне
сохранилось недостаточно для защиты почв и посевов основной
культуры. Почвопокровные культуры (сорго, горох полевой, вику) сеют
одновременно с основными.
Кулисы
Как и все препятствия на пути ветра наиболее эффективны
кулисы, ориентированные в направлении, перпендикулярном наиболее
опасным ветрам.
265
Механизм действия кулис - двоякий: во-первых, они создают
защитную зону с подветренной стороны кулисы, а во-вторых, служат
фильтром, задерживающим почвенные частицы, переносимые ветром. И
способность создавать защитную зону, и способность фильтровать
воздушный поток зависят от следующих характеристик: скорости ветра,
критической для почвы скорости ветра в данный момент, высоты и
проницаемости кулисы для воздушного потока. Механизм взаимодействия
кулисы с ветром аналогичен механизму взаимодействия полезащитных
лесных полос. Отметим лишь следующее. Протяженность защитной
зоны, создаваемой кулисой (ее ширина) при какой-либо постоянной
скорости набегающего на нее воздушного потока прямо
пропорциональна высоте кулисы: чем больше высота, тем протяженнее защитная зона.
Обычно ширина защитной зоны составляет примерно 8-12 высот
кулисы. Длина защитной зоны равна длине кулисы. Изменение скорости
ветра сопровождается изменением ширины защитной зоны: чем больше
скорость, тем меньше ширина. Причинами этого являются уменьшение
эффективной высоты кулисы вследствие изгибания растений под
напором ветра и увеличение интенсивности турбулентного перемешивания с
увеличением скорости.
Почвозащитная эффективность кулис одинаковой высоты при
данной постоянной скорости ветра зависит от их проницаемости для
ветра. Количественным выражением проницаемости может служить
доля сквозных просветов на проекции кулисы на плоскость, параллельную
кулисе, выраженная в процентах. Наименьшую защитную зону создают
сплошные кулисы с проницаемостью равной нулю. Увеличение
проницаемости до некоторой величины, близкой к 50%, сопровождается
увеличением защитной зоны; дальнейшее увеличение проницаемости
сопровождается уменьшением защитной зоны. Оптимальной, например,
считается проницаемость двухрядной кулисы из растений кукурузы или
сорго, расположенных на расстоянии 15 см друг от друга (Михайлина,
1977).
Если кулисы предназначены для защиты почвы от выдувания в
отсутствие защищаемой культуры, а также для накопления и
равномерного распределения по полю снега, то расстояние между ними
определяют так же, как и ширину защищаемых полос (см. раздел "Полосное
расположение посевов"), т.е. оно складывается из протяженности
защитной зоны самой кулисы и из протяженности незащищенного участка
поля в направлении ветра, при которой потеря почвы от дефляции с
этого участка не превысит допустимой величины. Кулиса,
следовательно, рассчитана на аккумуляцию почвы, сдуваемой с участка поля,
прилегающего к ней с наветренной стороны.
266
Технологии земледелия с применением кулисных посевов
разрабатывают зональные научно-исследовательские институты сельского,
хозяйства и опытные станции. Они же испытывают и рекомендуют
хозяйствам основные характеристики кулисных насаждений. Расстояние
между кулисами на одном и том же поле будет зависеть от характера его
использования. Так, в Кулундинской степи на легких по
гранулометрическому составу каштановых почвах оказались эффективными трех-,
четырехрядные кулисы из горчицы, располагаемые на паровых полях через
12 м перпендикулярно направлению господствующих ветров; трехрядные
кулисы из подсолнечника, располагаемые в посевах яровой пшеницы
через 21 м; в посевах многолетних трав (для целей снегозадержания) -
через 19,8 м; в посевах кукурузы (для защиты почвы от дефляции после
уборки кукурузы) - через 16,8 м (Каштанов, Заславский, 1984).
Различия в рекомендуемых величинах межкулисного расстояния обусловлены
необходимостью выполнения условия кратности межкулисного
расстояния ширине захвата сельскохозяйственных машин.
Наилучшей для создания кулис в степных районах Западной
Сибири и Северного Казахстана культурой считается горчица сизая
(сарептская). Она обладает рядом преимуществ перед другими
кулисными культурами. У нее короткий вегетационный период - 80-85 дней.
В первый период горчица растет медленно, во второй - быстро и
угнетает сорняки. Кулисы из горчицы не нуждаются в междурядных
обработках. Высота такой кулисы достигает 1 м. При густоте насаждения 30-
40 растений на погонный метр рядка кулиса из горчицы характеризуется
хорошими аэродинамическими (почвозащитными) качествами. Одним из
главных преимуществ горчицы является возможность сравнительно
позднего посева - в первой декаде июля. К этому сроку в Западной
Сибири и в Северном Казахстане уже в значительной степени завершена
предварительная очистка паровых полей от сорняков. А это имеет
важнейшее значение, так как кулиса может стать очагом развития сорняков.
Кукуруза или подсолнечник, посеянные в кулисе после завершения
предварительной очистки паровых полей от сорняков, в отличие от
горчицы, не успевают развиться до наступления морозов в достаточной
степени и зимой полегают под действием ветра.
Весной перед посевом яровой пшеницы в качестве первой
культуры после пара (защищенного кулисами) кулису уничтожают дисковой
бороной. Чтобы защитить поле от дефляции после уборки урожая
яровой пшеницы на нем также необходимо заложить кулису. С этой целью,
высевая яровую пшеницу стерневой сеялкой, через каждые пять
проходов двухсеялочного агрегата, т.е. через 21 м, оставляют просев шириной
2,1 м. После появления всходов пшеницы оставленные просевы не-
267
сколько раз культивируют и в конце июня - начале июля высевают
подсолнечник по середине просева в три ряда с междурядьями 15 см. При
уборке пшеницы и последующей обработке почвы с оставлением стерни
кулисы сохраняются и выполняют почвозащитную функцию в течение
осени-зимы-весны. Перед посевом яровой пшеницы в качестве второй
культуры после пара, кулисы уничтожают игольчатой бороной или
культиваторами. В посевах яровой пшеницы в качестве второй культуры
после пара кулисы создают по той же технологии, что и в посевах
первого года. Кулисы применяют и в полях, занятых пропашными
культурами, и в полях многолетних трав (для влагонакопления за счет снега).
Технологии их создания зависят от почвенно-климатических условий и
принятой системы земледелия.
Травосеяние
Травосеяние играет важнейшую роль в системе мер по
предотвращению ветровой эрозии пахотных почв, однако в системе мер по
охране внесевооборотных земель его роль еще больше. В ряде случаев
травосеяние (часто говорят "залужение") - единственный способ
предотвращения ветровой эрозии почв. Такая ситуация возникает на ветро-
ударных склонах с почвами, характеризующимися низкой противодеф-
ляционной стойкостью; во всякого рода "ветровых коридорах", в
которых, несмотря на высокую временами противодефляционную стойкость
почв, необычно велики скорости ветра; на песчаных террасах рек, на
необдуманно вовлеченных в пашню больших массивах песчаных почв,
на перегруженных выпасаемым скотом целинных и искусственных
выпасных угодьях на легких по гранулометрическому составу почвах.
В первую очередь залужению подлежат очаги дефляции,
выявляемые при помощи специалистов хозяйств. Залужение может быть
постоянным (с переводом пашни в категорию сенокосных или пастбищных
угодий) или временным (с последующим постепенным вовлечением
залуженных земель в пашню). Технологию травосеяния и виды
используемых трав рекомендуют зональные научно-исследовательские
учреждения. Основная трудность, которую приходится преодолевать при залу-
жении сильно дефлируемых почв, заключается в получении всходов и
защите их от засекания на первых стадиях их роста и развития.
Основные положения, которых следует придерживаться при
закреплении почв многолетними травами, разработаны во ВНИИЗХ для
степных районов Северного Казахстана, Хакассии, Бурятии и Тувы
(Бараев и др., 1975). На почвах, подверженных ветровой эрозии, но
частично защищенных хотя бы в самой слабой степени (редкими отдель-
268
ными сорняками или культурными растениями), осенью высевают
житняк без предварительной обработки почвы. Весной семена житняка
дадут всходы независимо от выпадения или отсутствия дождей. На
абсолютно не защищенных почвах используют весенний посев. Для этого,
дождавшись дождей, проводят мелкую отвальную или безотвальную
обработку и высевают какую-либо яровую культуру - просо, ячмень, овес.
Если она даст хорошие всходы их можно будет подкашивать на зеленый
корм или сено и по стерне высевать многолетние травы. Если
насаждения получаются изреженными, многолетние травы по ним высевают без
подкашивания. Созданные таким способом кормовые угодья используют
в первые 2-3 года исключительно в качестве сенокосов, а в
последующие годы либо постепенно вовлекают в пашню на основе
почвозащитных севооборотов, либо используют для строго регулируемого выпаса
скота.
Особенно трудно добиться залужения подвижных песков. Это
обусловлено особенностями водного и пищевого режимов песков в
сочетании с их высокой подвижностью. Растения на песках подвергаются не
только засеканию, но и выдуванию и засыпанию. Наиболее пригодны
для возделывания на песчаных почвах юга и юго-востока европейской
части России в засушливой степи - люцерна (синяя, голубая, желтая,
синегибрюшая, пестрогибридная), эспарцет песчаный, донник желтый и
каспийский, житняк сибирский и Лавренко, сорго, суданская трава,
прутняк песчаный, пырей сизый и др.; в полупустыне - житняк
сибирский, люцерна посевная, прутняк простертый, овес песчаный, суданская
трава, полынь Чернова. В зоне пустынь для закрепления подвижных
песков используют песчаный овес, житняк сибирский, аристиду
Карелина и перистую, кумарчики (песчаный, широколистный, малый), горани-
новию. Указанные виды песколюбивых растений используют в
сочетании с механическими защитами и мульчирующими веществами, которые
обеспечивают возможность получения всходов.
9.1.2 Почвозащитная система механической обработки
В районах распространения ветровой эрозии почв в рамках
почвозащитных систем земледелия значительную долю объема
механических обработок приходится выполнять в условиях большого количества
послеуборочных остатков на поверхности почвы, оставляемых в целях
ее мульчирования. Для этого разработана и продолжает разрабатываться
специальная противоэрозионная техника - сеялки, бороны, орудия для
основной безотвальной обработки.
269
Основная обработка
Цель основной обработки - подготовить почву к дальнейшему
использованию. Содержание ее зависит от погодных и почвенных
условий, высеваемой культуры и ее предшественника, от степени
засоренности полей и видового состава сорняков. Поэтому универсальных
приемов основной обработки, пригодных для разных природных условий,
нет. Укажем лишь на способы решения задач основной обработки
почвы в сочетании с выполнением требования охраны почв от ветровой
эрозии.
Рис. 9.2. Чизельный плуг-рыхлитель (слева) и плоскорез-глубокорыхпитель (справа): 1 -
рабочий орган; 2 - рама; 3 - опорное колесо; 4 - механизм регулирования глубины
обработки
Наиболее эффективным и широко распространенным приемом
является мульчирование поверхности почвы послеуборочными
растительными остатками. Районы распространения ветровой эрозии почв
характеризуются недостаточностью или неустойчивостью увлажнения,
поэтому основную обработку здесь необходимо производить как можно
раньше, чтобы сохранить оставшуюся в почве после уборки урожая
влагу и создать условия ее накопления в осенне-зимний период. При этом
необходимо обеспечить сохранность растительных остатков на
поверхности. Основная обработка почвы с сохранением растительных
остатков на поверхности носит название безотвальной обработки, поскольку
ее производят без оборота пласта специальными орудиями. Этими
орудиями первоначально были плуги со снятыми отвалами, а теперь -
плоскорезы и чизели (рис. 9.2).
Каждый рабочий орган плоскореза собран из двух лемехов
(правого и левого), прикрепленных к башмаку, в свою очередь
прикрепленному к пятке стойки. В передней части рабочего органа находится
долото. И долото и лемеха снизу наплавлены тонким слоем твердого
сплава "сормайт", что придает им способность "самозатачиваться".-
270
Плоскорезы
различаются по форме и
числу рабочих органов
(рис. 9.2; 9.3). В
зависимости от их параметров,
а также от глубины
основной обработки,
изменяется и сопротивление
почвы движению
плоскореза. А чем больше
сопротивление, Тем МОЩНее Рис. 9.3. Схема рабочих органов: а - плоскореза-
HVXeH TDaKTOD СОШЮ- глУ^окоРыхлителя: I ~ стойка; 2 - башмак; 3 - левый
лемех; 4 - долото; 5 - правый лемех; б - чизеля-
тивление почвы, помимо глубокорыхлителя:; _ долото. 2 _ стойка. 3 _ ^W£Ka.
указанных факторов, за- тель; 4 - стрельчатая лапа
висит от физико-
механических свойств почвы, а также от скорости движения орудия.
Все названные факторы влияют и на качество выполнения основной
обработки плоскорезом и на степень сохранения растительных остатков на
поверхности. Наиболее широко используемые в настоящее время
плоскорезы при обычных скоростях E-8 км/ч) и прочих оптимальных
условиях оставляют на поверхности 80-85% пожнивных остатков.
Механизм процесса
рыхления плоскорезами может быть
сведен в первом приближении к
взаимодействию между почвой и
двугранным плоским клином,
перемещаемым на нужной глубине h
параллельно почвенной
поверхности. Рыхление почвы происходит не
г жущимся параллельно поверхности на глубине
ТОЛЬКО В результате СКаЛЫВаЮЩИХ f, в направлении, указанном стрелкой
и сжимающих деформаций в зоне
разрушения, создаваемой движущимся клином, но и в результате падения
пласта с высоты Я на дно борозды. Рыхление, следовательно,
производится без оборота пласта, в результате этого сохраняются растения и
пожнивные остатки на поверхности (рис. 9.4).
Чизель (от англ. chisel- долото) -орудие для безотвальной
обработки почвы с недорезом пласта по ширине захвата. Для проведения
основной обработки используется чизельный плуг-рыхлитель,
комплектуемый двумя типами сменных лап: рыхлительным долотом с шириной
захвата 70 мм для рыхления на глубину до 45 см и стрельчатьми лапами
с шириной захвата 270 мм для рыхления на глубину до 30 см (рис. 9.3).
Рис. 9.4. Схема рыхления почвы клином, два-
271
При обработке чизелем на поверхности сохраняется до 60% стерни. По
степени перемешивания почвы чизелевание превосходит плоскорезную
обработку, но уступает отвальной пахоте. Его основным преимуществом
является меньшее, чем у других способов основной обработки,
потребление энергии.
Помимо названных орудий в Западной Европе для безотвальной
основной обработки широко применяются плуги с наклонной стойкой
(типа "параплау"). По механизму рыхления почвы и степени
сохранности пожнивных остатков на поверхности они сходны с плоскорезами. Их
отличие в том, что они более интенсивно рыхлят корнеобитаемый слой
(Аллен, 1985).
Борьба с сорняками и закрытые влаги
Поля, занятые пожнивными остатками, необходимо
периодически рыхлить в целях закрытия влага и уничтожения сорняков. При этом
необходимо сохранять пожнивные остатки в максимально возможной
степени. Поскольку орудия традиционного земледелия здесь непригодны,
используют специальную противоэрозионную технику - плоскорезы,
чизели, тяжелые лаповые культиваторы, штанговые культиваторы и
игольчатые бороны.
Для безотвального рыхления почвы на небольшую глубину E-16
см) и уничтожения сорняков применяют тяжелые лаповые культиваторы.
По конструкции рабочего органа, стрельчатой лапы (рис. 9.5), и
механизму рыхления эти орудия сильно отличаются от плоскорезов. Они
обладают более высокой проходимостью (при малой глубине обработки)
чем плоскорезы, т.е. способны работать в более широком диапазоне
твердости почвы и при большем количестве сорняков. Рабочий орган
таких орудий представляет собой стрельчатую лапу, укрепленную на
подпружиненной стойке. Стойка сделана из плоской пружинной стали,
изогнутой в виде
спирали. Благодаря
изогнутости стойки в
продольной вертикальной
плоскости корень
сорного растения,
попавшего на лапу
культиватора, поднимается по
стойке вверх. В ре-
Рис. 9.5. Тяжелый лаповый противоэрозионный культиватор: ЗуЛЬТЯТС ЭТОГО СНИЖЙ-
I - рама; 2 - прицеп; 3 - пневматические колеса; 4 - рабо- етСЯ ПрИЖИВаеМОСТЬ
чий орган; 5 - штанговое приспособление
272
подрезанных сорняков, а лапы культиватора не забиваются корнями.
Поскольку в тяжелых лаповых культиваторах стойки играют активную
роль, их суммарная ширина гораздо больше, чем у плоскорезов. Если у
плоскорезов толщина стойки составляет всего 2% от ширины захвата
орудия, то в наиболее распространенном лаковом культиваторе КПЭ-3,8
на долю стойки приходится 10% от ширины захвата лапы. Поэтому
тяжелые лаповые культиваторы отличаются от плоскорезов более высоким
удельным сопротивлением. Они более интенсивно перемешивают почву,
и стерни после них остается меньше, чем после плоскорезов.
Для уничтожения
сорняков с мелко залегающей
корневой системой на
стерневых парах, обработанных
плоскорезами, применяют
штанговые культиваторы (рис.
9.6). Рабочий орган штангового
культиватора - штанга
квадратного сечения B,5 х 2,5 см)
длиной 3,6-3,8 м -
перемещается В Направлении, ПерпенДИ- Рис. 9.6. Штанговый культиватор; 1 - централь-
кулярНОМ СВОеЙ ДЛИННОЙ СТО- "ый гРлдиль: 2 ~ ™»ес°:3 - тяга; 4 -прицеп; 5 -
.. , , . бункер; б - стяжка 7 - грядиль со штангой; 8 -
роне, на глубине 6-10 см в а
плоскости, параллельной
почвенной поверхности. При этом штанге придают вращательное движение
в направлении, противоположном вращению опорных колес орудия
(один оборот штанги приходится на 1,1 м пути агрегата). Штанга
разравнивает поверхность почвы, рыхлит без оборачивания поверхностный
слой почвы, вырывает и выносит на поверхность корни сорняков, а
также часть пожнивных остатков, заделанных в почву во время предыдущих
обработок.
Поля с пожнивными остатками необходимо периодически
рыхлить, чтобы разрушить корку и тем самым уменьшить капиллярный
подток влага к испаряющей поверхности. В обычных условиях для этой
цели предназначены зубовые бороны. На полях с защитным слоем
пожнивных остатков зубовые бороны применять нельзя, так как они
счесывают пожнивные остатки. В результате почва лишается защитного
покрова, а корка остается невредимой. Поэтому для закрытия влаги на
полях с пожнивными остатками используют игольчатые бороны.
Наиболее широко используемая игольчатая борона БИГ-3
(борона игольчатая гидрофицированная) состоит из четырех батарей
плоских игольчатых дисков типа ротационной мотыги, закрепленных на
18 Эрозия и охрана почв
273
раме по Х-образной
схеме (рис. 9.7). Каждый
игольчатый диск
диаметром 510 мм состоит из
плоского сплошного
диска с приваренными к
нему 12 иглами, загнутыми
по спирали в одной
плоскости. Каждая
батарея состоит из игольча-
Рис. 9.7. Игольчатая борона: 1 - рама; 2 - колеса; 3 - ТЫХ ДИСКОВ, НасажеБНЫХ
батарея игольчатых дисков на ось с интерва!ТОМ 169
мм. Угол атаки диска, т.е. угол между плоскостью диска и направлением
движения орудия, изменяется от 0 до 18°. Чем больше угол атаки, тем
больше разница между скоростью движения кончика каждой иглы и
скоростью всего орудия, тем больше интенсивность рыхления почвы,
тем больше уничтожается стерни. Кончик иглы бороны, взаимодействуя
с почвой, образует в ней лунку эллиптической формы, отчасти за счет
сминания почвы, отчасти за счет скалывания и отбрасывания почвы из
места погружения иглы. Вывернутые из почвы комки покрывают ее
поверхность сплошным мульчирующим слоем. Помимо угла атаки иа
интенсивность рыхления влияет и положение игл. Если иглы входят в
почву вьшуклой стороной, то их положение называют пассивным, если
вогнутой, то активным. При пассивном положении игл почва рыхлится
лучше, чем при активном, но стерни сохраняется меньше. С
увеличением скорости движения бороны уменьшается количество оставшейся
стерни. Однако степень ухудшения этого показателя с увеличением
скорости у игольчатых борон в два раза меньше, чем у плоскорезов.
Предпосевная обработка и посев
Цель предпосевной обработки - создать необходимые условия
для заделки семян в почву и быстрого их прорастания. Содержание
предпосевных обработок зависит от почвенных и погодных условий, от
высеваемой культуры и от предшественника, от засоренности поля и
видового состава сорняков. При проведении предпосевных обработок
необходимо в максимально возможной степени сохранить пожнивные
остатки, увеличить противодефляционную стойкость почвы. Поэтому
предпосевную обработку производят противоэрозионными орудиями -
культиваторами-плоскорезами, лаповыми культиваторами, игольчатыми
боронами, штанговыми культиваторами.
274
Основная задача, решаемая с помощью посевных машин, -
равномерное распределение семяи по полю и заделка их на глубину,
установленную для данной культуры в данной почвенной зоне. Помимо
обеспечения наилучших условий для прорастания семян, посевные
машины должны обеспечить защиту почвы и семян от выдувания. До того,
как всходы окрепнут, они должны быть защищены пожнивными
остатками. Следовательно, сеялка должна быть приспособлена для работы в
условиях большого количества растительных остатков в почве и на ее
поверхности. Обычные зерновые сеялки с двухдисковыми сошниками в
таких условиях не работают, так как они забиваются растительными
остатками. Поэтому для работы на полях с большим количеством
пожнивных остатков созданы специальные стерневые сеялки (рис. 9.8).
Стерневые сеялки снабжены мощными трубчатыми сошниками,
которые одновременно
выполняют и роль рыхлителей. 4_ir;n,i
Для развития этой функции
сошники снабжают нараль-
никами и рыхлительными
лапами разной конструкции.
Сохранность стерни после
посева стерневыми сеялками
достигает 50-60% от исход-(^
ного количества.
Трубчатый сошник
перемещается в вертикаль- „ „ „ ^
Рис. 9.8. Сеялка-культиватор зерновая стерневая: I
НОЙ ПРОДОЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ _ рала. 2 _ опорное колесо; 3 - прикатывающие кат-
ЯП Заданной глубине И, ПОД- ки; 4 - зернотуковый ящик; 5 - тукосемяпроводы; б -
резая И раздвигая ПОЧВу, сошник; 7 - прицеп; 8 - высевающий аппарат
продельюает в ней борозду, дно которой служит ложем для семян. По
мере движения сошника значительная доля объема борозды заполняется
почвой в результате осыпания ее со стенок. Катки, установленные за
сошником, подпрессовывают осыпь, улучшая контакт семян с ложем и
укрепляя стенки борозды. Между двумя соседними бороздами образуется
гребень, а поверхность поля становится рифленой.
Если посев на тяжелых и средних по гранулометрическому
составу почвах производили при оптимальной влажности, то образующиеся
гребни довольно устойчивы к разрушающему действию ветра: они
выдерживают напор ветра, имеющего скорость порядка 15 м/с. Если на
такой рифленой поверхности и наблюдается незначительный перенос
почвы, то и он приводит лишь к перемещению частиц почвы в пределах
одного поля, так как борозды являются эффективной ловушкой для ска-
275
чущих под действием ветра почвенных частиц, а сами гребни в
результате отмостки крупными, менее подвижными агрегатами, становятся более
устойчивыми к действию ветра.
На легких по гранулометрическому составу несвязных почвах
гребни не способствуют сниженшо интенсивности ветровой эрозии, так
как в этом случае нет материала для самоотмостки, а почва защищена
лишь пожнивными остатками.
На почвах тяжелого гранулометрического состава с большим
количеством стерни во влажные вёсны качество сева стерневыми
сеялками с трубчатыми сошниками не соответствует агротехническим
требованиям. Это обусловлено и залипанием высевающих органов, и
слишком большой глубиной заделки семян (будучи настроенными на малую
глубину заделки семян, эти сеялки не обеспечивают постоянства
глубины семенного ложа, поскольку при пониженной твердости почвы и при
наличии неравномерно распределенных источников сопротивления
движению агрегата в виде корней и стеблей, эти сеялки неустойчивы в
вертикальном направлении; устойчиво они работают при настройке на
глубину 8-10 см). Поэтому на таких почвах во влажные вёсны используют
лущильник-сеялку.
Она состоит из шести дисковых батарей, каждая из которых
имеет раму и шесть сферических дисков диаметром 510 мм. Позади
каждого диска укреплен наконечник семяпровода. Угол атаки диска 30-
35°. При таком угле атаки диск, погруженный в почву на 4-6 см,
подрезает и сдвигает в сторону без оборота ленту шириной в несколько
сантиметров, открывая борозду такой же ширины. Через наконечник,
закрепленный позади диска, семена попадают в борозду открытую этим
диском и заделываются почвой, подрезаемой и сдвигаемой следующим
диском.
Лущильник-сеялка наряду с указанными преимуществами имеет
и недостатки. Это орудие уничтожает до 75% стерни. Кроме того, как и
всем орудиям с плоскосферическими дисками, лущильникам-сеялкам
присуща неравномерность хода по вертикали и связанная с этим
неравномерность глубины заделки семян.
Совмещение операций и минимальная обработка
Один из перспективных путей уменьшения нагрузки на почву -
сокращение числа обработок за счет совмещения операций. Так, для
внесения минеральных удобрений на глубину от 10 до 30 см
одновременно с плоскорезной обработкой создан глубокорыхлитель-удобритель
(рис.9.9). Он оснащен рабочими органами плоскореза-глубокорыхлителя,
276
туковым ящиком и вентилятором. С заднего торца стойки рабочего
органа прикреплен туконаправитель с дефлектором в нижней части, в
который поступает из тукового ящика под действием силы тяжести
гранулированное удобрение. В этот же туконаправитель сверху вниз
направляется поток воздуха от вентилятора, который, будучи отклонен
дефлектором, равномерно распределяет падающие гранулы по ширине
захвата плоскореза. Аналогичное орудие создано и для подпочвенного
внесения жидкого навоза.
На Северном Кавказе и на юге Украины до 40% посевов озимой
пшеницы размещают по непаровым предшественникам - подсолнечнику,
кукурузе, клещевине, сорго, гороху. После уборки этих культур почва
бывает переуплотнена (твердость ее достигает 3^4 Мпа) и пересушена, а
на поверхности ее остается до 3 т/га пожнивных остатков и до 1 т/га
корневищ. В зависимости от плотности почву 2-3 раза культивируют и
прикатывают кольчато-
шпоровыми катками. Такая
технология обеспечивает удо]
летворительную подготовку ь
посеву и мульчирование
поверхности растительными
остатками, однако
сопровождается переуплотнением почвы и
повышенным расходом сил и
средств. Для совмещения этих
видов обработки создан
комбинированный ПОЧВОобрабаТЫ- РиС- 9"9' Глубокорыхлитель-удобритель: 1,2 - рабо-
чие органы; 3 - туковый ящик
вающий агрегат (рис.9.10).
Рабочие органы дисковых батарей разрезают и частично
подрезают растительные остатки и рыхлят почву на глубину 5-8 см.
Плоскорезы, следующие за дисковыми батареями, крошат почву и полностью
подрезают сорняки. Глубина взрыхленного слоя достигает 14 см.
Игольчатые диски рыхлят и разравнивают поверхностный слой, а кольчато-
шпоровые катки разрушают крупные комки, уплотняют нижние и
разрыхляют верхние слои обработанного горизонта.
Наиболее широко совмещение операций практикуется при
предпосевной обработке и посеве. Так, все посевные противодефляци-
онные машины, описанные выше, основаны на совмещении операций.
Сеялкой зерновой-стерневой за один проход производят посев и прика-
тывание рядков; сеялкой-культиватором и сеялкой-лущильником -
предпосевную обработку, посев, внесение гранулированных удобрений и
легкое прикатывание посевов.
277
Теоретически число
обработок можно свести к одной -
севу. Практической реализацией
идеи предельного уменьшения
числа обработок почвы служат
разрабатываемые во многих
странах технологии выращивания
сельскохозяйственных культур с
применением прямого сева в
дернину, в щель или в канавку,
которые позволяют сократить
издержки производства и
уменьшить потери почвы от ветровой
Рис. 9.10. Комбинированный почвообрабатываю- ЭР03ИИ- Однако Земледелие ПраК-
щий агрегат: 1 - опорное и транспортное коле- ТИЧеСКИ без Обработки ПОЧВЫ (на
са; 2 - рама; 3 - батарея сферических дисков; 4 фоне "нулевой обработки") ВОЗ-
- плоскорежущие лапы; 5 - батарея игольчатых мохш) 1тъко пщ ВЬШОлнеНИИ
дисков; б - секция кольчато-шпоровых катков „
ряда условии. Прежде всего
такие технологии наиболее приемлемы при выращивании кормовых
зерновых культур. Для их использования необходимы соответствующие
технологические средства и специальные сорта растений. Кроме того, и это
Таблица 9.2
Сохранность стерни при разных системах механической обработки почв (Краснощекое,
1984)
Система механической обработки
1. Осенняя вспашка плугом, боронование зубовой бороной ранней весной,
предпосевная культивация плоскореэом-глубокорыхлителем КПГ-4
2. Осенняя обработка плоскорезом-глубокорыхлителем КПГ-250, раниевесен-
няя обработка бороной игольчатой БИГ-3, предпосевная обработка тяжелым
лаповым противоэрозионным культиватором КПЭ-3,8
3. Осенняя обработкаплоскорезом КПП-2,2, ранневесеннее боронование
БИГ-3, предпосевная обработка: КПЭ-3,8
КПП-2,2
4. Без осенней обработки, весной БИГ-3, совмещенная предпосевная
обработка и посев зерновой стерневой сеялкой СЗС-2,1
5. Безотвальная обработка пара (осенью без обработки), весной БИГ-3,
четырехкратная обработка КПП-2,2 и КПЭ-3,8, глубокая обработка КПГ-250
б. Нулевая (химическая) обработка пара B,4Д и дважды грамоксоном)
7. Комбинированная обработка пара (весной - плоскорезом КПП-2,2, в июне
- гербицидом 2,4Д, в июле - грамоксоном)
Остаток
стерни, %
0
37
42
52
49
10
86
69
ПРИМЕЧАНИЕ. Варианты систем с 1 по 5 - по результатам опытов в СИБНИИСХОЗе на
тяжелосуглинистом слабовыщелоченном черноземе; 6 и 7 - на среднесуглинистом
обыкновенном черноземе.
278
самое главное, использование этих технологий полностью зависит от
применения гербицидов. В нашей стране они пока не нашли применения
по причине недостаточной изученности их влияния на плодородие
почвы, на распространение болезней и вредителей, на окружающую среду.
Несмотря на высокую эффективность отдельных приемов и
орудий почвозащитный эффект их совокупного действия, показателем
которого может служить степень сохранности пожнивных остатков,
уменьшается (за исключением вариантов №6 и 7 в табл. 9.2 с гербицидами)
по мере увеличения числа обработок и может стать совершенно
недостаточным (вариант Ms5, табл. 9.2). Это вынуждает применять
дополнительные меры - полосное размещение посевов, агролесомелиоративные
мероприятия.
9.2 Агролесомелиоративные мероприятия
9.2.1 Состав и структура полезащитных лесных насаждений
Полезащитные лесные насаждения являются по существу не
механической, а биологической защитой, нуждающейся в плодородной
почве, влаге, тепле, свете. Только обеспечив насаждения этими
факторами жизни в достатке, можно ожидать их высокой эффективности.
Условия для роста и формирования насаждения в полосе гораздо хуже, чем
в лесу. В полосах насаждения находятся под постоянным действием
степных факторов: они постоянно продуваются ветром, летом страдают
от засухи, зимой - от морозов. Для обеспечения максимальной
эффективности полезащитные насаждения нуждаются в постоянной заботе -
рубках ухода, механических обработках междурядий и закраек, защите
от вредителей и болезней.
Эффективность лесных насаждений в значительной степени
зависит от состава древесных и кустарниковых пород. Наиболее ценными
породами являются те, которые переносят жесткие микроклиматические
условия, характерные для полосных насаждений, и устойчивы к
неблагоприятным почвенным условиям. Ассортимент деревьев и кустарников
для защитного лесоразведения насчитывает более 150 пород. Однако,
чем дальше на юг от лесостепной зоны, тем беднее ассортимент, тем
меньше выбор пород.
В зависимости от предназначаемой и фактически выполняемой
роли принято делить древесные породы на главные и сопутствующие.
Главные породы образуют основной верхний ярус. От их высоты и
формы их крон зависят аэродинамические качества лесополосы.
Главные породы должны быть наиболее устойчивыми и долговечными. Со-
279
пугствующие породы это те, которые выполняют вспомогательную роль.
Они обычно занимают второй ярус. Их вспомогательная роль двояка:
они заполняют профиль лесополосы, улучшая ее аэродинамические
качества и способствуют созданию условий для роста и развития главной
породы. В какой-то мере это деление условно и пригодно только для
конкретных лесорастительных условий, так как одна и та же порода в
одних условиях может выступать в качестве главной в других - в
качестве сопутствующей. В состав лесополос часто вводят и кустарники,
которые способствуют улучшению роста главных и сопутствующих
пород, угнетают сорняки, однако они уменьшают продуваемость лесополос,
что для полезащитных полос не всегда желательно.
Приводимые ниже биологические особенности древесных и
кустарниковых пород характеризуют их применительно к территории
полезащитного лесоразведения, т.е. к регионам, где в естественных условиях
эти породы чаще всего не произрастают. Поэтому и характеристика
пород может отличаться от той, которая присуща этим породам в местах
их естественного распространения. Так, береза бородавчатая в местах
естественного распространения считается породой неприхотливой - она
растет и на болотах и на сравнительно сухих песчаных почвах. В
степных условиях она приживается только на лучших почвах - на мощных
обыкновенных и южных черноземах.
При описании засухоустойчивости пород в качестве критерия
принято использовать приживаемость на темно-каштановых почвах
тяжелого гранулометрического состава (или на почвах со сходным водным
и питательным режимом). К засухоустойчивым относят те породы,
которые могут произрастать на указанных почвах. По достигаемой высоте
деревья принято делить на группы: к деревьям первой величины
условно отнесены те, которые в наилучших для них условиях достигают
большой величины (более 20 м); к деревьям второй величины те,
которые достигают 16-20 м; к деревьям третьей величины - небольшие
деревца, принимающие иногда кустарниковую форму.
Среди главных пород наиболее широко используются
следующие:
Акация белая. Дерево 1-й величины. Солевынослива,
засухоустойчива, слабоморозостойка, к почвам нетребовательна. Растет на
черноземах, темно-, светло-каштановых и каштановых почвах.
Используется в степных районах Украины, Молдавии, в Нижнем Поволжье, на
Северном Кавказе и в Средней Азии.
Береза повислая. Дерево 1-й величины. Неустойчива к
засоленности почв и засухам, светолюбива, растет быстро. Главная порода в
большинстве районов полезащитного лесоразведения за исключением
280
сухостепных (со светло-каштановыми и засоленными каштановыми
почвами) и полупустынных.
Вяз приземистый. Дерево 1-3-й величины. Засухоустойчив,
солевынослив, растет быстро. Морозостойкость средняя. Главная
порода в большинстве лесорастительных условий на каштановых, светло-
каштановых засоленных почвах европейской части России, Сибири,
Казахстана и в Средней Азии.
Гледичия обыкновенная. Дерево 1-й величины. Засухо- и со-
леустойчива, светолюбива, слабоморозостойка, растет быстро. Главная
лесомелиоративная порода на обыкновенных и южных черноземах,
темно-, светло-каштановых и каштановых почвах Украины, Северного
Кавказа, Нижнего Поволжья и Средней Азии.
Дуб черешчатый (летний, обыкновенный). Дерево 1-й
величины. Достигает высоты 40-45 м, отличается устойчивостью и
долговечностью. В молодости растет медленно, не выносит верхушечного
затенения, но требует бокового отенения ("шубы"); с возрастом скорость роста
увеличивается. Малотребователен, растет на черноземах и темно-
каштановых почвах, засухоустойчив и солевынослив. Главная порода
большинства защитных лесонасаждений в европейской части России, а
также на орошаемых землях Средней Азии.
Лиственница сибирская. Хвойное дерево 1-й величины
(достигает высоты 45 м). К почвам требовательна, растет на черноземах
лесостепи и на обыкновенных мощных черноземах. Не выносит
засоления; светолюбива, долговечна, растет сравнительно быстро. Главная
порода в лесных зонах страны, в Центрально-Черноземной зоне, в Среднем
Поволжье, в Западной Сибири.
Орех грецкий. Дерево 1-й величины. К почвам требователен;
растет на черноземах лесостепи и на обыкновенных мощных
черноземах. Страдает от засухи; не выносит солей в почве; побивается
морозами. Растет быстро. Главная порода на Украине, в Молдавии, на
Северном Кавказе и в Закавказье, а также на орошаемых землях Средней
Азии.
Сосна обыкновенная. Дерево 1-й величины. Растет на
черноземах лесостепи и на мощных обыкновенных черноземах, однако лучше
всего растет на песчаных почвах. Не выносит засоления.
Засухоустойчивость средняя. Морозостойка. Растет быстро. Долговечна. Главная
порода почти во всех районах защитного лесоразведения.
Тополя. Деревья 1-й величины. Очень велико видовое и
формовое разнообразие тополей, которое проявляется в строении кроны и
отношении к почвенно-климатическим условиям. Тополя влаголюбивы,
281
не переносят засухи и солей в почве. Их преимуществом является
быстрый рост, недостатком - недолговечность, подверженность болезням.
Ясень обыкновенный. Дерево 1-й величины, достигает высоты
45 м. Не выносит солей в почве и засухи. Слабоморозоустойчив.
Светолюбив; в молодости растет быстро. К почвам требователен растет на
серых лесных почвах, черноземах лесостепи, на мощных обыкновенных
черноземах. Может применятся в качестве сопутствующей породы на
орошаемых землях.
Ясень ланцетолистный (зеленый). Дерево 1-2-й величины.
Засухоустойчив, солевынослив, морозостоек, светолюбив. К почвам
нетребователен, растет сравнительно быстро, применяется на черноземах и
каштановых почвах. Помимо ярко выраженных преимуществ обладает и
столь же ярко выраженными недостатками: рано стареет, суховершинит,
часто повреждается вредителями. Главная порода в посадках в Заволжье
и на Нижней Волге; в Средней Азии и Центральном Казахстане -
только сопутствующая.
В качестве сопутствующих наиболее широко используют
следующие породы.
Абрикос обыкновенный. Дерево 2-3-й величины. Растет
быстро; устойчив к солям в почве и к засухе; морозостойкость - низкая.
Светолюбив, к почвам не требователен: растет на черноземах и темно-
каштановых почвах.
Вяз обыкновенный. Дерево 1-й величины. К засухе и
засоленности почвы не устойчив. Морозостоек. Требовательность к почвам
средняя. Растет в большинстве агролесомелиоративных районов на
черноземах; иногда на темно-каштановых почвах Заволжья.
Груша обыкновенная, или лесная. Дерево 2-й величины.
Засухоустойчива и достаточно солевынослива. К почвам умеренно
требовательна. Сопутствующая порода почти во всех районах, за исключением
Западной Сибири и Казахстана.
Клен остролистный. Дерево 1-2-й величины. Недостаточно
устойчив к засухе и к солям в почве. В первые годы растет быстро,
затем медленно. Теневынослив, располагается обычно во втором ярусе.
Сопутствующая порода в европейской части России (кроме юго-
востока), хороший подгон для дуба.
Клен татарский. Дерево 3-й величины или кустарник. Засухо-
и солеустоичив, теиевьшослив, к почвам нетребователен. Применяется
практически повсеместно в районах почвозащитного лесоразведения.
Липа мелколистная. Дерево 1-й величины. Неустойчива к
солям в почве и к засухам. К почвенным условиям весьма чувствительна:
282
растет на лесных почвах, на мощных обыкновенных и южных
черноземах. Одна из лучших сопутствующих пород, особенно к дубу.
Долговечна.
Тамарикс. Кустарник или небольшое дерево. Исключительно
засухоустойчив и солевынослив, светолюбив, нетребователен к почвам.
Растет быстро. Применяется в экстремальных по лесорастительным
свойствам условиях.
Терескен. Кустарник. Солевынослив и засухоустойчив.
Хорошо отрастает после объедания скотом. Применяется в мелиоративно-
кормовых насаждениях на пастбищах в сухостепной и полупустьшной
зонах.
Саксаул черный. Дерево 3-й величины или долговечный
кустарник. Солевынослив и засухоустойчив, возобновляется после
объедания скотом. Способствует закреплению подвижных песков.
Состав и структура лесополосы определяют особенности ее
воздействия на воздушный поток и, следовательно, почвозащитную
эффективность. Результаты изучения механизма действия лесополос (см. главу
4) послужили основой для разработки схемы расчета системы
полезащитных лесополос.
9.2.2 Расчет системы полезащитных лесополос
Повышения расчетной эффективности систем полезащитных
лесных полос можно достичь двумя путями: увеличением эффективности
отдельных полос (оптимизируя проницаемость и увеличивая высоту) и
сближением лесополос в системе на такое расстояние, при котором
скорость ветра в межполосном пространстве не превьпнала бы
критической.
Существует некоторая оптимальная проницаемость лесополос,
которая и будет ограничивать эффективность системы. Высота
лесополос, ограниченная природными условиями, также выступает
лимитирующим фактором. При оптимальных высоте и проницаемости
ограничивающими становятся критическая для почвы скорость ветра и скорость
ветра в открытом поле. Сближая лесополосы можно добиться
эффективной защиты почв при любых скоростях ветра. Однако чрезмерная
густота полос в системе экономически не целесообразна. Поэтому при
проектировании системы полезащитных лесополос исходят из
оптимальных для данной почвенно-климатической зоны высоты лесополосы и ее
ветропроницаемости с одной стороны и критической для почвы
скорости ветра и расчетной скорости ветра в открытом поле - с другой.
В качестве критической скорости ветра выбирают такую, при
которой расчетная интенсивность потерь не превышала бы некоторой
283
Таблица 9.3
Максимальная скорость ветра на высоте флгогера ао время пыльных бурь 1950-
1973 г.г. обеспеченностью 20%, м/с (Делгилевич и др., 1984)
Пункт
Шахты
Миллерово
Ремонтное
Зимовники
Яшкуль
Элиста
Новопааловская
Ставрополь
Неванномысск
Славянск
Белореченск
Тамань
Камышин
Калач-на-Дову
Кумылженская
Исиль-Куль
Новосибирск
Кочки
Хабары
v*
20,!
21,1
18,5
19,0
20,3
24,4
22,6
24,9
29,3
31,5
25,7
30,7
15,9
17,8
21,2
15,0
19,0
17,0
22,0
Пункт | V4
Ростовская область
Зеоноград
Заветное
Пролетарск
Вешеиская
21,9
21,4
20,5
19,3
Калмыкия
Комсомольский
Утта
18,9
19,4
Ставропольский край
Красногвардейское
Черкесск
Новоалександровская
23,6
31,8
26,8
Краснодарский край
Отрадная ! 33,8
Тихорецк 29,7
Усть-Лабинск | 27,3
Волгоградская область
Дубровка
Клетскнй
Нижний Чир
13,4
17,6
18,7
Западная Сибирь
Карасук
Завьялове
Кулунда
Барнаул
17,0
19,0
17,0
20,0
Пункт
Целина
Мороэовск
Гигант
Сар па
Арзгир
Дивное
Армавир
Эльтон
Елань
Краснощеково
Волчиха
Ключи
Рубцовск
v*
27,1
19,2
19,4
16,2
19,7
19,7
31,6
14,7
14,5
20,0
19,0
18,0
18,0
допустимой величины. Допустимая интенсивность потерь в идеале ш
должна превышать темпов почвообразовательного процесса.
В качестве расчетной скорости ветра используют
максимальные во время пыльных бурь скорости обеспеченностью. 20% (табл. 9.3)
Эти величины найдены на основании анализа вариационных рядов иг
максимальных скоростей ветра, зафиксированных для каждой пыльног
бури за достаточно длительный промежуток времени. Их можно
использовать в качестве опорных при проектировании других противодефляци-
онных мероприятий, помимо агролесомелиоративных. Однако не все
территории, характеризующиеся повышенной опасностью ветровой
эрозии почв, обеспечены этими данными.
Межполосные расстояния L (м) з системе полезащитных
лесополос рассчитывают по формуле (Долгалевич и др., 1984)
284
— = 3 + 29 • A - Sin/?) ■
H
/■ \
V
ДОН
Уф )
2,5
f Л0-1
zo.
где Н - расчетная высота лесополосы, м;
/?- угол наклона склона, град.;
Улоп - допустимая скорость ветра (на высоте флюгера), м/с;
Уф - максимальная скорость ветра (на высоте флюгера) во время
пыльных бурь обеспеченностью 20% (см. табл. 9.3), м/с;
Zo - параметр шероховатости поверхности поля, м.
В качестве верхнего предела для допустимой можно
рекомендовать скорость начала массового движения частиц, характерную для
данной почвы. Расчетную высоту лесополосы определяют на основе данных
местных организаций, занимающихся полезащитным лесоразведением. В
качестве первого приближения можно принять, что лесные полосы
достигают высоты:
18 м - на выщелоченных и типичных черноземах, 12 м - на южных черноземах,
16 м - на обыкновенных черноземах, 6-8 м - на каштановых почвах.
Системы полезащитных лесополос проектируют с учетом
преобладающего во время пыльных бурь направления ветров (табл. 9.4).
Лесополосы в системе целесообразно располагать перпендикулярно
преобладающему направлению наиболее опасных ветров. Однако при этом надо
учитывать и опасность водной эрозии. Согласно действующим
инструкциям на склонах круче 2° лесополосы необходимо располагать поперек
склона, независимо от направления ветра.
В системе лесополос перпендикулярно основным лесополосам
устраивают дополнительные, которые располагают через 2000 м на
тяжелых по гранулометрическому составу почвах и через 1000 м на
песчаных. Расстояние между основными лесополосами, определяемое
расчетным методом, не должно, как правило, превышать:
600 м — на выщелоченных черноземах, 400 — на южных черноземах,
500 — на типичных и обыкновенных черноземах, 250 — на светло-каштановых
400 — на песчаных почвах в лесостепи, 300 — на песчаных почвах в степи,
350 — на темно-каштановых и каштановых почвах, 200 — на песчаных почвах в
полупустыне.
9.2.3 Создание лесных насаждений
На постоянное место в лесополосе лесные породы вводят
посадкой сеянцев, саженцев, черенков и посевом семян. Семенами высеивают
ограниченное число пород (дуб, орех грецкий, фисташку, миндаль).
Большое распространение получает механизированная посадка одно- и
двухлетних сеянцев. В однолетнем возрасте высаживают акацию белую,
285
Таблица 9.4
Повторяемость направлений ветра во время пыльных бурь no S6 румбам,% (Долгилевич и
др., 1984)
Пункт
Зерногоад
Гигант
Элиста
Сарпа
Комсомольский
Утта
Арзгар
Дивное
Армавир
Гихореак
Ясиль-Куль
Кочки
Рубцовск
Карасук
Завьялово
Кулунда
^
0
2
4
1
3
2
з
2
1
0
9
4
б
5
9
JL
сев [ев
1
2
0
б
2
0
1
0
0
1
0
2
3
б
0
3
1
2
3
5
3
3
t
1
2
0
0
4
0
0
0
4
вев
3
8
б
2
2
2
1
1
1
И
0
2
3
6
2
1
В
58
39
20
14
17
19
17
17
19
65
9
4
0
б
2
7
вюв|юв|ююв| ю
ююз|юз]зюз
Ростовская область
20
26
3 ! 1
6 | 1
0
0
Калмыкия
2!
7
16
16
16
27
28
24
2
6
1
5
2
1
1
1
2
0
0
1
0
1
Ставропольский край
20
16
14
23
1
1
1
1
Краснодарский край
14
9
46
3
0
0
1
0
Западная Сибирь
4
2
3
0
2
0
4
4
0
0
2
1
4
3
3
5
3
0
9
13
10
5
21
4
1
0
0
1
9
18
22
6
19
1
5
1
0
1
0
2
1
3
5
5
13
21
22
33
23
37
2
5
3
4
1
2
1
2
6
2
9
4
6
6
3
7
з
2
4
10
5
6
12
15
16
2
2
30
10
13
16
5
11
зсз
2
2
6
б
4
4
7
5
2
0
0
2
3
б
2
0
сз
0
0
5
10
12
5
14
6
1
1
0
6
3
0
7
18
ССЗ
0
2
2
4
4
2
2
2
0
0
0
1
3
0
0
3
гледичию, ясень зеленый, клен ясёнелистный, лох, скумпию, акацию
желтую. В двухлетнем возрасте высаживают лиственницу сибирскую,
соску обыкновенную, березу бородавчатую, ель обыкновенную, клен
нолевой, остролистный и татарский, смородину золотистую, apiy,
облепиху. В зоне достаточного увлажнения часто используют крупномерный
посадочный материал - 2-4-летние саженцы березы бородавчатой,
акации белой, лиственницы сибирской, тополей, вяза мелколистного,
гледичии, шелковицы белой. Черенками в лесополосу вводят тополя и иву.
Система подготовки почвы под лесные насаждения зависит от
почзенно-климатических условий и степени засоренности почв.
В зоне лесостепи и северной степи почву под лесные
насаждения готовят по системе черного пара, но если почва не засорена,
посадку лесных насаждений проводят по зяблевой вспашке. Подготовка почвы
начинается с лущения стерни после уборки зерновых культур, поскольку
в большинстве случаев лесные насаждения создают на полях, вышедших
из-под зерновых. Через две-три недели, в период массового прорастания
сорняков, проводят зяблевую вспашку отвальным плугом с
предплужником на глубину 25-27 см. На зиму вспаханная почва остается в незабо-
286
ронованном состоянии с целью накопления снега. С этой же целью
зимой проводят мероприятия по снегозадержанию. Весной почву боронуют
в целях закрытия влага и, если влага достаточно, проводят безотвальное
рыхление или глубокую культивацию, а затем посадку (посев) лесных
культур. Если почва засорена, ее продолжают обрабатывать по системе
черного пара. На парованных полях создаются условия для прорастания
сорняков, которые уничтожаются в течение лета многократными
послойными культивациями. Всего проводят 4-5 культивации; начинают с
глубины 8 см, увеличивая глубину каждой последующей обработки на 2
см. Осенью почву перепахивают на глубину 27-35 см с
почвоуглублением до 40-45 см и оставляют на зиму. Зимой проводят снегомелиорацию,
а ранней весной - закрытие влаги и посадку.
В сухой степи и в полупустыне успех лесоразведения в
значительной степени зависит от наличия достаточного количества влаги,
поэтому почву готовят по системе черного пара, но глубокую вспашку
заменяют плантажной вспашкой на глубину 50-60 см, а на солонцеватых
почвах - послойной вспашкой и дополнительными мелиоративными
мероприятиями. К ним относятся гипсование и мероприятия, направленные
на накопление влага: посев кулис, прерывистое бороздование,
обвалование. Солонцеватую почву содержат под черным паром в течение двух
лет. Весной перед посадкой почву культивируют в целях закрытия влага
и уничтожения проростков сорняков. В случае применения
лесопосадочной машины предпосадочную культивацию заменяют послепосадоч-
ным боронованием. При осенней посадке лесных культур почву
предварительно рыхлят, а непосредственно перед посадкой - культивируют.
Наиболее целесообразно с позиции приживаемости и
достижения требуемой высоты, долговечности и конструкции создание 3-5-
рядных лесополос преимущественно только из древесных пород: одной
главной и одной-двух сопутствующих. По составу древесных пород
лесополосы бывают чистые и смешанные. На выщелоченных черноземах
целесообразно создавать чистые березовые полосы. На обыкновенных
черноземах устойчивы чистые насаждения из дуба черешчатого,
лиственницы сибирской. Нельзя создавать чистые белоакациевые лесные
полосы, так как они к 8-10 годам зарастают травами, что приводит к
замедлению роста акации. В то же время смешанные лесополосы из
белой акации и клена или груши (т.е. густокронных пород угнетающих
травы) себя вполне оправдали.
Известно несколько способов выращивания лесополос. Чаще
всего рименяют рядовой способ, при котором деревья образуют
прямолинейные параллельные ряды с междурядьями 2,5-3 м на черноземах и 4
287
м на каштановых почвах. Расстояние между деревьями в ряду на ранних
стадиях роста и развития зависит от способа посева (посадки): если
семенами, то через 1 м, если саженцами или черенками, то через 1,5-3 м,
если сеянцами, то через 1-1,5 м.
В течение первых двух лет жизни лесополосы необходимо
проводить по 4-5 обработок в год (в первой половине вегетации) в целях
уничтожения сорняков и накопления влаги. На третий год число
обработок сокращается до трех, так как многие породы в этом возрасте
смыкаются кронами и, затеняя, вытесняют степную растительность из
лесополосы. На четвертый и пятый годы делают по одной обработке в
рядках и по две-три в междурядьях. В последующие годы обрабатывают
только междурядья причем на южных черноземах до возраста 8-10 лет,
а на каштановых - до 10-12 лет.
Наряду с возделыванием почвы в лесополосах осуществляют и
лесоводственные меры - дополнение культур взамен погибших,
осветление насаждения, при котором удаляют до 20% стволов с целью
обеспечения роста основных пород в высоту, прочистку с целью регулирования
роста второстепенных быстрорастущих пород, прореживание с целью
удаления неполноценных экземпляров, проведение санитарных рубок
ухода для удаления нижних веток, больных, засохших и
поврежденных деревьев, реконструкцию старых лесных насаждений.
9.3 Организационно-хозяйственные мероприятия
Организационно-хозяйственные мероприятия по охране почв от
ветровой эрозии включают работы по обоснованию необходимости
принятия мер против ветровой эрозии, создание предпосылок для их
осуществления и контроль за их выполнением. Обоснованием необходимости
мероприятий служат результаты оценки потенциальной опасности
ветровой эрозии почв и фактического ее распространения. К предпосылкам
относятся: проект противоэрозионных мероприятий для отдельного
хозяйства, материальные и людские ресурсы для его осуществления.
Проекты создаются в соответствии с принципами и по
методикам, изложенньм выше. При их составлении учитьшается опасность и
водной и ветровой эрозии. В соответствии с проектом производится
уточнение специализации хозяйства, трансформация угодий,
формирование и размещение севооборотов, реализация агротехнических и
агролесомелиоративных противоэрозионных мероприятий.
Основы системного подхода к решению проблемы охраны почв
от ветровой эрозии в степных зернопроизводяших районах, используе-
288
Таблица 9.5
Технология возделывания зерновых культур в еухостепной зоне на почвах легкого
гранулометрического состава при полосном размещения культур в пятипольном
почвозащитном севообороте с десятилетним чередованием культур
Технологические операции 1 Дата
/. Обработка чистого пара с кулисами
Весенняя обработка плоскорезом на глубину 6—8 см
Вторая обработка плоскорезом на глубину 8—10 см
Обработка штанговым культиватором на глубину 6—9 см
Обработка штанговым культиватором с одновременным посевом горчичных
кулис
Обработка шюскореэом-глубохоръшштелем на глубину 20—22 см в
межкулисных пространствах
25.05-05.06
15.06-25.06
05.07-12.07
10.07-20.07
01.09-20.09
2. Посев по пару
Весенняя обработка игольчатой бороной
Предпосевная обработка плоскорезом на глубину 6—8 см
Посев пшеницы зерновыми стерневыми сеялками
20.04-30.04
15.05-25.05
15.05-25.05
3. Обработка под вторую культуру после пара
Весенняя обработка плоскорезом на глубину 7—10 см
Предпосевная обработка штанговым культиватором на глубину 6—8 см
Посев житняка зерновой стерневой сеялкой после уборки пшеницы
01.05-10.05
15.05-25.05
01.09-20.09
4. Обработка пласта многолетних трав и посев пшеницы
Обработка плоскорезом на глубину 7—10 см после укоса сена
Вторая обработка плоскорезом на глубину 7—10 см
Обработка плоскорезом-глубокорыхлителем на глубину 20—22 см
Закрытие влаги игольчатой бороной
Посев пшеницы зерновыми стерневыми сеялками
10.06-30.06
10.07-20.07
01.09-20.09
20.04-30.04
15.05-25.05
5. Обработка почвы под вторую культуру после трав
Обработка плоскорезом на глубину 7—10 см
Предпосевная обработка штанговым культиватором на глубину 6—8 см
Посев зерновыми стерневыми сеялками
01.04-10.04
12.05-25.05
15.05-25.05
лю проектировщиками, разработаны во ВНИИ зернового хозяйства под
эуководством А.И.Бараева A975).
Ядром системы является зональная почвозащитная система
земледелия, включающая почвозащитные технологии возделывания по-
тевых культур. На тяжелых по гранулометрическому составу почвах -
это почвозащитная технология возделывания зерновых культур в пяти-
аольном зернопаровом севообороте. 20% пашни в этом севообороте от-
зодится под пар. Обработку почвы производят с оставлением стерни, а
" 9 Эрозия и охрана почв
289
;ев - стерневыми сеялками. На легеих по гранулометрическому состав'1
почвах - это почвозащитная технология воздельшания зерновых культу;
з пятипольном почвозащитном зернопаровом севообороте с иолоснык
зазмещением культур (табл. 9.5).
В этом севообороте 50% пашни находится под многолетним*
-разами, 10% - вод яаром с кулисами, 40% - под яровой пшеницей. R.-
Таблица 9.6
Группировка почв и почвозащитных мероприятий для Северного Казахстана (Бараев и
др., 1975)
I А Обычные севообороты. Пар и пронашные культуры - полосами шириной 120-150 м, в
зависимости от рельефа
: Б Обычные севообороты. Пар и яропашные культуры первые два года после проявления
зетровой эрозии почв располагать полосами шириной 120-150 м
3 Е Обычные севообороты. В год проявления эрозии на данных массивах после выпадения
дождей, достаточных для промачквания наносов, сеют однолетние культуры. В
последующие три года их не используют под пар и пропашные. В дальнейшем ширина полос пара и
пропашных не более 100 м
II А Обычные севообороты. Пар и пропашные культуры - полосами шириной не более
100 м
II Б Обычные севообороты. Пар и пропашные культуры первые два года после проявления
ветровой эрозии почв располагать полосами шириной менее 75 м: в последующие годы -
менее 100 м .
II В Обычные севообороты. В год проявления эрозии на данных массивах после
выпадения дождей, достаточных для промачввания наносов, сеют однолетние культуры. В
последующие три года их не используют под пар и пропашные. В дальнейшем ширина полос
пара и пропашных не более 75 м
Ш А Обычные севообороты. Пар и пропашные культуры - полосами шириной менее 75 м
Ш Б Обычные севообороты. Пар и пропашные культуры первые два года после проявления
ветровой эрозии почв располагать полосами шириной менее 50 м; в последующие годы
менее 75 м
III В Обычные севообороты. В год проявления эрозия на данных массивах после
выпадения дождей, достаточных для промачивания наносов, сеют однолетние культуры. В
последующие три года их не используют под пар и пропашные. В дальнейшем ширина полос
пара и пропашных не более 50 м
IV А Обычные, севообороты. Пар и пропзшные культуры - полосами шириной S0 м
IV Б Обычные севообороты. В год проявления эрозии на данных массивах после
выпадения дождей сеют однолетние культуры. В последующие три года нх не используют под пар
и пропашные. В дальнейшем ширина полос пара и пропашных не более 50 м. На
повышенных элементах рельефа и ветроударных склонах - почвозащитные севообороты с по-
лосами многолетних трав шириной 50 м
V А Почвозащитные севообороты в полосах из многолетних трав. Ширина полос 50 м, в
понижениях рельефа можно 75 м
V Б Почвозащитные севообороты в полосах из многолетних трав. Ширина полос не более
50 м. Часть ялощади, где после проявления эрозии невозможно провести посев, отводят
под временное залужение (особенно ие ветроударных склонах а повышениях рельефа) в
понижениях рельефа можно 75 м
V В Временное залужение многолетними травами
VI А Залужение многолетними травами
290
тация этого севооборота в пространстве пятипольная (если считать
только пар и однолетние): 1 - пшеница; 2 - пшеница; 3 - пар; 4 -
пшеница; 5 - пшеница или фуражные. Фактически - ротация севооборота
десятипольная, так как каждое поле разбито на полосы, где чередуются
многолетние травы и перечисленные выше культуры и пар. При
введении почвозащитных севооборотов необходимо разработать переходную
таблицу и строго выдерживать последовательность чередования культур
в полях. Полосы нарезают перпендикулярно наиболее опасным ветрам.
Несмотря на то, что зональные почвозащитные системы
земледелия насыщены прот'ивоэрозионными мероприятиями, в ряде случаев
их оказывается недостаточно для предотвращения ветровой эрозии почв.
Содержание дополнительных мероприятий зависит от потенциальной
опасности ветровой эрозии почв (табл. 9.6). В данном случае ее
оценивают полуколичественным методом, основываясь на результатах почвен-
но-эрозионного обследования, при котором учитывают и потенциальную
подверженность почв ветровой эрозии (с использованием материалов
табл. 4.6) и фактическую выраженность эрозионных процессов.
Согласно этой схеме потенциальная опасность увеличивается от первой
группы к шестой (в табл. 9.6 они выделены римскими цифрами). В
пределах каждой группы выделяют три подгруппы, А,Б,В, по характеру
фактического проявления ветровой эрозии в момент обследования. А -
признаков проявления ветровой эрозии нет или имеются разрозненные
пятна наносов высотой до 10 см; наблюдается слабое сглаживание нано-
рельефа и очаговое осветление поверхности почвы. Б - поверхность
почвы светлая; наиорельеф сглажен почти полностью, на поверхности
поля эоловая рябь, косы навевания, у препятствий - бугорки наносов
высотой до 20 см. В - поверхность почвы светлая, по всей поверхности
эоловая рябь, косы навевания, у препятствий - бугорки наносов высотой
более 20 см; на поверхности поля чередуются участки выноса мелкозема
с участками его накопления.
Эффективность организационно-хозяйственных мероприятий
напрямую связана с точностью оценки опасности ветровой эрозии почв.
В связи с этим возрастает роль количественных методов оценки
опасности, основанных на применении ЭВМ.
291
10. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ИРРИГАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ
ПОЧВ
Размах ирригационной эрозии, так же как и других видов
эрозии, зависит от сочетания ряда изменяющихся в пространстве и времени
факторов. Однако многие из них поддаются воздействию человека. К
таким факторам относятся интенсивность искусственного дождя, размер
и скорость падения капель, расход воды при поверхностных способах
полива, уклон и форма склока, длина поливного участка, длительность
полива, водопроницаемость и противоэрозионная стойкость почвы.
Регулируя эти факторы, можно в известных пределах управлять
процессами эрозии при поливах, добиваясь снижения потерь почвы до
допустимого уровня.
Из поверхностных способов полива рассмотрим лишь полив по
бороздам, так как при поливе по чекам ирригационная эрозия выражена
очень слабо, а при поливе по полосам основные закономерности ее
развития в общем те же, что и при поливе по бороздам.
10.1 Факторы смыва почв при поливе по бороздам
Основным фактором эрозии почв при поливе по бороздам
является расход воды в поливную борозду. Он определяет скорость водного
потока в ее головной части, а соотношение скорости водного потока и
допустимой для данной почвы скорости обусловливает возникновение
и развитие процесса ирригационной эрозии. Чем больше расход
поливной воды, тем больше ее скорость, и тем больше вероятность
возникновения смыва почвы. Влияние расхода воды на ирригационный смыв
зависит также от уклона поливной борозды. Чем больше уклон, тем
больше скорость движения воды и вероятность возникновения эрозии.
292
Большую роль в процессе ирригационной эрозии играет форма
склона. Оптимальной для целей борьбы с ирригационной эрозией
следует считать такой продольный профиль борозды, при котором
максимальным расходам воды соответствуют малые уклоны, а
минимальным расходам - большие. При поливе по бородам этому условию в
наибольшей степени удовлетворяют выпуклые склоны. Однако для полного
исключения возможности выноса почвы за пределы поливной борозды
необходимо, чтобы нижняя часть борозды имела вогнутую форму в
целях аккумуляции наносов. В связи с этим считается, что борозды с
оптимальной формой продольного профиля должны состоять из двух
участков: верхнего (выпуклого) длиной 9/10-5/6 общей длины
поливного участка и нижнего (вогнутого).
Влияние длины поливной борозды на смыв почвы обусловлено
тем, что расход воды уменьшается с увеличением расстояния от начала
борозды в связи с впитыванием воды в почву. С уменьшением расхода
воды уменьшается скорость потока, поэтому наибольший смыв почвы
наблюдается в головной части борозды, затем при движении вдоль
борозды он уменьшается и вовсе прекращается. Зона смыва сменяется
зоной транзита наносов, а затем зоной аккумуляции. Если полив ведется
без сброса, вынос почвы за пределы борозды не наблюдается, однако
перемещение почвы сверху вниз внутри борозды все же происходит.
Чем больше расход воды, тем дальше вниз продвигается зона смыва.
С увеличением длительности полива общий смыв почвы,
естественно, возрастает, однако возрастает неравномерно. Особенно
большая мутность потока и, следовательно, наибольший смыв почвы
наблюдается в начале полива, как правило в головной части борозды.
Здесь в первые минуты после пуска воды в борозде формируется так
называемая "прорывная волна" со скоростями потока, значительно
большими, чем это должно быть при установившемся режиме движения
воды. Кроме того, сухая почва дна борозды в результате быстрого напуска
на нее воды; превращается в бесструктурную, легко размываемую массу.
С течением времени вынос почвы обычно уменьшается, что связано с
удалением легкоотделяемых частиц и формированием на поверхности
своего рода "отмостки" из более крупных водопрочных агрегатов. На
неводопрочных почвах (например, на сероземах) с течением времени
на дне потока формируется тонкая гладкая пленка, обогащенная
мелкими частицами, препятствующая дальнейшему смыву. По данным ряда
авторов мутность потока в борозде обратно пропорциональна квадратному
корню из времени (см. раздел 7.4).
Свойства почв оказывают сильное влияние на интенсивность
смыва при поливе по бороздам. При прочих равных условиях, почвы вы-
293
сокой водопроницаемости эродируются меньше, чем почвы пониженной
водопроницаемости, так как на первых формируется меньший сток с
меньшими скоростями потока, чем на вторых. Однако интенсивность
смыва зависит и от противоэрозионной стойкости почв. Почвы высокой
водопроницаемости не всегда обладают высокой противоэрозионной
стойкостью. Поэтому в реальных условиях почвы высокой
водопроницаемости, например, легкие могут страдать от эрозии сильнее, чем
почвы низкой водопроницаемости (тяжелые по гранулометрическому
составу). Вопрос о противоэрозионной стойкости почв и ее
количественном критерии - размывающей скорости потока, как факторе эрозии (в
том числе и при поливе по бороздам) достаточно подробно изложен в
главах 2 и 3. Здесь следует лишь добавить, что для ориентировочных
расчетов технологии полива по бороздам можно использовать значения
донной размывающей скорости, приведенные в табл. 10.1
Для почв с плотностью больше 1,2 т/м3, поливаемых по
бороздам без культивации, значения донной размывающей скорости, взятые из
таблицы, следует увеличить в 1,5 раза. Приведенные значения Удр, d и
Л характерны для сухой почвы. Чтобы получить эти характеристики для
влажной почвы, величину дойной размывающей скорости нужно
увеличить в 1,5 раза в случае супесей и легких суглинков и в 2,0 раза в
случае почв более тяжелого гранулометрического состава, а величины d и
Л следует увеличить в 2,2 раза в случае супесей и легких суглинков и в
4,0 раза для средних и тяжелых суглинков и глин.
10.2 Предупреждение смыва почвы при поливе по бороздам
Известно, что эрозия почв при поливе по бороздам не
наблюдается, если скорость потока в головной части борозды не превышает
допустимой, равной 0,8 размывающей скорости. При этом какое-то
перемещение частиц с верхней части борозды в нижнюю все же происходит,
однако средние для верхнего 50-метрового участка потери не превы-
Таблица 10.1
Некоторые свойства рыхлого пахотного слоя почв разного генезиса, используемые при
расчете элементов технологии полива напуском по бороздам
Почва
Серозем
Светло-каштановая
Предкавказский чернозем
Обыкновенный чернозем
Типичный мощный чернозем
Средневзвешенный
дяаметр
водопрочных агрегатов, d , м
0,00021
0,00032
0,00061
0,00078
0,00102
Высота
выступов,
4 м
0,00015
0,00023
0,00043
0,00055
0,00072
Цонная
размывающая
скорость, Vip, м/с
0,051
0,061
0,081
0,091
0,110
294
шают допустимой нормы смыва (см. раздел 1.1).
Целью противоэрозиошых мероприятий является
предупреждение превышения потоком допустимой скорости. Это достигается
либо снижением скорости потока в поливной борозде, либо
повышением размывающей скорости. Снижать скорость потока можно
уменьшением расхода воды, повышением шероховатости поверхности,
уменьшением уклона борозд.
10.2.1 Полив допустимыми (по условию неразмываемости оо<чвы)
расходами воды
Расчет допустимого расхода воды в поливную борозду
проводится с учетом противоэрозионной стойкости почвы в ее головной части.
Скорость потока в начале борозды не должна превышать допустимую
для данной почвы. Тогда допустимый расход выразится следующим
образом:
<7дап= «) Уда„, (ЮЛ)
где qaoa- допустимый расход воды в поливную борозду (м3/с), ю- живое
сечение потока (м2); Удоп - допустимая скорость потока (м/с).
Площадь живого сечения потока {со, м2) в поливной борозде
можно выразить через его глубину Я (м):
<у = 2,5 Н1'68 , A0.2)
а глубину - через скорость потока по формуле Шези. Подставляя
коэффициент Шези по формуле Павловского B.8) в формулу Шези B.6),
получим.
nl,S^ + 0,5r0,5
Ко п = -^ ПРИ R < 1М.
Отсюда находим
1
1°
где пп - коэффициент шероховатости ( по Павловскому), / - уклон
склона.
Для перехода от средней допустимой скорости к донной
используем степенную зависимость B.17). Подставив вместо средней
скорости донную в выражение A0.3) и принимая Н &R, получим
)
(Члоп"п>5^ + 0-34 .....
KnonH^r-j , (юл
■* доп
295
Расчет допустимой глубины потока в борозде по этой формуле
осложняется тем обстоятельством, что величина коэффициента
шероховатости зависит не только от высоты выступов шероховатости, но и от
скорости потока (см. 2.11). Поэтому при нахождении Наоп используем
метод подбора: подставляя в уравнение A0.4) при заданных значениях
Уддоп и / разные значения «п, выбираем такое, чтобы получившееся
значение /?доп давало бы значение средней скорости, которое соответствует
именно выбранному значению коэффициента шероховатости ип по
формуле B.11). Далее находим площадь живого сечения со и допустимый
расход foon по уравнениям A0.2) и A0.1).
При малых уклонах величина допустимого расхода
ограничивается условием непереполняемости борозды, определяемым по формуле
Кривовяза
tfH.„=l,28/°'stf 2,
где q„.n- расход воды, удовлетворяющий условию непереполняемости
борозды, л/с; / - уклон борозды; Н - допустимая глубина воды в
борозде, зависящая от глубины самой борозды (А, см) и точности планировки
поверхности поля, которая представляет собой возможное отклонение
фактической отметки поверхности от проектной, (Л , см). Допустимую
глубину рассчитывают по формуле
Н = 0,6 h -2 А.
Величина Л не должна превышать 3-5 см.
В табл. 10.2 приведены результаты расчета допустимых (по
условию неразмываемости почвы) расходов воды для разных уклонов
поливных борозд и допустимых скоростей потока для сероземов,
проведенного по изложенной выше схеме. Эти величины являются
максимально возможными в данных условиях. При значительной крутизне
орошаемых склонов, когда ограничивающим фактором является эрозия
почв, эти расходы следует рекомендовать производству. Однако при
малой крутизне, особенно на тяжелых по гранулометрическому составу
почвах, когда лимитирующим фактором может стать водопроницаемость
почв, рекомендуемые расходы воды в борозды могут оказаться меньше,
чем допустимые по условию неразмьшаемости почвы. Расчет допустимых
по условию водопроницаемости почв расходов воды приведен в ряде
работ (Костяков, 1960; Лактаев, 1978).
Выбрав оптимальный расход воды, можно рассчитать и другие
элементы технологии полива - длину борозды, длительность полива,
время добегания воды до конца борозды. Оптимальная длина борозды
устанавливается по следующей эмпирической зависимости (Григорьев,
1988):
296
Таблица 10.2
Допустимые (по условию керазмываемоста почв) расходы воды в борозды (л/с) в
зависимости от их уклонов и донных допустимых скоростей потока
Донная допустимая
скорость, м/с
0,04
0,06
0,08
0,10
Уклон вдоль поливной борозды
0,05
0,026
0,039
0,049
0,060
0,04
0,035
0,051
0,063
0,077
0,03
0,048
0,070
0,089
0,111
0,02
0,078
0,115
0,147
0,179
0,01
0,18
0,26
0,34
0,42
0,007
0,26
0,40
0,52
0,67
0,003
0,71
1,09
1,46
—
ПРИМЕЧАНИЕ. Прочерк соответствует варианту, гае расход воды ограничивается
условием непереполняемости поливной борозды.
/ = 31,6-10V.^,
где / - длина поливной борозды (м); q - выбранный расход воды (м3/с);
а - показатель степени в формуле впитывания воды в почву (по
Костикову). Его величина зависит от свойств почвы (Лактаев, 1972):
< 0,35 - для почв высокой водопроницаемости; 0,60-0,70 - пониженной »;
0,35-0,45 - повышенной»; >0,70 - низкой».
0,45-0,60 - средней »;
Длительность полива t (с) можно определить по формуле Костикова:
Mml
где М - поливная норма (м3/га); т - ширина междурядья (м); q -расход
воды (м3/с).
Время добегания поливной струи до конца борозды ?i (с) можно
рассчитать по формуле
_9,72-10га'-'"
где обозначения прежние.
10.2.2 Способы повышения допустимых расходов воды
Допустимые расходы воды в поливную борозду на крутых
склонах, а также в случае почв слизкой противоэрозионной стойкостью на
пологах склонах часто оказываются настолько малыми, что по
экономическим соображениям не могут быть реализованы на практике.
Полив же более высокими расходами приведет к смыву почвы. В
этих условиях предусматривают дополнительные противоэрозионные
мероприятия, направленные на снижение скорости потока путем
уменьшения уклона поливньа борозд, повьппения шероховатости дна борозды и
увеличения водопроницаемости почвы или за счет повьппения
допустимой скорости в результате повьппения водопрочности почвенной
297
структуры и связности почвы. Рассмотрим некоторые мероприятия,
позволяющие повысить допустимый расход воды в поливные борозды.
Полив по "скошенным", "контурным" и извилистым бороздам
Уменьшение уклона поливных борозд возможно путем поделки
так назьшаемых "скошенных" борозд, нарезаемых под острым углом
к горизонталям, и "контурных" борозд, - по горизонталям. При этом
требуется тщательная планировка поверхности во избежание обратных
уклонов на отдельных участках бо-
Та б л" и ц а 10.3 розД.
допустимые расходы воды в скошен- При сложном рельефе есте-
ные борозды на сероземах, л/с .
ственно стремление поливать в
направлении наибольшего уклона,
чтобы избежать застаивания воды в
понижениях и переливания ее в
нижележащие борозды. В этих условиях
регулирование уклона производится путем
нарезки извилистых борозд. Для этой
цели используют культиватор со специальными катками,
установленными за рабочими органами культиватора, которые обеспечивают
формирование извилистых (зигзагообразных) борозд шириной З-б см и
глубиной 3-4 см. Фактический уклон скошенных и извилистых борозд
рассчитывают по формуле
/ф = / Cosy,
где <р - угол между направлением нарезки борозд и направлением
падения склона, град.; / - уклон.
При выборе допустимых расходов воды в скошенные борозды
следует придерживаться представленных в табл. 10.3 величин, исходя
из фактического уклона поливных борозд. Аналогично проводится
расчет допустимых расходов воды в извилистые борозды. В результате
полива по извилистым микробороздам смыв почвы снижается в 20-30 раз,
увеличивается равномерность увлажнения по ширине междурядий и
длине борозды, уменьшается поверхностный сброс поливной воды.
Мульчирование поливных борозд
Мульчирование дна поливных борозд растительными остатками
является эффективным приемом повышения допустимых расходов воды.
Механизм его действия заключается в повышении шероховатости дна
поливных борозд (табл. 10.4). В результате увеличивается глубина
потока и периметр смоченности, что приводит к повышению иифильтра-
Уклон Угол между направлением борозд
и направлением склона, град.
0 I 30 I 45 I 60
0,04 0,03 0,03 0,04 0,07
0,01 0,13 0,17 0,23 0,35
0,005 0,29 0,39 0,53 0,81
298
ции воды в почву, уменьшению скорости потока и, следовательно,
понижению его размывающей и
транспортирующей способности.
Используя изложенную выше
схему расчета допустимых (по
условию неразмываемости почвы)
расходов воды, можно оценить
эффективность мульчирования соломой.
Установлено, что при внесении 0,5-
2,5 п/га соломы допустимые расходы
воды увеличиваются в 1,5-4 раза по
сравнению с контролем (см. табл.
10.4). В целях экономии соломы
можно мульчировать лишь верхнюю
часть поливных борозд, в наибольшей мере подвергающуюся смыву.
Предварительное увлажнение верхней части борозды потоком малого
расхода
Одним из перспективных приемов, направленных на повышение
допустимой скорости потока, является увлажнение почвы в поливных
бороздах перед поливом малыми расходами воды, позволяющее стенкам
борозды увлажниться медленно, капиллярно. Основной полив
проводятся через некоторое время после предварительной замочки борозды.
Достаточно увлажнить верхние 20-30 м и оставить борозду на ночь в таком
состоянии, чтобы утром проводить основной полив более высокими
расходами воды (допустимыми по условию неразмываемости предварительно
увлажненной почвы).
Эффект предварительного увлажнения обусловлен повышением
водопрочное™ агрегатов и связанным с ним увеличением шероховатости
поверхности. Положительное влияние предварительного увлажнения на
водопрочность почвенной структуры зависит от его интенсивности и
длительности, а также от свойств почвы. Медленное, достаточно
продолжительное капиллярное увлажнение почвы, особенно тяжелой по
гранулометрическому составу, приводит к существенному повышению
размывающей скорости потока и допустимого (по условию
неразмываемости почвы) расхода воды. Например, предварительное увлажнение
средне- и тяжелосуглинистых сероземов повышает размывающие
скорости с 4,4 до 7,7 см/с а легкосуглинистых и супесчаных - с 4,1 до 5,2
см/с. При этом допустимые расходы воды увеличиваются,
соответственно, в 1,4 и 2,2 раза (см. табл. 10.5).
Таблица 10.4
Допустимые расходы воды в поливные
борозды на сероземах, мульчированные
соломой (л/с) (Григорьев, 1988)
3
Я § g
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Коэффициент
шероховатости
0,012
0,014
0,016
0,019
0,021
0,024
Уклон поливных
борозд
0,04
0,03
0,04
0,06
0,07
0,09
0,11
0,01
ОДЗ
0,22
0,28
0,35
0,43
0,52
0,005
0,29
0,49
0,64
0,78
0,98
1,18
299
Таблица 10.5
Допустимые (по условию иеразмываемостн почвы) расходы воды в поливные борозды
ка сероземах (л/е)
Почвы
Суиесчаные и суглинистые, воздушно-сухие
Супесчаные и легкоглинистые, увлажненные
Средне- и тяжелосуптннистые, увлажненные
Среднесутинистые,
обработанные
полимером "К-9"
в количестве:
5 кг/га
10 кг/га
20 кг/га
30 кг/га
40 кг/га
Уклон поливных борозд
0,04
0,03
0,05
0,06
0,05
0,07
0,12
0,16
0,18
0,02 _,
0,06
0,12
0,13
0,13
0,15
0,3!
0,55
0,60
0,01
0,13
0,15
0,29
0,20
0,36
0,79
1,41
1,64
0,005
0,29
0,33
0,67
0,36
0,89
2,08
3,26*
3,26*
0,002
0,84
0,98
2,01
1,03
2,05*
2,05*
2,05*
2,05*
0,001
1,46*
1,46*
1,46*
1,46*
1,46*
1,46*
1,46*
1,46*
*ПРИМЕЧАНИЕ.Расход воды определяется условием непереполняемости борозды.
Вариантом такой технологии полива можно считать также
полив переменным расходом коды; когда вначале полив осуществлялся
мальм расходом воды, потом увеличенным, а после добегания струи до
кон_а борозды - сиооа уменьшенным (Махсудов, 1989).
Обработка почт пслиыг^глми-структурообрсгобателями
Перспективным методом повышения противоэрозионной
стойкости почв и допустимых расходе» воды в борозду является обработка
их нолимерами-структурообразователями. Среди многочисленных
полимерных препаратов одними из наиболее эффективных в условиях полива
йо бороздам оказались препараты серии "К". Препарат К-4
(гадролизованный полиакрилоширил) представляет собой хорошо
растворимую в воде пасту кремового цвета с 10%-м содержанием
активного ьешества. Его виос&т в почву в ьиде водного раствора. Первоначально
ставилась задача оструктурить весь пахотный слой или его верхнюю
часть. Оказалось, что для этого требуются слишком большие дозы
препарата. Ввиду того, что препарат К-4 довольно дорог, исследования
были -направлены, с одной стороны, на создание более дешевых
препаратов, а с другой - на совершенствование технологии внесения препаратов
в почву в целях увеличения ее противоэрозионной стойкости.
В результате был предложен более дешевый препарат К-9,
полученный путем неполного омыления в щелочной среде отходов
производства волокна "нитрон", состояншй из тройного сополимера нитрило-
акриловой, метакриловой и пропановой кислот. Препарат К-9
выпускается в виде однородной водорастворимой жидкости грязно-зеленого
цьета, содержащей около 10% активного вещества. По
структурообразующей способности он приближается к препарату К-4, но стоимость
„его примерно в 2 раза ниже.
300
Значительные успехи достигнуты и в деле совершенствования
методов обработки почв полимером. Расход полимера можно
значительно снизить, если вносить его перед каждым поливом путем
опрыскивания почвы раствором полосами шириной 10-12 см по дну поливных
борозд при их нарезке или культивации междурядий без последующего
рыхления и перемешивания почвы. Разовый расход препарата составляет
от 15 до 30 кг/га, а за вегетационный период соответственно 45-90 кг/га
при расчете на три первых полива, проводимых после культивации
междурядий. Величина донной размывающей скорости при внесении
полимера К-9 в дозах 10 и 30 кг/га A00 и 300 кг/га пасты) возрастает с 4,5
см/с до 16,7 и 22,0 см/с, соответственно, а величины выступов
шероховатости дна с 0,2 мм до 2,0 и 3,5 мм. Допустимый расход при этом
возрастает в 2-3 раза при дозе 10 кг/га и в 5-11 раз при дозе 30 кг/га (см.
табл. 10.5). Для уменьшения расхода полимера можно ограничиться его
применением лишь в верхней части поливных борозд, либо сочетать его
применение с другими приемами.
10.3 Особенности эрозии почв при поливе дождеванием и
методы ее предупреждения
10.3.1 Допустимые элементы технологии полива дождеванием
В основе эрозии почв при дождевании лежат те же законы
механики, которым подчиняется дождевая эрозия (см. главу 3), однако
закономерности смыва, размыва и отложения почвы существенно
различаются. Это обусловлено в первую очередь различиями в характере
поступления воды (интенсивности и длительности осадков) и
формирования поверхностного стока.
При дождевании эрозия почв возникает из-за подачи воды с
интенсивностью, превышающей интенсивность впитывания воды почвой.
При этом, как и в случае полива по бороздам, впитывающая способность
почвы не является постоянной в течение полива. В начале полива
интенсивность впитывания равна интенсивности дождя. Далее, в результате
насыщения почвы влагой, нарушения почвенной структуры, набухания и
уплотнения почвы, интенсивность впитывания уменьшается и
приближается к установившемуся значению. Чем больше энергия дождя, тем
быстрее уменьшается впитьюающая способность почвы. В связи с этим было
бы целесообразно проводить полив с постоянно уменьшающейся
интенсивностью. К сожалению, большинство ныне существующих
дождевальных машин и установок воспроизводит дождь постоянной интенсивности
в течение всего полива. Регулировать интенсивность дождя непосред-
301
ственно во время полива можно, например, при использовании
дождевальных машин ДДН-70 и КИ-50, применяя сменные сопла. При
использовании ДЦА-ЮОМ и ДДА-100МА эфсрект уменьшения интенсивности
поступления осадков достигается за счет изменения скорости
перемещения машины.
Основными элементами противоэрози-
онной технологии полива дождеванием
являются продолжительность полива до образования
луж (Го), допустимая поливная норма (Маоп) и
допустимая интенсивность дождевания (гДОп).
Эти параметры зависят от свойств почвы,
характера растительности, условий рельефа и
энергетических параметров дождя.
В основе расчета элементов прогиво-
эрозионной технологии полива лежит
экспериментальное исследование зависимости t0 от
интенсивности дождевания (г).
Экспериментальное дождевание проводится в условиях, близких
к производственным. Для этого лучше всего
использовать насадки дождевальных машин,
имеющихся в хозяйствах. Опыт производится до
момента образования лужиц на поверхности
почвы при каждой интенсивности дождя.
По экспериментальным данным
строится график зависимости Го = Лг)- Он имеет характер вогнутой кривой
(рис. ЮЛ), описываемой уравнением вида (Ерхов, 1966)
'о =~> (Ю.5)
НО
ize
so
40
-
"
to
а
_ * \^
\*
1 1 1 1*1
Рис. 10.1. Зависимость
времени до начала образования
луж и стока от
интенсивности дождевания
где а и b - эмпирические параметры. Их значение лепсо найти по
графику зависимости A0.5) в логарифмических координатах,
представляющему собой прямую,
Igfo = \ga - b Igr.
В приведенном на рис. 10.1, 10.2 примере b = tga = 1,4, lga =
0,978, следовательно, a=9,5. Тогда уравнение A0.5) для данного случая
можно записать следующим образом:
h=~> (Ю.6)
г'
где fo~ время полива до образования луж (мин); г - интенсивность дождя
(мм/мин). Указанные значения параметров а и b характерны для
конкретной, в данном случае лугово-аллювиальной среднесуглинистои почвы
302
долины р. Атрек без растительности при определенных энергетических
параметрах дождя и уклона склона.
Для почв с низкой водопроницаемостью значение параметра а
не превышает 5-6, а для почв с высокой водопроницаемостью -
достигает 20-30. Величина b характеризует затухание во времени скорости
впитывания воды почвой при дождевании и колеблется, главным образом, в
зависимости от исходной влажности почвы, в пределах 1,3-3,0.
Под допустимой нормой полива (Мдоп) понимается слой воды,
который распределяется в течение всего полива с заданной,
интенсивностью дождя без образования луж. Она рассчитывается по уравнению
Мдоп = г fo- A0.7)
Подставляя выражение A0.5) в уравнение A0.7) получим
Мш
аг
\-ь
A0.8)
нение
Например, при г - 0,3 мм/мин
В данном случае с лугово-аллювиальной почвой уравнение
A0.8) принимает вид Мяоп= 9,5 г-0'4.
Мдоа= 15,3 мм = 153 м3/га.
В табл. 10.6 приведены для примера
допустимые поливные нормы при орошении
некоторых почв среднеструиной дождевальной
техникой. Хорошо видно, как понижается
допустимая норма полива при переходе от более
гумусированного и водопроницаемого
типичного мопщого чернозема к менее гумусированной
и менее проницаемой среднесмытой темно-
серой лесной почве, а также при увеличении
крутизны склона. Для приближенных
расчетов можно принять, что величина поливной
нормы обратно пропорциональна параметру A-
51), где / - уклон поверхности. Наличие
указанной зависимости обусловлено понижением
водопроницаемости почвы при увеличении
крутизны склона в связи с увеличением
скорости потока и, следовательно, уменьшением
длительности контакта определенной порции
воды с поверхностью почвы.
Из данных табл. 10.6 следует, что интенсивность дождевания
оказывает сильное влияние на величину допустимой нормы полива.
Уменьшение интенсивности дождя в 2 раза - от 0,25 мм/мин до 0,12
мм/мин при одновременном уменьшении среднего диаметра капель с 2,0
до 1,5 мм повышает поливную норму примерно в полтора раза. Это свя-
Рис. 10.2. Зависимость
времени до образования стока
от интенсивности
дождевания в логарифмических
координатах
303
Таблица 10.6
Допустимые нормы полива сельскохозяйственных культур на почвах Молдавии
различными дождевальными машинами (м3/га) (Гаврилица, 1993)
Почва
Темно-серая лесная
сргдкесмытая
тяжелосуглинистая
Чернозем оподзолеи-
ный слзбосмитый
тяжелосугли н истый
Чернозем типичный
мощный
тяжелосуглинистый
Уклон
0-0,03
0,03-0,05
0,05-0,07
0-0,03
0,03-0,05
0,05-0,07
0-0,03 J
0,03-0,05
0,05-0,07
"Фрегат",
г = 0,32 мм/мпн,
dK=l,8 мм
260
230
200
380
330
280
460
380
350
"Днепр" ,
г = 0,25 мм/мин,
flt=2,0 мм
250
220
190
360
310
280
440
370
338
ДШ-25/300
г = 0,12 мм/мин,
dt=l,5 мм
380
330
290
550
470
420
700
580
540
ПРИМЕЧАНИЕ. "Фрегат" - самоходная многоопорная дождевальная машина со средне-
струйными дождевальными аппаратами. "Днепр" - широкозахватная многоопорная
электрифицированная дождевальная машина со среднеструйными аппаратами "Роса-3". ДШ-
25/30 -дождевальный шлейф с карусельными дождевальными аппаратами.
зано с уменьшением энергии воздействия дождевых капель на
поверхность почвы, приводящим к лучшему сохранению структуры почвы и
крупных водопроводяпдах пор в ее поверхностном слое. Уменьшение
диаметра капель искусственного дождя приводит к снижению скорости их
падения и увеличению допустимых поливных норм при постоянной
интенсивности дождя. Причем уменьшение диаметра капель в два раза
приводит к увеличению допустимой поливной нормы в 1,5-2,5 раза.
Суммарное энергетическое воздействие дождя на поверхность
почвы обычно оценивается величиной удельной мощности дождя (N,
Вт/м2), которую можно рассчитать по уравнению E.1).
При расчете Vr следует учитывать, что движение капель при
дождевании не является установившимся (в отличие от падения капель
естественного дождя). В связи с этим скорость падения капель зависит
не только от их диаметра, но и от высоты падения (/г). Эта зависимость
представлена на номофамме (рис.10.3), которую можно использовать
для практических расчетов.
Дождевальные машины по удельной мощности создаваемого ими
дождя можно расположить в следующем порядке:
ДШ-25/300, "Кубань" 0,04 Вт/м2;
"Фрегат", "Волжанка" 0,09-0,1 Вт/м2;
КИ-50 "Радуга", "Днепр" 0,14 Вт/м2;
ДДН-70 0,19 Вт/м2.
Последний из перечисленных афегатов оказывает наиболее
разрушительное воздействие на почву, поэтому его использование следует-
офаничить пастбищами и сенокосами.
304
a too 2оо зоа 4оо 5ао бос too ьао зоа Ь,си
Рис. 10.3. Зависимость скорости капли, V к от ее диаметра d&. и высоты падения, h
Существенное влияние на величину допустимой поливной нормы
оказывает растительность. Надземная часть растений уменьшает энергию
воздействия капель дождя на поверхность почвы. Как видно из табл.
10.7, величина отношения допустимых поливных норм на участках с
растительностью (Мдоп.р) и без нее (Мдоп) постепенно возрастает по мере
увеличения проективного покрытия растительного покрова, и к концу
вегетационного периода достигает величин 1,8-2,0.
Уравнение A0.8) позволяет решить также обратную задачу -
рассчитать по заданной поливной норме допустимую интенсивность
дождя, обеспечивающую полное впитывание требуемой поливной нормы.
А.Н.Костяков A960) рекомендовал следующие величины допустимой
Таблица 10.7
Влияние растительности на допустимую поливную норму (Абрамов, 1982)
Культура, фаза развития
Кукуруза
Картофель
появление 5-го листа
выметывание метелки
образование початков
созревание
появление всходов
появление соцветий
цветение
созревание
Проективное покрытие, %
10-20
30
50
80-90
15
50
65
60-70
(Мъп.р) / СЭДпоп)
1,05
1,20
1,5-1,6
1,7-2,0
1,05
1,2-1,5
1,6-1,8
1,6-1,8
305
Таблица 10.8
Допустимая интенсивность дождя (мм/мин) при поливных нормах 300-50!) м /га
(Степанов, Овчаренко, Скобельцын, 1984)
Почвы
Черноземы легкосуглинистые
Черноземы средне- и тяжелосуглииистые
Каштановые и дерново-подзолистые
суглинистые почвы
Сероземы светлые среднесуглинистые
Короткоструйные
позиционные аппараты
0,8-1,0
0,5-0,8
0,4-0,6
0,3-0,5
Вращающиеся аппараты и
работающие в движении
0,30-0,35
0,22-0,27
0,12-0,20
0,07-0,15
интенсивности дождевания:
на тяжелых по гранулометрическому составу почвах 0,1-0,2 мм/мин;
на средних » 0,2-0,3 мм/мин;
на легких » 0,5-0,8 мм/мин.
При этом диаметр капель не должен превышать 1-2 мм в
зависимости от водопроницаемости почв.
Помимо водопроницаемости допустимая интенсивность дождя
зависит также от режима работы дождевальной машины или аппарата.
Для машин, работающих в движении, допустимые интенсивности
меньше, чем для короткоструйных позиционных аппаратов (табл. 10.8). Это
связано с тем, что машины, работающие в движении, создают дождь
очень высокой мгновенной интенсивности, во много раз большей, чем
средняя за весь период дождевания. В связи с этим в момент
прохождения крыла машины над поверхностью почвы дождевые капли разрушают
поверхность и, следовательно, уменьшают водопроницаемость гораздо
сильнее, чем позиционные аппараты. В некоторых странах, например, в
США, допустимую интенсивность искусственного дождя ставят в
зависимость от наличия на поле растений, водопроницаемости почвы и
уклона орошаемого участка (табл. 10.9, приводится по Багрову и Кружшш-
ну, 1980).
Таблица 10.9
Допустимая интенсивность дождя (мм/мин)
Почвы
Песчаные
» с более плотной подпочвой
Легкие супесчаные
» с более плотной подпочвой
Среднесуглинистые
» с более плотной подпочвой
Тяжелые суглинхи н глины
Уклон
-г 0.05 | 0,05-0,08 | 0,08-0,12 \ ^>0,12
Растительность
есть
0,85
0,74
0,74
0,53
0,42
0,25
0,09
нет
0,85
0,64
0,42
0,32
0,21
0,13
0,07
есть
0,85
0,53
0,53
0,42
0,34
0,21
0,07
нет
0,64
0,42
0,34
0,21
0,17
0,11
0,04
есть
0,64
0,42
0,42
0,32
0,25
0,17
0,05
нет
0,44
0,32
0,25
0,17
0,13
0,07
0,03
есть
0,42
0,32
0,32
0,21
0,17
0,13
0,04
нет
0,21
0,17
0,17
0,13
0,09
0,04
0,02
306
Имеющиеся данные свидетельствуют, что серийные
дождевальные машины (табл. 10.10) способны распределять большие поливные
нормы без образования стока (табл. 10.8) только на легких почвах. На
почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава допустимая
поливная норма может оказаться слишком малой для использования в
производстве, поэтому в этих случаях следует предусмотреть
мероприятия по ее повышению.
Таблица 10.10
Интенсивность дождя (мм/мин), создаваемого дождевальными машинами
КИ-50 "Радуга" (Комплект ирригационный со среднеструйными аппаратами
"Роса-3")
ДДА-100МА (Двухконсольный дождевальный агрегат с короткоструйными
насадками дефлекторного типа)
ДДН-70 (Дождеватель дальнеструйный навесной)
ДКШ-64 "Волжанка" (Дождевальный самоходный трубопровод со средне-
струйными аппаратами КД-10)
ДМУ "Фрегат"
ДФ-120 "Днепр"
0,23
0,07-0,33
0,41
0,27
0,28
0,29
10.3.2 Предупреждение формирования стока при орошении
дождеванием
Агротехнические мероприятия по повышению поливной нормы
можно разделить на две группы. Одна группа направлена на увеличение
водовместимости и водопроницаемости пахотного слоя (глубокая
вспашка, повышение водопрочное™ структуры, щелевание,
мульчирование), другая - на повышение водозадерживающей способности
поверхности почвы (прерывистое бороздование в междурядьях пропашных
культур, лункование и создание микролиманов при влагозарядковых
поливах). Из гидротехнических мероприятий на орошаемых землях
используются валы-террасы с широким основанием и ступенчатые террасы.
Нетрудно видеть, что это те же мероприятия, которые
применяются и для защиты почв от дождевой эрозии (см. главу 8). Однако
наибольшее значение для предупреждения стока при дождевании имеют
организационно-хозяйственные мероприятия. Они включают
проектирование и использование противоэрозионной технологии дождевания,
предусматривающей полив до образования луж, а также выбор
соответствующей дождевальной техники. Методика определения допустимой
поливной нормы и допустимой интенсивности дождя изложена выше. Сред-
неструйные дождевальные машины значительно различаются по
величине подаваемой ими допустимой нормы полива (табл. 10.6). Еще большие
различия наблюдаются при сравнении среднеструйной дождевальной
машины ("Волжанка") с дальноструйными (ДДН-70, ДЦН-100). Замена
307
агрегата ДДН-100 дождевальной машиной "Волжанка" позволяет
повысить допустимую поливную норму почти в два раза (табл. 10.11).
Однако выбор той или иной дождевальной техники зависит не
только от интенсивности создаваемого ею дождя, но и от ряда других
факторов, в том числе крутизны склона. Например, агрегаты ДЦА-
100МА, ДЦН-70 и КИ-50 "Радуга" применимы на склонах крутизной до
0,05, а "Волжанка", "Фрегат", "Днепр"- до 0,02.
Таблица 10.11
Допустимые поливные нормы (м^га) (Карпенко, Савостьянов, 1985)
Почва
Чернозем южный среднесугаинистыа
Темно-каштановая легкосуглинистая
Каштановая средяесуглинистая
Светло-каштановая легкосуглннистая
"Волжанка"
370
210
260
110
ДДН-70
210
120
140
60
ДДН-100
190
ПО
130
60
Для предотвращения стока при поливе агрегатами ДДА-100МА
и ДДА-ЮОМ целесообразно увеличивать насколько возможно длину
бьефа1, так как при этом увеличивается время возвращения
дождевальной машины и, следовательно, пауза в подаче очередной порции воды на
данный участок поля, а это приводит к уменьшению усредненной
интенсивности дождя. Так, при позиционной работе ДЦА-100М
интенсивность дождевания достигает 2,5 мм/мин, а при длине рабочего
бьефа 100 м - 0,5 мм/мин, при 200-300 м, соответственно, 0,25 и 0,17
мм/мин. Увеличение длины бьефа со 100 до 300 м позволяет повысить
допустимую поливную норму почти в полтора раза. При использовании
агрегата ДЦН-70 можно уменьшить сток, применяя сменные сопла
меньшего диаметра C5 или 45 мм вместо 55 мм), что позволяет снизить
среднюю интенсивность дождя в 1,5 раза (Поляков, 1976).
Эффективным методом повышения допустимых поливных норм
является также прерывистое дождевание, существенно повышающее
водопроницаемость почвы. При поливе установкой КИ-50 "Радуга"
рекомендуется делить поливную норму на увеличивающиеся части в
пропорции 1:2:3 и проводить полив с интервалом перед последующим поливом,
равным продолжительности предыдущего полива (Панченко, Горчичко,
Болдырев,1976). По некоторым данным эффективно также
предварительное увлажнение поверхности почвы малой нормой (несколько
миллиметров).
Наиболее рациональным способом орошения крутых склонов
является капельное и синхронно-импульсное дождевание.
Бьеф -участок канала между соседними перемычками.
308
11. ОХРАНА ПОЧВ В СИСТЕМЕ НАРОДНОГО
ХОЗЯЙСТВА РОССИИ
11.1 Правовые и организационные основы охраны почв от
эрозии
В соответствии с Конституцией РФ (ст.9) земля и другие
природные ресурсы охраняются в Российской Федерации как основа жизни
и деятельности народов, проживающих на соответствующей территории.
Действующий в настоящее время "Земельный кодекс РСФСР" содержит
раздел IX "Охрана земель", где следующим образом раскрыто
содержание этого понятия (ст. 101): "Собственники земли, землевладельцы,
землепользователи и арендаторы осуществляют: рациональную организацию
территории; восстановление и повышение плодородия почв, а также
других полезных свойств земли: защиту земель от водной и ветровой
эрозии, селей, других процессов деградации почв, а также осуществляют
защиту угодий и земель от заражения вредителями, болезнями растений,
зарастания сорняками, кустарником и мелколесьем; рекультивацию
нарушенных земель; снятие, использование и сохранение плодородного
слоя почвы при проведении работ, связанных с нарушением земель".
Под мероприятиями по охране почв от водной и ветровой
эрозии или, что то же самое, под противоэрозионными и противодефляци-
онными следует понимать действия, направленные на изменение одного
или нескольких факторов эрозии почв в целях предотвращения
разрушения почвы. В связи со сложившейся в России системой
планирования и осуществления проектов по охране почв сложилось и условное
деление этих способов и средств на группы. Выделяют четыре группы:
агротехнических, агролесомелиоративных, гидротехнических и органи-
309
зационно-хозяйствеиных противоэрозионных и противодефяяционных
мероприятий.
Разработка мероприятий по охране почв от эрозии в
соответствии со ст. 103 "Земельного кодекса РСФСР является составной
частью землеустройства в РФ. Она осуществляется в составе или в
дополнение к схемам землеустройства (генеральным, республиканским,
областным) и проектам землеустройства (межхозяйственным и
внутрихозяйственным). Проектирование мероприятий по охране почв, как и все
землеустроительное проектирование, ведется на основе ряда принципов:
1) экономической целесообразности проектных предложений; 2)
комплексности; 3) зональности; 4) стадийности; 5) охвата почвозащитными
мероприятиями всей территории водосбора и района проявления
ветровой эрозии.
Финансирование работ по землеустройству проводится за счет
средств, поступающих в качестве платежей за землю. Из этого же
источника оплачивается проведение и других мероприятий по охране почв,
повышению их качества, материальное стимулирование собственников,
землевладельцев, землепользователей и арендаторов за осуществление
этих мероприятий (ст.50 Земельного кодекса РСФСР).
Для осуществления землеустройства в стране существует
система соответствующих органов. Центром этой системы является Комитет
РФ по земельным ресурсам и землеустройству (Роскомзем) с областными
и районными подразделениями. В его подчинении находятся
Всероссийский институт сельскохозяйственных аэрофотогеодезических изысканий
(ВИСХАГИ), Российский научно-исследовательский центр "Земля",
Российский институт мониторинга земель, научно-производственная
организация федерального уровня РосНИИземпроект, а также система
проектных институтов по землеустройству - "Гипрозем" в крупных природно-
экономических областях и землеустроительных предприятий (филиалов
"Гипрозем") в административных областях.
В соответствии с "Положением о мониторинге земель" в
Российской Федерации (газета "Зеленый мир", № 3, 1993) Роскомзем и
Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ
проводят систематические наблюдения за развитием водной и ветровой
эрозии, а также других почворазрушающих процессов в составе
мониторинга земель. В настоящее время система мониторинга находится в
стадии становления.
Сборник законодательных актов по аграрной реформе в
РСФСР. Вып. 2. М., "Советская Россия", 1991, с. 5-76.
310
11.2 Принципы проектирования противоэрозионных и проти-
водефляционных мероприятий
Экономическая целесообразность проектных предложений -
важнейший принцип проектирования мероприятий по охране почв.
Проект мероприятий по охране почв должен содержать глубокое
экономическое обоснование этих мероприятий. В нем должны быть скрупулезно
подсчитаны предполагаемые расходы и доходы.
Расходные статьи складываются из затрат на проектирование и
осуществление мероприятий по охране почв. Эти статьи расхода
определить довольно легко, для этого существуют апробированные методы.
Доходные статьи складываются из прибыли от прироста продукции,
обусловленного мероприятиями по охране почв, из экономии сил и
средств, а также из предотвращенного ущерба. Доходные статьи
рассчитать сложнее. Если для расчета сэкономленных средств и сил
существуют апробированные методы, то методы расчета предотвращенного
ущерба еще только разрабатываются. Экономисты прибегают к
косвенным методам. Например, приравнивают стоимость ущерба стоимости
удобрений, которыми можно возместить потерю питательных веществ в
смытой почве. Недостатки такого подхода очевидны, а результатом его
применения будет недооценка фактического ущерба. Результаты
расчета эффективности мероприятий по предупреждению эрозии почв,
выполненные с использованием имеющихся методик, свидетельствуют о
том, что в арсенале проектировщиков имеется целый ряд мероприятий,
осуществление которых оказывается экономически выгодным. К ним
относятся многие агротехнические мероприятия, выполняющие не
только почвозащитные, но и водо- и снегорегулирующие функции. Они
обеспечивают прибавку урожая за счет улучшения водного режима почв.
Ряд мероприятий позволяет не только защитить почву, но и сэкономить
ресурсы. Например, выращивание сельскохозяйственных культур на
фоне нулевой обработки требовало затраты всего 8,5 л/га дизельного
топлива, на фоне минимальной обработки - 23, тогда как в условиях
обычной обработки - 50,3 л/га (Михайлина, 1977).
Другой существенный принцип проектирования -
комплексность. Он предполагает взаимную увязку мероприятий, направленных на
предупреждение разных видов эрозии - при дождях, снеготаянии,
орошении, а также дефляции. Кроме того, проектные предложения по про-
тивоэрозионным и противодесрляционным мероприятиям должны быть
увязаны с проектами по мелиорации и инженерными проработками по
рекультивации, строительству дорог, водохозяйственных объектов, про-
311
изводственных и жилых массивов , т.е. задачи предупреждения эрозии
почв решаются только в комплексе с другими задачами землеустройства.
Принцип комплексности предполагает также применение для
охраны почв от эрозии определенных агротехнических,
лесомелиоративных и гидротехнических мероприятий, дополняющих друг друга. Это,
конечно, не значит, что везде необходимо использовать весь комплекс
этих мероприятий, однако применение лесомелиоративных мероприятий
должно непременно сочетаться с применением афотехнических, а
использование наиболее дорогостоящих гидротехнических мероприятий -
с применением всех остальных.
Зональность или, другими словами, необходимость полного
учета местных условий - третий принцип проектирования. Только полный
учет факторов эрозии позволяет правильно подобрать мероприятия по их
предупреждению, поскольку одни и те же мероприятия в разных
природных условиях приводят к разным результатам. Природная
зональность делает невозможным применение единых для всех зон типовых
решений при проектировании противоэрозионных и противодефляцио-
кьгх мероприятий.
В районах недостаточного увлажнения противоэрозионные
мероприятия направлены на задержание влаги на полях, в районах
избыточного увлажнения - на безопасный сброс излишков воды. В связи с
этим мероприятия по поделке микрорельефа характерны для районов
недостаточного и неустойчивого увлажнения, тогда как вспашка под
небольшим углом к горизонталям и нарезка водоотводных борозд - для
районов достаточного и избыточного увлажнения. Щелевание более
подходит для засушливых районов, а кротование - для избыточно
увлажненных. Есть, однако, и интразоаальные противоэрозионные
мероприятия, например, глубокая вспашка и вспашка с почвоуглублением.
Определенное значение имеет также источник стока: дождь или
тающий снег. Расчеты Г.П.Сурмача A992), а также наблюдения ряда
авторов показали, что в северных районах и в средней полосе Русской
равнины средний в севообороте смыв почвы талыми водами в два и
более раза превосходит дождевой смыв, южнее изолинии среднего стока с
зяби 15 мм интенсивность обоих типов смыва сравнивается, а в более
южных, особенно юго-западных районах, дождевая эрозия начинает
преобладать.
Тип склона (простой; односкатный или миогоскатный) также
оказывает влияние на выбор противоэрозионных мероприятий. Поделка
замкнутых микронеровностей особенно эффективна на сложных
склонах в целях недопущения концентрации воды в потяжинах. В то же
время простое бороздование неприменимо на сложных склонах.
312
Крутизна склона в значительной мере определяет емкость
микроформ рельефа. Поэтому лункование и прерывистое бороздование, а
также поделка микролиманов более эффективны на пологах склонах (не
более 3°). Щелевание, полосное рыхление и кротование особенно
эффективны на более крутых склонах, где другие мероприятия не дают
должного эффекта.
Большое значение имеет водопроницаемость почв. Любые
мероприятия по ее повышению сами по себе или в комплексе с водозадер-
живающими мероприятиями очень полезны. Их почвозащитная
эффективность тем больше, чем меньше исходная водопроницаемость почвы.
Важнейшим принципом является необходимость охвата проти-
воэрозионными мероприятиями одновременно всей территории
водосбора от водораздела до базиса эрозии. При невозможности
одновременного осуществления противоэрозионных мероприятий на всей территории
водосбора необходимо планировать их последовательное осуществление,
начиная с приводораздельных пространств и заканчивая подножием
склона. Это требование следует из механизма формирования стока на
склоне. На любом участке склона приходная часть стока состоит из
двух частей: 1) сформировавшейся на этом участке; 2) поступившей с
вышележащего участка. Чем дальше от водораздела расположен
участок склона, тем больше доля стока, поступающего с вышележащих
участков. Следовательно, прежде, чем приступать к регулированию стока,
формирующегося на данном участке склона, необходимо зарегулировать
его на вышележащем участке. Для него, как и для каждого следующего,
вплоть до приводораздельного, справедливо это же требование.
Следовательно, регулировать сток необходимо сразу на всем склоне.
Аналогичное требование справедливо и при размещении противодефляционных
мероприятий на территории района проявления дефляции.
Проектирование мероприятий по охране почв от эрозии, как и
все другие виды землеустроительного проектирования, ведется стадийно,
методом последовательных приближений, от общего к частному. Первая
стадия - составление генеральной схемы противоэрозионных и
противодефляционных мероприятий на область, край или республику, вторая -
составление схемы противоэрозионных и противодефляционных
мероприятий на ряд взаимосвязанных хозяйств, расположенных на одном
водосборе или в одном районе дефляции, третья - составление проекта
противоэрозионных и противодефляционных мероприятий на отдельное
хозяйство, четвертая - разработка проектно-сметной документации на
строительство гидротехнических сооружений и создание лесных
насаждений. Каждая из стадий проектирования предназначена для решения
313
специфических для нее задач, выполняется особыми методами и
отличается специфичным составом.
11J Принципы осуществления противоэрозионных
мероприятий на землях сельскохозяйственного фонда
Земли сельскохозяйственного фонда в зависимости от их
использования делятся на пахотные, используемые под севообороты, и
внесевооборотные (пастбища, сенокосы, выводные поля и т.п.).
Содержание системы почвозащитных мероприятий в значительной степени
определяется особенностями использования земли, на пахотных землях -
характером системы земледелия.
Каждая система земледелия представляет собой совокупность
взаимосвязанных элементов. Набор элементов и степень их
выраженности изменяются в зависимости от природных условий зоны,
специализации хозяйства, его обеспеченности людскими и материальными
ресурсами, определяя характер и особенности системы земледелия. Чаще всего
этот набор включает следующие элементы (Нарциссов, 1982):
1) порядок использования земли в севооборотах и на внесевооборотных
участках,
2) систему механической обработки почвы,
3) систему удобрения,
4) мелиорацию,
5) систему борьбы с сорняками, а также болезнями и вредителями
сельскохозяйственных растений,
6) систему противоэрозионных и противодефляционных мероприятий,
7) систему мероприятий по охране окружающей среды,
8) систему сортового семеноводства,
9) специальные агротехнические мероприятия.
В почвозащитных системах земледелия особая роль отводится
системе противоэрозионных и противодефляционных мероприятий.
Отличительной чертой почвозащитных систем земледелия является то, что
и остальные их элементы могут "по совместительству" выполнять наряду
со своими основными функциями и почвозащитные. Для этого,
конечно, они требуют соответствующего видоизменения, и связанной с этим
реконструкции машин и механизмов.
Так, во многих случаях задачи охраны почв от эрозии решаются
умелым подбором севооборота и правильным размещением его полей,
т.е. приданием почвозащитных функций центральному элементу любой
системы земледелия - порядку использования земли в севообороте.
Почвозащитный характер может быть придан нолевым и кормовым севообо-
314
ротам путем насыщения их посевами многолетних трав, чередования
полос многолетних трав с однолетними культурами и т.д.
Особенно широкие возможности в придании почвозащитного
характера открываются в случае со вторым элементом - системой
механической обработки почвы. Например, почвозащитного эффекта можно
добиться всего лишь изменением направления основной обработки,
пахоты. Конечно, обрабатывать почву в направлении, копирующем
горизонтали, сложнее, чем прямолинейно, увеличиваются трудности с
обработкой посевов. Тем не менее опыт мирового земледелия
свидетельствует о том, что будущее - за контурными системами земледелия.
Почвозащитного эффекта можно добиться также увеличением глубины
пахоты, поскольку при этом увеличивается впитывающая способность
почвы, сокращается поверхностный сток и смыв почвы.
Возделывание зерновых в настоящее время требует проведения
10-15 операций, а пропашных - до 20-25. При этом только в период
предпосевной обработки и сева следы колес почвообрабатывающих
машин покрывают от 30 до 80% поверхности поля (Макаров, 1987). При
этом почва переуплотняется, уменьшается ее впитывающая способность,
что увеличивает вероятность смыва. Следовательно, уменьшение числа
обработок за счет совмещения операций, путем применения
широкозахватной техники и перехода к новым, так называемым экологически
чистым системам земледелия, положительно скажется на впитывающей
способности почвы и уменьшит вероятность смыва.
Система удобрения может оказать влияние на процессы эрозии
лишь постольку, поскольку она способствует развитию
сельскохозяйственных растений. Хорошо развитые, равномерные насаждения -
лучшее средство от эрозии почв. В то же время система удобрения должна
строиться с учетом эродированности почв.
Мелиоративные приемы в большинстве случаев прямо или
косвенно способствуют повышению противоэрозионной и противодефляци-
онной стойкости и уменьшению разрушительной способности водных и
воздушных потоков. Это относится к регулированию водного режима
почв, к оросительным мелиорациям, к снегомелиорациям, к агролесоме-
лиорапиям и многим другим видам мелиорации (Заславский, 1987).
Связь между проблемами охраны почв от эрозии и проблемами
борьбы с сорняками, болезнями и вредителями очень тесная, но
противоречивая. С одной стороны, применение химических средств защиты
растений и уничтожения сорняков позволило резко снизить затраты на
производство сельскохозяйственной продукции и уменьшить
механическое воздействие на почву. Последнее выражалось в уменьшении числа
механических обработок и тем самым способствовало уменьшению смы-
315
ва и сдувания почвы. До сих пор большинство почвозащитных систем
земледелия строится на основе применения химических средств защиты
растений и уничтожения сорняков.
С другой стороны, только теперь, по мере накопления опыта,
человечество стало осознавать, что все эти средства являются все-таки
ядами широкого спектра действия, они поражают все живое и в конце
концов попадают в организм человека. А последствия от этого могут
быть и уже есть - самые печальные. Идея перехода от ядов широкого
спектра действия к узко специализированным не выдерживает критики,
так как уже сейчас земледельцам приходится регулировать численность
более 80 тысяч биологических видов. Более того, специфика живой
природы в том, что в результате размножения единичных, случайно
оказавшихся невосприимчивыми к данному яду, особей у подавляемого вида
возникает устойчивость к нему. После истребления гербицидами
сорняков "первого" поколения поля начинают засорять те виды, которые
раньше были редкими. Анализ всех аспектов применения пестицидов в
стране привел к выводу о необходимости "поскорее выправить опасный
для природы и человека и бесперспективный для народного хозяйства
"химический" крен в защите растений" (Яблоков, 1987). Это положение
представляется обоснованным и единственно верным. Будущее, по-
видимому, за биологическими средствами защиты растений.
Система сортового семеноводства может оказывать влияние на
эрозию почв лишь опосредованно, через введение наиболее
продуктивных и скороспелых в местных условиях сортов, а также не
чувствительных к эродированности почвы.
Специальные агротехнические мероприятия (сроки сева, нормы
высева и др.) оказывают влияние на процессы эрозии почв также
опосредованно, через растения, поскольку все они направлены на скорейшее
получение равномерных устойчивых всходов. Кроме того, смешанные
посевы являются не только средством увеличения выхода продукции, в
первую очередь кормов, но и важнейшим средством защиты почв.
Применение смешанных посевов позволяет увеличить продолжительность
пребывания почвы под зашитой растительности. Это звено систем
земледелия представляется весьма перспективным в области защиты почв и
увеличения продуктивности пашни.
На пастбищных землях предупреждение эрозии почв достигается
в первую очередь путем применения мер, направленных на сохранение, а
в необходимых случаях - на восстановление и улучшение естественного
травостоя. Это достигается введением пастбищеоборота, коренным и
поверхностным улучшением пастбищ, снижением нагрузки на пастбища
до научно обоснованных норм.
316
12. Заключение
Охрана почвенного покрова от деградации, в первую очередь от
эрозионных процессов, одна из важнейших экологических проблем, с
которыми человечеству придется иметь дело и в XXI веке. Успешное
решение этой проблемы возможно лишь на основе глубокого
всестороннего изучения причин и условий возникновения эрозии почв и
разработки научных основ охраны и рационального использования земельных
ресурсов. Решать эти проблемы призвано новое научное направление
почвоведения - эрозиоведение.
Развитие эрозиоведения как науки прежде всего зависит от
разработки ее теоретических основ. Рассмотрим перспективы исследований
в выделенных ранее (см. гл. I) четырех основных направлениях
разработки теоретических основ эрозиоведения.
В области теории единого эрозиоюго-аккумулятивного процесса
требует первоочередной разработки проблема аккумуляции
эродированного материала. До сих пор исследователи основное внимание уделяли
процессу отрыва частиц почвы, тогда как стадии их транспорта и
отложения оставались как бы в тени. Сейчас совершенно ясно, что
аккумуляция почвы в ряде случаев столь же вредна как и ее разрушение,
особенно в связи с перемещением с продуктами смыва и выдувания
экологически опасных веществ - радионуклидов, гербицидов, пестицидов,
соединений тяжелых металлов и др.
Известно, что частицы данного размера выпадают из потока,
когда его скорость становится меньше незаиляющей. Количество
выпавших наносов пропорционально разности между размывающей
способностью потока при максимальной скорости движения воды по склону
и транспортирующей способностью в замыкающем створе. Для
крупных каналов транспортирующая способность потока, характеризуемая с
317
количественной стороны предельным расходом наносов, определяется
расчетным путем отдельно для влекомых (донных) и взвешенных
наносов. Если для расчета донных наносов предложен ряд теоретически
обоснованных формул (Великанова, Гончарова, Шамова и др.), то для
расчета взвешенных наносов таковых пока нет. Применимость же к
склоновым потокам малой глубины эмпирических формул, предложенных
для крупных водотоков (Замарина и др.), еще не показана.
Далека от разрешения и проблема аккумуляции эоловых
наносов. Трудности анализа и прогноза эоловых отложений связаны в первую
очередь с нестационарностью воздушных потоков, вызывающих
ветровую эрозию почв. Эти потоки отличаются происхождением
(внутримассовые, фронтальные, местные, вихревые) и, следовательно,
свойствами, определяющими их транспортирующую способность
(скоростью, продолжительностью и направлением ветра, интенсивностью
турбулентности, влажностью воздуха), а также временем существования
и масштабами. В случае ветровой эрозии почв вертикальный масштаб
двухфазного потока соизмерим с горизонтальным, который в
зависимости от местных условий может изменяться от десятков и сотен метров до
сотен и тысяч километров.
В области исследования особенностей формирования и
движения взвесенесущих потоков сформировались условия для внесения
поправок в метод расчета одного из основных параметров потока - его
средней скорости. Следует отметить, что в разработанных к настоящему
времени моделях размывающей и транспортирующей способности
потока используется метод расчета, основанный на уравнениях равномерного
установившегося движения потока чистой воды (уравнения Шези, Ман-
нинга и др.). Однако известно, что на самом деле при дождях и
снеготаянии течение нельзя считать ни равномерным, ни установившимся, а
поток является взвесенесущим. Еще Р.Е. Хортон, а затем Н.И.Маккавеев
отмечали волновой характер склонового стока, что безусловно имеет
большое значение для развития эрозионных процессов. Кроме того, в
настоящее время имеются данные, показывающие, что закономерности
движения взвесенесущих потоков отличаются от законов механики
чистой жидкости (Нигматулин, 1978), что также не учитьшается до сих пор
в моделях эрозии почв.
В области теории противоэрозионной стойкости почв наиболее
важной задачей является разработка способа учета турбулизирующего
воздействия дождевых капель на поток воды, приводящего к понижению
размывающей скорости при совместном действии потока и капель
дождя. Сейчас это воздействие учитьшается, в первом приближении,
эмпирическим коэффициентом. В связи с этим необходимы дальнейшие ис-
318
следования по изучению пульсации скоростей в потоке для получения
физически более обоснованного показателя этого влияния. Большое
значение для познания механизма противоэрозионной стойкости почв
имеет изучение неоднородности свойств почв (особенно в период
весеннего снеготаяния). Сейчас изучено изменение во времени водопрочности
структуры почвы и ее противоэрозионной стойкости лишь при
орошении, тогда как закономерности изменения этих показателей при дождях
и снеготаянии еще не выяснены. Не меньшее значение имеет их
изменчивость в пространстве."То же самое относится и к водопроницаемости
почв. Определенные перспективы заложены в применении
вероятностного подхода к расчету размывающей скорости потока, развитого в
работах Ц.Е.Мирцхулавы. Этот подход несомненно позволит повысить
точность прогноза смыва и надежность рекомендуемых противоэрозионных
мероприятий.
В области теории противодефлящюшюй стойкости почв
необходимы дальнейшие исследования, направленные на разработку
методики учета влияния растительности, пожнивных остатков, мульчирующих и
структурообразующих материалов, а также противоэрозионного наноре-
льефа. Важное значение имеет накопление экспериментального
материала по пространственному и временному варьированию противодефляци-
онной стойкости почв разного генезиса.
Завершающим среди перечисленных в главе 1 направлений
развития научных основ эрозиоведения является создание теоретически и
экспериментально обоснованных моделей эрозии почв. Наименее
разработана проблема создания такой модели применительно к смыву почвы
при весеннем снеготаянии. Известные в настоящее время модели эрозии
почв при снеготаянии имеют чисто эмпирический характер. Это модели
Г.П.Сурмача, Н.Н.Бобровицкой, В.Д.Иванова и М.ИЛопырева, вариант
модели USLE для северо-западных районов США, страдающих от
эрозии в период весеннего снеготаяния, а также новые модели,
разрабатываемые в рамках программы WEPP (Young et. al, 1989). В
скандинавских странах разрабатывается модель SOIL/CREAMS, эрозионная часть
которой представляет собой модифицированную USLE (Botterweg,
1994). В то же время в России достигнуты большие успехи в
исследовании так называемой "термоэрозии", под которой понимается
одновременное тепловое и механическое воздействие водных потоков на породы
зоны вечной мерзлоты (Ершов, 1982). Анализ результатов исследований
в области термоэрозии, учет ряда особенностей смыва почв при
снеготаянии, а также использование законов механики многофазных систем для
описания взаимодействия потоков талой воды с оттаявшей почвой дает
319
возможность разработать теоретически обоснованную модель эрозии
почв в весенний период.
Разработанные к настоящему времени математические модели
ветровой эрозии почв дают либо относительную оценку противоэрозион-
ных приемов (Краснощекое, 1984; Спирин, 1987), либо однозначный
ответ об их эффективности или неэффективности (Куртенер, Усков,
1988), либо возможные потери почвы от ветровой эрозии в условиях
применения противоэрозионных мероприятий (Шиятый, 1976; Долгиле-
вич, Васильев, Сажин, 1981; Семенов, 1988; Ларионов, 1993). Эти
модели позволяют решать задачи оценки эффективности противодефляцион-
ных мероприятий или их систем с разной степенью точности. Все они
нуждаются в дальнейшем экспериментальном и теоретическом
обосновании и в адаптации к новым почвозащитным технологиям. В этом же
направлении продолжается совершенствование новой версии
американской системы прогнозирования ветровой эрозии почв - WEPS (Hagen,
1991).
В области разработки почвозащитных систем земледелия
наиболее важным является перевод ее на ландшафтную основу (Каштанов,
Щербаков, Швебс и др., 1993; Кирюшин, 1993). Дальнейшее
совершенствование систем земледелия должно идти по пути углубления
технологической дифференциации и максимального использования присущих
природному ландшафту свойств саморегуляции и самоорганизации. На
региональном уровне проектирования почвозащитных систем земледелия
можно использовать в качестве основы мелко- и среднемасштабные
ландшафтные карты и карты физико-географического районирования
отдельных регионов страны. На локальном уровне необходимы
крупномасштабные ландшафтные карты, на которых выделены урочища и по-
дурочшца (Волкова, Жучкова, Николаев, 1990).
Следует отметить, что проектирование отдельных
противоэрозионных приемов и их комплексов и раньше фактически велось с учетом
ландшафта. Так, предложенное А.С. Козменко выделение эрозионных
земельных фондов, проводится на уровне ландшафтов, местностей,
урочищ и подурочищ, а более дробное деление территории на ряд
категорий (по Соболеву и др.), как правило, на уровне подурочищ.
Ландшафтный подход позволяет избежать крупных ошибок при
проектировании, в частности, исключить случаи объединения в одном
поле разнородных участков или неоправданного разделения границами
угодий или полей однородных природных комплексов. Поскольку
ландшафтных карт крупного масштаба пока мало, следует использовать
крупномасштабные почвенные карты.
320
Сочетание геотрафического (ландшафтного) подхода к.
разработке систем земледелия с гидрологическими, гидравлическими и
аэромеханическими методами расчета отдельных их элементов,
базирующимися на теоретически обоснованных моделях эрозионных процессов,
должны стать одним из основных направлений исследований в области
защиты почв от эрозии.
Необходимым условием реализации этой задачи является
возможность получения надежных экспериментальных данных по
распространению и интенсивности эрозии почв в разных регионах,
экологической и экономической эффективности отдельных противоэрозионных
приемов и технологий, их комплексов и почвозащитных систем
земледелия в целом. В связи с этим возникает необходимость разработки
концепции почвенно-эрозионного мониторинга как составной части
государственной программы мониторинга земель России.
В ее основе должна лежать идея периодического обновления
результатов почвенной съемки, материалов дистанционного зондирования,
а также наблюдений за стоком поверхностных вод, смывом и
выдуванием почвы на экспериментальных площадках и в замыкающих створах
малых водосборов на фоне многолетних опытов по эффективности
почвозащитных систем земледелия. При этом основным критерием должны
быть не только агрономические характеристики, но и показатели
экологические (сокращение смыва, сдувания почв, потерь ее от разрушения
оврагами, от заноса и заболачивания пойм, уменьшение интенсивности
заиления и загрязнения рек и водоемов, повышение качества вод,
воздуха и ряд других показателей).
Создание концепции развития почвенно-эрозионных
исследований будет способствовать разработке научных основ экологически
сбалансированного использования почв России.
21 Эрозия и охрана почв
321
Основная литература
Арманд Д.Л. Физико-географические основы проектирования сети полезащитных лесных
полос. М., 1961, 367с.
Брауде И.Д. Эрозия почв, засуха и борьба с ними в ЦЧО. М.,1965, 140 с.
Брауде И.Д. Рациональное использование эродированных серых лесных почв
Нечерноземной зоны РСФСР. М., 1976, 72 с.
Добровольский Г.В., Гришина Э.А. Охрана почв. М., 1985, 224 с.
Добровольский Г.В., Никитин Е.Д- Функции почв в биосфере и экосистемах. М., 1990, 262с.
Долгилевич М.И. Пыльные бури и агролесомелиоративные мероприятия. М., 1978, 159 с.
Долгилевич ММ.. Васильев ЮЖ. Сажин А.Н. Системы лесиых полос и ветровая эрозия.
М.,1981, 160 с.
Ерхов Н.С. Мероприятия по предупреждению ирригационной эрозии почв при дождева-
нин/Я'ндротехника и мелиорация, N° б, 1981, с. 54-57.
Ершов Э.Д., Малиновский Д.В., Кучуков Э.З. и др. Термоэрозия дисперсных пород. 1982, М.,
193 с.
Зайцева А.А. Борьба с ветровой эрозией почв. М., 1970, 152 с.
Заславский ММ. Эрозиоведение. М., 1983, с. 319.
Заславский М.Н. Эрозиоведение. Основы протнвоэрозионного земледелия. М., 1987, 376 с.
Заславский М.Н.. Каштанов А.Н. Почвозащитное земледелие. М, 1979, 207 с.
Захаров П.С. Пыльные бури. Л., 1965, 164 с.
Захаров П.С. Эрозия почв и меры борьбы с ней. ML, 1978, 176 с.
Инструкция по определению расчетных гидрологических характеристик при
проектировании противоэрозионных мероприятий на Европейской территории СССР. М.,
1979, 62 с.
Кальянов К.С. Динамика процессов ветровой эрозии почв. М., 1976, 154 с.
Каштанов А.Н., Заславский М.Н. Почвоводоохраииое земледелие. М.: Россельхозиздат,
1984, 462 с.
Каштанов А.Н., Щербаков А.П., Швебс Г. И. и др. Ландшафтное земледелие. Часть 1.
Концепция формирования высокопродуктивных экологически устойчивых агроландшафтов
и совершенствования систем земледелия на ландшафтной основе. Курск. 1993, 54 с.
Каштанов А.Н., Щербаков А.П.. Володин ВМ. и др. Ландшафтное земледелие. Часть 2.
Методические рекомендации по разработке ландшафтных систем земледелия в
многоукладном сельском хозяйстве. Курск. 1993, 100 с.
Козменко АС. Борьба с эрозией почв. М., 1949, 160 с.
Краснощекое Н.В. Механика почвозащитного земледелия. Новосибирск, 1984, 201 с.
Кузнецов М.С. Противоэроэиоиная стойкость почв. М., 1981, 135 с.
Кузнецов М.С., Глазунов Г.П., Зорина Е.Ф. Физические основы эрозии почв. М., 1992, 95с.
Кузнецов М.С., Григорьев В.Я., Ким А.Д. Ирригационная эрозия почв сероземной зоны и ее
предупреждение. М., 1985, 62 с.
Кузнецов М.С., Григорьев В.Я., Хан К.Ю. Ирригационная эрозия почв и ее предупреждение
при поливах дождеванием. М., 1990, 120 с.
Кузнецов М.С., Базаров О А. Противоэрозионная стойкость предгорных и горных почв
Таджикистана. Душанбе, 1993, 64 с.
Куртенер Д.А., Усков И.Б. Управление микроклиматом сельскохозяйственных полей. Л.,
1988, 263 с.
Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв. М., 1993, 200 с.
Лобанов Д.А., Танзыбаев М.Г. Эрозия почв и меры борьбы с ней. Томск, 1986, 142 с.
Махсудов Х.М. Эрозия почв аридной зоны Узбекистана. Ташкент, 1989, 163 с.
Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М., 1986, 264 с.
Методические рекомендации по учету поверхностного стока и смыва почв ири изучении
водной эрозии. Л., 1975, 88 с.
322
Методические рекомендации по проектированию комплексов противоэрозионных
мероприятий на расчетной основе. Курск, 1985, 68 с.
Методические рекомендация по применению материалов аэрофотосъемок для исследования
и расчета характеристик водной эрозии почв. Л., 1986, 109 с.
Методические рекомендации по прогнозу водной (дождевой) эрозии почв. М., 1978, 61с.
Методические указания по размещению полезащитных лесных полос в районах с активной
ветровой эрозией почв/Под ред. М.И. Долгнлевнча. М., 1984. 59 с.
Мирцхулава Ц.Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости. М., 1967, 179 с.
Мирцхулава Ц.Е. Инженерные методы расчета я прогноза водной эрозии. М., 1970, 239 с.
Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел. Л., 1988, 303 с.
Наливкин Д.В. Ураганы, бури и смерчи. Л., 1970, 487 с.
Почвозащитное земледелие/Под ред. А.И.Бараева. М-, 1975, 304 с.
Районирование территории СССР по основным факторам эрозии/Под ред. ДЛ.Арманда.
М., 1965, 235 с.
Рожков А.Г. Борьба с оврагами. М., 1981, 199 с.
Савостьянов В.К., Карпенко В.Д., Ерхов Н.С. Предотвращение ирригационной эрозии почв
Средней Сибири при поливе дождеванием. Красноярск, 1990, 80 с.
Смирнова Л.Ф. Ветровая эрозия почв. М., 1985, 136 с.
Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов на территории европейской части СССР и
борьба с ними. М.-Л., 1948, Т.1. 307 с; М., 1960, Т. 2. 248 с.
Соболев С.С. Защита почв от эрозии и повышение их продуктивности. М., 1961, 231 с.
Сурмач Г.П. Водорегулирующая и противоэрозиоииая роль насаждений. М., 1971, 111с.
Сурмач Г.П. Рельефообразование, формирование лесостепи, современная эрозия и проти-
воэрозионные мероприятия. Волгоград. 1992, 175 с.
Трегубое П.С., Зверхановский Н.В. Борьба с эрозией почв в Нечерноземье. Л., 1981, 160 с.
Федоров В.А., Шикула Н.К. К методике определения величины смыва почвы
//Почвоведение, 1973, И> 1, с. 152-155.
Швебс Г.И. Формирование водной эрозии, стока наносов и их оценка. Л., 1974, 184 с.
Шиятый Е.И. Прогнозирование ветроэрозионных процессов применительно к проектиро
ванию почвозащитных мероприятий//В кн.: Эффективность почвозащитной системы
земледелия в степных районах СССР. Целиноград, 1976, с. 50-61.
Дополнительная литература
Абрамов A.M. Об учете растительного покрова при определении эрозионно-доиустимых
поливных норм//Сб. Предотвращение ирригационной эрозии почв Средней Сибири.
Красноярск, 1982, с. 42-45.
Авров О.Е., Мороз З.М. Использование соломы в сельском хозяйстве. Л., 1979, 200 с.
Алексеев ГА. Обобщенные методы расчета вероятных величин максимального и сезонного
стока//Автореф. докт. дисс. Л., 1952, 26 с.
Аллеи Х.П. Прямой посев и минимальная обработка почвы. М., 1985, 208 с.
Андронников В.Л. Аэрокосмические методы изучения почв. М., 1979, 280с.
Арманд Д.Л. Обзор экспериментальных методов в геоморфологии//Проблемы физической
географии. Т.13, М-Л.,1948, с. 60-76.
Арманд Д.Л. Географическая среда и рациональное использование природных ресурсов,
М., 1983, 238с.
Багров М.Н., Кружшшн И.П. Профессивная технология орошения сельскохозяйственных
культур. М., 1980, 208 с.
Бастраков Г.В. Эрозионная устойчивость рельефа и противоэрозиоииая защита земель.
Брянск, 1994, 260 с.
Бахирее Г.И. Эрозионноопасные земли Могилевской области БССР и их защита от эро-
зии//Автореф. канд. дис, Жодино, 1974, 31с.
Беннет Х.Х. Основы охраны почвы. М., 1958, 411с.
323
Беседин П.Н., Мирзажанов К., Паганяс К.П. Ирригационная эрозия почв и пути ее
ликвидации. Ташкент, 1978, 23 с.
Васильев Г.Н., Булгаков Д.С., Гавриленко Л.Н., Калиниченко А.С. Механизм развития
ветровой эрозии на черноземах Предкавказья.- В кн.: "Ветровая Эрозия почв и меры борьбы
с ней на Северном Кавказе." //Научные труды Почвенного ии-та им. В.В. Докучаева,
М., 1978, с. 36-64.
Вервейко А.П. Организационно-хозяйственные мероприятия по защите почв от эро-
зив//Комплекс мероприятий по защите почв от эрозии в УССР. Харьков, 1971, с. 38-
72.
Волкова Н.И., Жучкова В.К., Николаев В.А. Рекомендации к ландшафтному обоснованию
природоохранных систем земледелия. М., 1990, 61 с.
Воронин А.Д., Кузнецов М.С. Опыт оценки противоэрозионной стойкости почв. - В кн. :
"Эрозия почв и русловые процессы". Вып. 1, М., 1970, с. 99-115.
Гаврилица А.О. Эрозионные процессы при поливе дождеванием и пути их миннмиза-
ции//Почвоведение, 1993, № 1,-с. 77-84.
Григорьев В.Я. Гидрологические и гидрофизические основы прогнозирования и
предупреждения эрозии почв при орошении. Автореферат докт. дисс. М., 1988, 40 с.
Григорьев В.Я., Кузнецов М.С. Экспериментальные установки для изучения
противоэрозионной стойкости почв и некоторые результаты их применения // Вестн. МГУ. Сер.
биол., почвовед. 1976, № 3, 129-134.
Гудзон Н. Охрана почвы и борьба с эрозией. Пер. с англ. М., 1974, 304 с.
Гуссак В.Б. Эродируемость почв, пути ее исследования и некоторые связанные с ней про-
блемы//Автореф. докт. дне. Ташкент, 19S9, 41 с.
Дадаев Г. Устойчивость уплотненных фунтов против размыва//Социалистическое сельское
хозяйство Азербайджана, 1956, № 6, с. 50-56.
Данилов Г.Г., Лобанов Д.А., Каргин И.Ф. Эффективность агролесомелиорации в
Нечерноземной зоне РСФСР. М., 1980. 168 с.
Драголюбова И.В. Моделирование процессов переноса химикатов на малом водосбо-
ре//Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной
среды, ВНИИГМИ-МЦЦ, ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЯ, Серия 87. Мониторинг состояния
окружающей природной среды (обзорная информация). Обнинск, 1986, 40 с.
Дубов А.С. Быкова Л.П., Марунчч СВ. Турбулентность в растительном покрове. М., 1978,
183 с.
Жордания Т.Г. Влажность как один из основных факторов, определяющих размываемость
связных грунтов/ЛГр.Груз. НИИГиМ, 1957, вып. 18-19, с. 496-508.
Заславский М.Н. Эрозия почв. М., 1979, 245 с.
Защитное лесоразведение в СССР/Под ред. Е.С.Павловского. М., 1986, 263 с.
Звонков В.В. Водная и ветровая эрозия землн. М., 1963, 174 с.
Землеустроительное проектирование /Под ред. М.А.Гендельмана. М., 1985,511 с.
Извеков А.С.,Рыбалкин П.Н. . Ветровая эрозия почв. М. , 1975, 111с.
Качинский Н.А. Физика почв. Ч.1., М., 1965, 323 с.
Калиниченко Н.П., Ильинский В.В. Лесомелиорация овражно-балочиых систем. М., 1976,
200 с.
Кирюшин В.И. Концепция адаптивно-ландшафтного земледелия. Пущино, 1993, 64 с.
Колесниченко М.В. Лесомелиорация с основами лесоводства. М., 1981, 335 с.
Костяков А.Н. Основы мелиорации. М., I960, 622 с.
Лактаев Н.Т. Полив хлопчатника. Ташкент, 1978, 176 с.
Лидов В.П., Дик Н.Е, Николаевская Е.М.,Сетунъская Л.Е., Хмелева И.В. Классификация
современных линейных форм эрозии/ЛЪв. АН СССР. Сер. геогр. 1954, № 3, с. 91-99.
Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газа. М., 1973, 848 с.
Лошаков В.Г. Промежуточные культуры в севооборотах Нечерноземной зоны. М., 1980,
133 с.
324
Макаров ИМ. Пути интенсификации земледелия в двенадцатой пятилетке. М., 1987, 64 с.
Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М., 1955, 348 с.
Мальцев Т.С. Вопросы земледелия. М-, 1955, 430 с.
Механизация защиты почв от водной эрозии в нечерноземной полосе/Под ред. А.Т.Вагина.
М., 1977, 272 с.
Минеев В.Г. Экологические проблемы агрохимии. М., 1988, 283 с.
Мирцхулава Ц.Е. Надежность систем осушения. М., 1985, 239 с.
Михайлина В.И. Агротехнические способы защиты почв от эрозии в США//Обзорная
информация. ВНИИТЭИСХ. М., 1977, 58 с.
Моргун Ф.Т. Обработка почвы и урожай. М., 1981, 288 с.
Моргун Ф.Т., Шикула Н.К., Тарарико А.Г. Почвозащитное земледелие. Киев, 1993, 239 с.
Нарциссов В.П. Научные основы систем земледелия. М., 1982, 328 с.
Нигматулин Р.И. Основы механики многокомпонентных сред. М., 1978, 336 с.
Орлова В.К. Развитие процессов эрозии на дерново-подзолистых почвах, сформированных
на покровных суглинках (на примере Смоленской области)//Дисс. на соиск. уч.
степени канд. биол. наук. М., 1978.
Панченко И.Д., Горчичко Г.К., Болдырев А.П. Ирригационная эрозия н меры борьбы с ней в
Молдавии. Кишинев, 1976, 52 с.
Поляков Ю.П., Ильинский Н.Н., Савченко А.Д. и др. Ирригационная эрозия почв и борьба с
ней в Ростовской области. Новочеркасск, 1976, 32 с.
Рябов Е.И. Причина образования ветровых коридоров при льшьных бурях на Северном
Кавказе//В кн.: Результаты исследований, разработка и внедрение научных
рекомендаций по защите почв от ветровой эрозии в европейской части СССР (Тезисы докладов к
Всесоюзному семинару 6-8 июня), Ставрополь, 1972, с.34-38.
Семенов О.Е. Методика векторных расчетов ветрового переноса песка и солей во время
песчано-солевых бурь//Агрометеорологая. Л., 1988, с. 209-224.
Сластихин В.В. Вопросы мелиорации склонов Молдавии. Кишинев. 1964, 212 с.
Советское земельное право /Под ред. В.П.Балезина, Н.И.Краснова. М„ 1986, 304 с.
Соколовский ДМ. Речной сток. (Основы теории и методики расчетов) Л., 1968, 539 с.
Спиридонов А.И. Основы общей методики полевых геоморфологических исследований и
геоморфологического картографирования. М., 1970, 456 с.
Спирин А.П. Комплексная оценка почвозащитных агротехнических мероприя-
тий//3емледелие, 1987, №1, с. 49-51.
Справочник по механизации орошения/Под ред. Б.Г.Штелы. М., 1979. 303 с.
Степанов П.М., Овчаренко И.Х., ЮА.Скобельцын. Справочник по гидравлике для
мелиораторов. М., 1984, 200 с.
Сурмач Г.П. Прогнозирование стока талых вод с черноземов в каштановых почв//Вестн.
с/х науки, М., 1969, №12, с. 53-56.
Трегубое П.С., Дизенгоф Е.Г., Захарова Н.Н. Противоэроэионная и противодефляиионная
стойкость почв и пути ее повышения (обзорная информация)//ВНИИТЭИСХ, 1980.
Трегубое П.С., Аверьянов О.А. Ирригационная эрозия почв и меры ее предотвращения. М„
1987, с.
Хортон Р.Е. Эрозионное развитие рек и эрозионных бассейнов. М., 1948, 156 с.
Шакиров Ф.Х. Агротехническое обоснование и конструкция противоэрозионного
пахотного агрегата и рабочих органов для обработки междурядий пропашных культур
//Механизация работ по защите почв от водной эрозии. М., 1969, 126-137 с.
Шикула Н.К., Рожков А.Г., Трегубое П.С. К вопросу картирования территории по
интенсивности эрозионных процессов//В кн.: Оценка и картирование эрозионноопасиых и
дефляционноопасных земель. М., 1973, с. 30-34.
Шиятый ЕЖ, Лавровский А.Б. Методы определения механической прочности структурных
отдельностей при изучении ветровой эрозии почв//Почвоведение, 1971, №12, с.146-150.
Эрозия почвы/Под ред. МДж.Киркбп, Р.П.К.Моргана. М., 1984, 415 с.
325
Beasley D.B.. Huggins LF. ANSWERS - User's manual. EPA - 905/9-82-001. Chicago, 1982,
54 p.
Bisal F., Ferguson W.S. Effect of nonerodible aggregates and wheat stubble on initiation of soil
drifting//Canadian Journal of Soil Science, 1970, vol.50,№l, p. 31-34.
Bonerweg P. Modelling the effects of climatic change on runoff and erosion in central southern
Norway//Conserving Soil Resources. European Perspectives, 1994, p. 273-285
Chepil W.S. Factors that influence clod structure and erodibility of Soil by Wind. I. Soil tex-
ture//"Soil Science", 1953, vol. 75, №6, p. 473-484.
Chepil W.S. Factors that influence clod structure and erodibility of Soil by Wind. V. Organic
matter//SoiJ Sci., 1955, vol.80, № 5, p. 413-421.
Chepil W.S. Influence of Moisture on Erodibility of Soil by Wind//Soil Science Society of
America Proceedings, 1956, vol.20, p. 288-292.
Chepil W.S. Factors that influence clod structure and erodibility of Soil by wind. III. Calcium
Carbonate and decomposed organic matter/ZSoil Sci., 1954, vol.77, №6, p. 473-480.
Chepil W.S., Woodruff N.P. The physics, of wind erosion and its control// Advances in
Agronomy, 1963, vol.15, p. 211-302.
Donigian A.S., Jr. and Crawford N.H. Modeling nonpoint source pollution from the land sur-
face//EPA-600/3-76-083, 1976, 279 p.
Hagen L.J. A wind erosion prediction system to meet user needs//Journal of soil and water
conservation., 1991, Vol. 46, №2, p. 106-111.
Knisel W.G. (Ed.) CREAMS: A Field Scale Model for Chemical Runoff and Erosion from
Agricultural Management Systems. U.S.Dept. Agric, Conservation Research Report № 26. 1980,
643 p.
Lyles L, Allison B.E. Equivalent wind erosion protection of selected crop residues//ASAE Paper
№ 80-2036, 1980.
Lyles L, Schrandt K.L Wind erodibility as influenced by rainfall and soil salinity// Soil Sci.,
1972, vol.114, № 5, p. 367-372.
Skidmore E.L., Woodruff N.P. Wind erosion forces in the United States and their use in
predicting soil loss//Agriculture Handbook, 1968, № 346.
Williams J.R., Jones C.A., Dyke P.T. A Modeling Approach to Determining the Relatioship
Between Erosion and Soil Productivity/ZTransactions of the ASAE, 1984, № 27A), p. 129-144.
Wischmeier W.H., Smith D.D. Predicting rainfall erosion losses//USDA Agr. handbook № 537.
Washington, 1978, 65 p.
Woodruff N.P., Siddoway F.H. A wind erosion equation//Soil Science Society of America
Proceedings, 1965, vol. 29, № 5, p. 602-608.
Young R.A., Benuit G.R., Onstad S.A. Snowmelt and frozen soil. USDA-Water Erosion Prediction
Project: Hillslope profile model documentation. Ed. L.J.Lane and M.A.Nearing. NSERL
Report No 2. USDA-ARS National Soil Erosion Research Laboratory, West Lafayette, Indiana
47907. 1989, p. 3.1-3.11.
326
Предметный указатель
Автомодельность, 155; 156
Агролесомелиорация, 227; 315
Ажурность, 132; 133: 234
Аккумуляция, 12; 20; 22; 23; 70; 72; 85;
140; 141; 143; 145:266:293
Антициклон, 106
Аэроразмер, 70; 71
Базнс эрозии, 17; 313
всеобщий, 85
местный, 24; 27; 85; 171: 175
Балка, 17; 23; 46; 72; 78; 79; 85; 90;
114; 169; 170: 216; 228; 233; 235; 250;
255; 257
Бассейн, 46; 48; 80
реки, 12; 15; 22
Бора, 107
Борозда
водоотводная, 223; 312
поливная, 292; 294; 296; 298; 299; 300
"контурная", 298
"скошенная", 298
извилистая, 298
Бороздование, 312
прерывистое, 222; 237; 252; 307; 313
Бороздодел, 223
Борона, 269; 272; 274
дисковая, 240: 267
зубовая, 273
игольчатая, 268; 273
Боронование, 216; 218; 223; 263
Буря
песчаная, 183
пыльная, 8; 13; 14; 15; 16; 17; 104;
108; 127; 148; 182; 183; 284; 285
черная, 22
Быстроток, 243; 244
Вал, 237; 238: 242
-терраса, 238
эрозионный, 113
Вал-канава, 32; 231; 234; 243
Валик, 116; 150; 223; 229; 241
Величина
гидрологическая, 50
метеорологическая, 104; 130; 135; 152
Ветер, 105
горно-долинный, 106
местный, 107
Водораздел, 21; 24; 46; 48; 57; 59; 77;
78; 80; 82: 83; 84; 144; 169; 173; 176;
194; 227; 253; 313
Водороииа, 57; 169; 170; 181; 240: 246
Водосбор, 17; 18; 77
рассеивающий, 79
нейтральный, 79
собирающий, 79
Вспашка, 167; 168; 196; 216; 220; 222;
225- 312
глубокая, 219; 220; 307
с кротованием, 225
ступенчатая, 221
Выдувание почвы, 8; 13; 19; 71; 259
Выполаживание, 29; 236
откосов, 234; 246: 247
Вымоина, 170
Выступ шероховатости, 40; 41; 42; 43;
45: 59; 98; 115; 296: 301
Глубокорыхлитель-удобритель, 276
Годограф, 110
Делитель стока, 151
Дефпнруемость почв, 122; 123; 126; 204;
Дефляция почв, 5: 70: 115; 125; 144
Дешифровочные
признаки, 180
Длина склона, 80
Долина речная, 79
Заиливание, 12; 146; 225; 229
Запруда, 21; 244; 245
Засыпка
водороин, 240
ложбин, 234
оврагов, 29; 246
Зачернение снега, 227
Землеустройство, 251; 253: 310; 312
Зона
аккумуляции наносов, 141
завихрений, 59
защитная, 129; 134; 266
размыва, 141; 145
наветренная, 129
подветренная, 129: 133
смыва, 293
транспорта наносов, 141; 145
Зональность
природная, 312
эрозии, 14; 310; 312
Индекс
ветровой эрозии почв, 203; 206
Торнтвейта, 206
Интенсивность, 9
ветровой эрозии, 108
дождевания, 7
дождевания допустимая, 302
дождя, 74; 75; 185; 229; 238
максимальная, 75
п-мииутная, 76
дождя допустимая, 305; 306
дождя искусственного, 301; 303; 308
впитывания воды почвой, 7; 86; 229;
301
роста оврагов, 143
потерь почвы допустимая, 284
снеготаяния, 77; 89; 226; 229
смыва почвы, 9: 14; 63; 293; 312
турбулентности, 128
эрозии, 15; 18; 77
Канава, 24; 230; 239; 241
водоотводная, 247
нагорная, 243
Карта
размыва водосбора, 24
изоливий норм стока, 49
изолиний средних слоев стока, 51
крутизны склонов, 253
овражно-балочной сети, 27
погоды, 104; 183
почвенно-эрознонная, 13; 27; 137; 179;
253
относительных высот, 175
уклонов
местности, 173; 174; 178
Картограмма
длин и экспозиций склонов, 175
распространения оврагов, 27
Категории
земель для проектирования противо-
эрозионных мероприятий, 249
почв по степени смытости, 165
Классификация
оврагов, 171
природных процесов по их
управляемости, 103
почв
легких дефлированных степных, 168
по водопроницаемости, 87
по интенсивности смыва, 10
по степени смытости, 20; 164; 165;
167
эродированных, 173
склонов
по длине, 80
по крутизне, 81
Климат, 18; 89; 104; 109; 135
Коридор ветровой, 114; 268
Кольматированне наносов, 234
Комбинированный
почвообрабатывающий агрегат, 277
Комковатость почвы, 117; 118; 204
Комплекс почв
свеянно-навеянных, 72; 161
смыго-намытых, 161
эродированных, 173
Консоль, 243; 244
Коэффициент
вариации, 50
дисперсности, 95
бороздковой шероховатости, 203; 207
внутреннего трения жидкости, 37; 38
расчлененности территории, 80; 175
однородности почвы по сцеплению,
65; 66
противоэрозионной стойкости, 95
микрорасчлененности склона, 58; 59
пористости, 66
стока, 47; 48; 50; 56; 58; 88; 90; 232:
238
Шези, 39; 295
шероховатости, 40; 41: 42; 58; 100;
296
по Павловскому, 295
Критерий
подобия, 155
Стьюдента, 66
Кротование, 225; 312; 313
Крупность гидравлическая, 69; 70
Кулисы, 22; 130; 156: 226: 266; 267;
268; 290
стерневые, 226
Культиватор, 222; 265; 268
лаповый, 272; 273; 274
-плоскорез, 274
' штанговый, 272; 273; 274
Культуры промежуточные, 130; 212;
213; 260; 265
Лесополоса
ажурная, 132
водорегулирующая, 255
прибалочная, 233; 234; 235
приовражная, 236
плотная, 132; 133
полезащитная, 134; 156; 283; 284; 285
дополнительная, 285
основная, 285
смешанная, 287
чистая, 287
стокорегулирующая, 231; 232; 233
по противоэрозионной стойкости,
10; 98
Лесоразведение
полезащитное, 22; 26; 28: 232; 236;
279; 280; 285
степное, 22
Ложбина, 78; 79; 90; 145; 228; 230; 234;
241; 242: 243; 249; 254; 257
Лощина, 78; 79; 233; 254
Лощино-суходол, 79
Луикованне, 221: 223; 237: 307; 313
Мероприятия
по охране почв, 309
Метод
пщроаэромеханический, 136
активного эксперимента в природе,
138; 152
годографов, ПО
донных ловушек, 148
вычислительного эксперимента, 138
аэрокосмической съемки, 179
замера
мутпости в пробе воды, 145
скорости роста оврага, 143
замера объема русел, 140
замера уровня почвенной поверхности,
141
искусственного дождевания, 152
малых водосборов, 144
пассивного эксперимента в природе,
138
микроннвелирования, 142
моделирования, 26; 137; 182
подобия, 153; 157
определения размывающей скорости
визуальный, 62
экспериментальный, 63
определения критической скорости
расчетный, 64 ,
последовательных приближений, 204;
313
пыле- и пескоуловнтелей, 148
сравнительно-географический, 136
стационарны», 136
стоковых площадок, 31; 145; 150
физического моделирования, 157; 159
шпилек, 142
Цыговича, 96
экспертной оценки, 182; 183
экстраполяции, 182; 183; 184
Миграция
радионуклидов, 12
Микролиман, 221; 223: 225; 237; 307;
313
Модель
системы полезащитных лесополос, 134
эрозии почв, 31
ветровой, 203
графическая 137
дождевой, 74; 184; 193; 194; 196
математическая, 137
при орошении по бороздам, 201
при снеготаянии, 199
физическая, 137; 152; 153; 154
Модуль
стока, 49
твердого стока, 16; 193; 199
Мульчирование, 130; 191; 216; 262; 263;
277; 298
Наносы, 139; 140; 142; 165; 214; 233
взвешенные, 62; 65; 70; 148
донные, 65: 68; 144; 145; 148
эоловые, 6; 113: 114; 139; 152; 168;
291
Направление
преобладающих ветров, ПО
опасных ветров, 110: 111: 260; 265;
285
Напряжение
касательное, 38; 39
сдвига, 38
Насаждение лесное, 26; 132; 143; 227;
236
защитное, 232
кольматирующее, 228
мелноратнвно-кормовое, 283
328
прибалочное, 233
полезащитное, 279
склоновое, 228
стокорегулирующее, 228
Насаждение-илофильтр, 237
Норма
оросительная, 201
поливная, 297; 303; 305; 307; 308
допустимая, 302; 303; 304; 305; 307;
308
смыва допустимая, 295
стока, 49
Обвалование, 222; 231
tiHrypHoe, 223
еспеченность
стока, 49; 50; 52; 55; 75; ПО; 151
Овраг, 20; 23; 170; 171; 180; 228; 235;
236; 242; 243; 244; 246; 247.
донный, 170
береговой, 235
вершинный, 170
донный, 15
склоновый, 170; 234
Обработка
почвы
безотвальная, 30; 269; 270
бесплужная, 30
глубокая, 220
зяблевая, 219
контурная, 191
механизированная, 238
механическая, 117; 118; 217
предпосевная, 274; 277; 315
противоэрознонная, 217
прямолинейно-контурная, 218
полимерами-
структурообразователями, 300
поперечная, 219; 221; 246
основная, 32; 270; 271
нулевая, 278; 311
с оставлением стерни, 289
Облесение
берегов, 21
балок, 237
оврагов, 21; 24; 236
песков, 23; 24
массивное, 236
откосов, 236
склонов
крутых, 241
Объем
стока, 46; 47; 49; 50; 230; 231
дождевого, 54
поверхностного, 144
суммарный, 48
твердого, 139
талого, 50; 51
Перепад, 243
Параметр
шероховатости, 44; 45; 131; 285
Пары, 120; 191; 214; 215; 217; 220; 222;
259; 267; 289; 290
занятые, 135; 212
стерневые, 273
чистые, 135; 212
Периметр
смоченности, 34; 298
Площадка
стоковая, 31; 141: 142; 150; 153; 167;
185; 230
Плуг
навесной, 150; 241
плантажный, 230: 241
полевой, 240
отвальный, 188
с кротователем, 225
с крыльчаткой для прерывистого
бороздования, 222
с почвоуглубителем, 220
с удлиненным отвалом, 222
со снятым отвалом, 270
чизельный, 270
Погода, 104
Подслой
вязкий, 36
Показатель
связности, 120
Полив
допустимым расходом, 295; 296
по скошенным" бороздам, 298
по извилистым бороздам, 298
по предварительно увлажненным
бороздам, 299
по оструктуренным бороздам, 300
по мульчированным бороздам, 298
Потери почвы от эрозии, 6; 7; 18; 140;
141
допустимые, 10
потенциальные, 184; 194; 198; 201;
203; 210
Почвы
весьма сильно смытые, 165
дефлированные, 161; 169; 180
наземнонаносные, 20
перемытые, 20
маломощные несмытые, 165
намытые, 180
очень сильно смытые, 165
среднесмьггые, 162; 165; 166
слабонамытые, 165
слабосмытые, 164; 165; 166; 180
сильносмыгые, 162; 165; 166
смытые, 180
эродированные, 13; 161
чрезмерно смытые, 165
Принципы
осуществления противоэрозионных
мероприятий, 314
Прогноз
краткосрочный ветровой эрозии, 183
скорости ветра, 183
стока при дождях, 90
эрозии почв, 182; 183
эрозии почв долгосрочный, 183
Проницаемость лесополосы, 132
Промоина, 57; 170; 181; 230; 240; 245
донная, 170
Прямой сев, 278
Радиус гидравлический, 34; 39; 40; 69;
70; 295
Размещение посевов полосное, 29; 214;
279: 290
Размыв почвы, 8; 79; 168; 169; 170; 246
Распылители стока, 241
Расстояние
между валами-террасами, 237; 238
между водозадерживающими валами,
между водоотводными бороздами, 223;
224
между донными запрудами, 245
между распылителями стока, 241
между лесополосами, 132
полезащитными, 283; 284; 285
стокррегулирующими, 230; 232
между кулисами, 267
между снежными валами, 226
между щелями, 224
эффективное, 132; 133
Регулирование
стока, 19; 22; 313
Редукция коэффициента стока, 48
Режим
ветра, 17; 109; ПО
температурный, 112
течения, 89; 145
ламинарный, 35; 37; 42; 68
турбулентный, 35
Расход
воды, 34; 48; 58; 82; 151
в поливную борозду, 145
допустимый, 295; 297: 298; 299;
300
стока, 144
твердый, 68
Ресурсы
агроклиматические, 213
земельные, 11
природные, 309
Роза ветров, 110
Рыхление
безотвальное, 272
плоскорезами, 271
полосное глубокое, 220; 313
Связность
почвенного комка, 120
почвы, 95; 298
Севооборот, 25; 27; 189; 191; 198; 213;
249; 252; 255; 260
кормовой, 249
полевой, 248
почвозащитный, 215; 248; 259
Сеть
временная ручейковая, 140; 141; 180;
194; 199
гидрографическая, 78
Сечение
живое потока, 34; 35; 58; 72; 113; 144;
145; 146; 295
Сеялка, 214; 269; 275
зерновая, 275
кукурузная, 222
-культиватор, 277
-лущильник, 276; 277
стерневая, 121; 267; 275; 276; 277; 290
След турбулентный, 129; 130; 133; 134
Сидераты, 163
Сила
лобовая, 59
межагрегатного сцепления, 117; 124
подъемная, 60
срывающая, 117
Склон
вогнутый, 77; 79; 84; 115; 188; 249
выпуклый, 77; 79; 84; 115; 171; 188;
249
наветренный, 53; 114; 234
прямой, 79; 171; 249
подветренный, 114; 234
сложной формы, 79; 239; 249; 312
ступенчатый, 79; 80
Скорость
ветра, 45; 70; 71; 105; 107; 108; 109;
112; 113; 116; 127; 133; 134; 283
допустимая, 67; 285
расчетная, 284
критическая, 71; ПО; 113; 121; 124;
127; 129; 283
продольная, 45
водного потока, 35; 42; 47; 57; 81
донная, 42
размывающая, 62; 63; 65; 93
роста оврагов, 14
критическая, 64; 67; 124
падения капли, 74
незаиляющая, 62; 69; 70
неразмывающая, 61; 99
мгновенная, 35
несдвигающая, 61; 64
начала взвешивания, 62
начала массового движения частиц, 67
начала скачка, 62
почвообразования, 9
усредненная, 35
пульсационная, 36
средняя, 35
смыва почвы, 18
Слой
атмосферы
внутренний пограничный, 105; 131
приземный, 105; 135
пограничный, 129
шероховатости, 106
осадков
суточный, 55; 193
стока, 48
дождевой, 193
талого, 51; 53; 199
Система
земледелия
почвоводоохранная, 32
почвозащитная, 16; 30; 102; 135; 258;
289; 291; 314; 316
травопольная, 25
лесополос, 134; 156; 232; 283; 284;
285
овражно-балочная, 24; 233; 236
Снегозадержание, 22; 226; 267
Снегопахота, 226
Снеготаяние, 6; 37; 83; 90; 225
адвективное, 89
радиационное, 89
Смерч, 108
Совмещение операций, 276; 277; 315
Сооружения
гидротехнические, 32; 180; 230; 232;
233; 236; 237; 243
Сопротивление
гидравлическое, 148
аэродинамическое, 115
разрыву, 95
местное, 41; 43
Смыв
почвы, 8; 15; 18; 83; 293; 312
среднегодовой, 186
Стадии
ветровой эрозии, 8; 70; 71; 72
размыва, 169
оврагообразования, 20; 170; 171; 181
снеготаяния, 89
Стереофотограмметрия, 142
Сток
дождевой воды, 5; 21; 86
внутрипочвенный, 138; 228
растворенных веществ, 144
концентрированный, 140; 223; 228;
229; 232Г
максимальный, 49
наносов, 144; 145
поверхностный, 6; 86; 87; 203; 217;
225; ^28
средний, 312
твердый, 139; 151
талой воды, 92; 220; 230
Стойкость
противодефляционная, 5; ПО; 112;
116; 118; 119; 121; 123; 125; 126; 127;
129; 227; 258; 262; 268
330
противоэрозионная, 6; 65: 92: 93; 94;
97; 292; 294; 300
Суходол, 78; 79; 249
Сцепление, 37; 64; 93; 95; 96; 99; 117
межагрегатное, 65: 111
Терраса
гребневидная, 237
выемочно-насыпная, 240
напашная, 240
ступенчатая, 238
траншейная, 241
Террасирование
напашное, 29
склонов, 21; 150; 238; 240
Тип местности по уклонам, 178
Торнадо, 108
Травосеяние, 260: 268
Тромб, 108
Уклон
водной поверхности, 39
склона, 81; 84
Улучшение кормовых угодий
коренное, 216
поверхностное, 216
Уравнение
ветровой эрозии, 32: 138: 203; 210
водного баланса, 46
Костикова, 86
Пуазейля, 39
Шези, 39
универсальное потерь почвы, 32: 138;
184; Г99
Уравнения Стокса, 154
Фен, 107
Фаза дефляции, 168
Фонд земельных угодий, 25; 27; 230
гидрографический, 249
при водораздельный, 248
прнсетевой, 248
сельскохозяйственный, 314
Формула
ьазена, 40
размывающей скорости, 65; 96
критической скорости, 64
Павловского, 40
незаиляющей скорости, 69; 70
Маннннга, 39
Шези, 81
Эри, 68
Циклон, 106
Циклон-пылеуловитель, 159
Число
Рейнольдса, 36; 154; 155
Струхала,154; 155
Фруда, 154; 155
Эйлера, 154; 155
Шкала Бофорта, ПО
Шквал, 108
Щелеванне, 224
Эквивалент растительного покрова,
Энергия кинетическая
дождя, 75; 185
капли, 7; 74
потока, 85; 133
Эрозиовеяенне, 4; 30: 31: 32; 138; 182;
183
Эрозия
берегов, 5
геологическая, 11
ветровая, 3: 5; 8; 13; 70; 108; 135; 227;
258; 288
дождевая, 6; 73
водная, 3; 5; 6; 70; 75
военная, 5
антропогенная, 11; 103; 117; 135; 211
ирригационная, 6; 292
ливневая, б; 214
линейная, 8; 85; 99; 168; 232
при дождевании, 301
при поливе по бороздам, 294
при поливе по полосам, 7
при поливе по чекам, 7
при снеготаянии, 6; 73; 199
плоскостная, 8
поверхностная, 8; 12
повседневная, 8; 13; 16
нормальная, 11
почвы,5
структуры почв, 5
струйчатая, 8
ускоренная, 11; 102
Эффективность
водозадержнвающих приемов, 237
почвозащитная
жидкого навоза, 264
растительности, 100; 130:215; 258;
259; 260; 262: 266; 299
лесополосы, 133; 134; 230; 279
протиаоэрозионных мероприятий,
мульчирования, 217
систем лесополос, 283
систем механической обработки,
219; 220; 223; 224; 279
химикатов, 264
Ядро потока турбулентное, 36
'5j,
Оглавление
Предисловие 3
1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ ОБ ЭРОЗИИ ПОЧВ И ЭРОЗИОВЕДЕНИИ
1.1 Определение понятия "эрозия почв", классификация эрозионных процессов 5
1.2 Ущерб, причиняемый эрозиен почв народному хозяйству и окружающей среде 11
1.3 Распространение эрозии почв в СНГ 13
1.4 Краткие сведения из истории исследований процессов эрозии почв и мер защиты от
них - 19
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭРОЗИИ ПОЧВ 34
2.1 Закономерности движения жидкости и газа 34
2.1.1 Основные гидравлические характеристики потока 34
2.1.2 Режимы течения 35
2.1.3 Закономерности движения жидкости 38
2.1.4 Коэффициент шероховатости поверхности 40
2.1.5 Распределение скоростей водного и воздушного потоков по вертикали 42
2.2 Формирование стока поверхностных вод 46
2.2.1 Понятия - водораздельная линия, водосборная площадь, бассейн 46
2.2.2 Элементы баланса воды для бассейна 46
2.2.3 Показатели, используемые для описания стока 48
2.2.4 Изменчивость стока 49
2.2.5 Расчет максимальных объемов талого и ливневого стока заданной
обеспеченности 50
2.2.6 Расчет скорости движения воды по склону 57
2.3 Критические скорости водного и воздушного потоков, соответствующие разным
уровням смыва и дефляции почв 59
2.3.1 Физический смысл критических скоростей 59
2.3.2 Метод расчета критических скоростей потоков для почв 64
2.4 Транспорт и аккумуляция наносов 68
3. ФАКТОРЫ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ 73
3.1 Климатические факторы 73
3.2 Топографические факторы 77
3.3 Почвенные и литологические факторы 86
3.3.1 Влияние свойств почв на формирование дождевого стока 86
3.3.2 Особенности формирования стока при снеготаянии 89
3.3.3 Прогнозирование стока при снеготаянии 90
3.3.4 Противоэрозионная стойкость почв и фунтов .92
3.4 Биогенные факторы 99
3.5 Антропогенные факторы 102
4. ФАКТОРЫ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ 104
4.1 Климатические факторы 104
4.1.1 Общие сведения об атмосфере 104
4.1.2 Циркуляция атмосферы 106
4.1.3 Режим ветров 108
4.1.4 Режим атмосферных осадков и температуры 111
4.2 Топографические факторы 113
4.3 Почвенные и литологические факторы 116
4.3.1 Агрегатный состав 116
4.3.2 Гранулометрический состав 119
4.3.3 Органическое вещество почвы 122
4.3.4 Химический состав 123
332
4.3.5 Вода в почве 124
4.3.6 Противодефляционная стойкость почв 126
4.4 Растительность 128
4.4.1 Противодефляционная стойкость агробиогеоценозов 128
4.4.2 Трансформация полей метеорологических величин под действием
растительности 130
4.5 Хозяйственная деятельность человека 135
5. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЭРОЗИИ ПОЧВ 136
5.1 Методология эрозионных исследований 136
5.2 Пассивный эксперимент в природе 139
5.3 Активный эксперимент в природе 150
5.4 Физическое моделирование 153
5.4.1 Метод подобия , 153
5.4.2 Принцип действия и устройство среднего эрозионного лотка .....157
5.4.3 Устройство и принцип работы аэродинамической установки 159
6. СВОЙСТВА, КЛАССИФИКАЦИЯ, КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И МЕЛИОРАЦИЯ
ЭРОДИРОВАННЫХ ПОЧВ 161
6.1 Изменение свойств почв под влиянием эрозии и способы их улучшения 161
6.2 Классификация эродированных и дефлированных почв 164
6.3 Классификация линейных форм эрозии 168
6.4 Особенности картографирования эродированных почв 172
6.5 Применение аэрокосмических методов при почвенно-эрозиояном
картографировании 179
7. ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ЭРОЗИИ ПОЧВ 182
7.1 Принципы прогнозирования эрозии почв 182
7.2 Прогнозирование дождевой эрозии почв 184
7.3 Прогнозирование эрозии почв при снеготаянии 199
7.4 Прогнозирование эрозии почв при орошении 201
7.5 Прогнозирование ветровой эрозии почв 203
8. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ ПРИ ДОЖДЯХ И СНЕГОТАЯНИИ.2И
8.1 Агротехнические противоэрозионные мероприятия 212
8.1.1 Использование почвозащитных свойств растительности 212
8.1.2 Противоэрозионная обработка почвы 217
8.1.3 Способы водозадерживающей обработки почв 221
8.2 Агролесомелиоративные противоэрозионные мероприятия 227
8.2.1 Общие представления 227
8.2.2 Стокорегулирующие лесные насаждения 228
8.2.3 Лесомелиорация овражно-балочных систем 233
8.3 Гидротехнические противоэрозионные мероприятия 237
8.3.1 Простейшие гидротехнические сооружения на водосборной площади 237
8.3.2 Гидротехнические сооружения на оврагах 243
8.4 Организационно-хозяйственные мероприятия 248
9. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ 258
9.1 Агротехнические мероприятия 258
9.1.1 Почвозащитные севообороты 258
9.1.2 Почвозащитная система механической обработки 269
9.2 Агролесомелиоративные мероприятия 279
9.2.1 Состав и структура полезащитных лесных насаждений 279
9.2.2 Расчет системы полезащитных лесополос 283
9.2.3 Создание лесных насаждений -. 285
9.3 Организационно-хозяйственные мероприятия 288
10. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ИРРИГАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ 292
10.1 Факторы смыва почв при поливе по бороздам 292
10.2 Предупреждение смыва почвы при поливе по бороздам 294
10.2.1 Полив допустимыми (по условию неразмываемости почвы) расходами воды... 295
10.2.2 Способы повышения допустимых расходов воды 297
10.3 Особенности эрозии почв при поливе дождеванием и методы ее предупреждения 301
10.3.1 Допустимые элементы технологии полива дождеванием 301
10.3.2 Предупреждение формирования стока при орошении дождеванием 307
11. ОХРАНА ПОЧВ В СИСТЕМЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИИ 309
11.1 Правовые и организационные основы охраны почв от эрозии 309
11.2 Принципы проектирования противоэрозионных и противодефляцнонных
мероприятий .- 311
11.3 Принципы осуществления противоэрозионных мероприятий на землях
сельскохозяйственного фонда 314
12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 317
Основная литература 322
Дополнительная литература 323
Предметный указатель 327
Учебное издание
Михаил Сергеевич Кузнецов
Геннадий Павлович Глазунов
ЭРОЗИЯ И ОХРАНА ПОЧВ
Зав. редакцией И.И. Щехура
Редактор О.В. Апентьева
Художественный редактор Л.В.Мухина
Переплет художника Б. С. Казакова
Технический редактор Я. И. Матюшина
ЛР№ 040414 от 27.03.92
ИБ№8167
Подписано в печать 19.02.96..
Формат 60 х 90 ^1\б- Бумага офсетная.
Гарнитура Тайме. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 21,0 Уч.-изд. л. 22,34.
Тираж 1000 экз. Заказ №,«,, . Изд. № 5679
Ордена "Знак Почета"
издательство Московского университета.
103009, Москва, ул. Б. Никитская, 5/7.
Типография ордена "Знак Почета" изд-ва МГУ.
119899, Москова, Воробьевы горы.