Эрозия серых лесных почв и миграция биогенных веществ с талым стоком

В эпоху глобализации, развития генно-инженерных методов, экологических катастроф и существования такого ужасающего явления как международный терроризм, потрясающих мир своими политическими, научными, социальными последствиями, многие другие проблемы уходят на задний план. Среди последних выделяется экологическая проблема деградации почв в результате ее эрозии, оставлять без внимания которую, на наш взгляд, недопустимо. Следует подчеркнуть, что в нашей стране в настоящее время в связи с экономическими неурядицами земля рассматривается в основном как объект землеустройства, поэтому вопросы почвенных исследований, как и многих других, финансируются недостаточно. Тогда как еще 20 лет назад в бывшем СССР проблеме эрозии почв уделялось очень большое внимание. Во многих регионах научно-исследовательскими учреждениями велись разносторонние исследования по данной проблематике.

Актуальность темы

Сохранение биосферы Земли и почвы, как ее незаменимого компонента, является насущной проблемой, стоящей перед человечеством. На сегодняшний день в области охраны почвы достигнуты значительные результаты, как у нас в стране, так и за рубежом.

Учеными нашей страны разрабатываются количественные методы оценки и прогнозирования процессов эрозии почв, методы проектирования противоэрозионных мероприятий. Экспериментально-теоретическое направление исследований ведется при детальном изучении механизмов взаимодействия потока воды и почвы. Особо следует отметить исследования, направленные на раскрытие механизма взаимодействия талой воды с мерзлой почвой. Энергетические характеристики потоков и реакции почвы на их воздействия отражаются в математических моделях смыва почв. В настоящее время накоплен большой опыт по созданию таких моделей в России и за рубежом. В существующих моделях, как правило, имеется почвенный блок, характеризующий свойства почв противостоять разрушительному действию потока. Часто параметры, входящие в уравнения, определялись экспериментально или были получены расчетным путем.

В последнее десятилетие уделяется серьезное внимание исследованиям, направленным на углубленное изучение механизма взаимодействия потоков воды и почвы. Отличительной особенностью исследований протекания эрозионных процессов при снеготаянии является то, что полученные результаты позволяют более полно понять и раскрыть механизм протекания процессов, а именно, процессов тепло-массо-обмена на границе раздела сред почва-вода-воздух. В нашей стране такие исследования находятся на стадии организации режимных наблюдений. В связи с этим нами было проведено изучение закономерностей смыва серых лесных почв и выноса биогенных элементов (N, Р2О5, К20) потоками талой воды. Объектом исследований послужили серые лесные почвы разной степени смытости (юг Московской области).

Цель работы. Изучить закономерности смыва серых лесных почв при снеготаянии и миграции биогенных элементов с целью разработки методов количественной оценки величин эрозионных потерь почвы.

Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих задач:

• выявить закономерности смыва мерзлой и оттаивающей почвы потоками талой воды;

• определить величину размывающей скорости потоков на основании изучения механизма протекания процессов массо-обмена;

• оценить интенсивность миграции биогенных элементов с талой водой.

Научная новизна работы:

1. Установлена зависимость мутности потоков талой воды и интенсивности смыва почвы от температуры воздуха и состояния верхнего слоя почвы.

2. Впервые получена зависимость интенсивности смыва почвы от скорости потока воды и среднесуточной температуры воздуха.

3. Проведена оценка связи между размывающей скоростью потока и показателями противоэрозионной стойкости почвы.

4. Построена карта-схема среднего смыва серых лесных почв с зяби для центральных районов ЕТР.

5. Впервые оценена интенсивность миграции биогенных элементов в зависимости от расхода талой воды в потоке.

Практическая значимость исследований.

Результаты исследований могут быть использованы при оценке потенциальной опасности эрозии почв и при проектировании противоэрозионных мероприятий на серых лесных почвах ЕТР. Модифицированная модель среднего смыва почвы от стока талых вод может служить основой для создания компьютерной программы проектирования противоэрозионных мероприятий на расчетной основе.

Результаты исследований миграции биофильных элементов с талым стоком могут быть использованы для прогноза горизонтальной их миграции с жидким стоком в агроландшафтах.

Личное участие автора. Все виды работ по теме диссертационной работы, от проведения полевых экспериментальных наблюдений до анализа и обработки полученных результатов, выполнены лично автором или при его непосредственном участии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установление закономерностей разрушительного воздействия потоков талых вод на почвенный покров.

2. Определение значений размывающей скорости потоков талой воды в зависимости от показаний среднесуточной температуры воздуха и расчет потерь почвы.

3. Показатели противоэрозионной стойкости серых лесных почв и их практическое значение для оценки величин смыва.

4. Экологическое значение оценки механизма миграции биогенных элементов с талой водой.

Апробация работы.

Основные результаты исследований обсуждались на: конференции молодых ученых (Пущино, 1999), Международной научной конференции «Изучение и охрана биологического разнообразия ландшафтов Русской равнины» (Пенза, 1999), Международном Симпозиуме «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001), Международной научной конференции «Биологические ресурсы и устойчивое развитие» (Пущино, 2001). По теме диссертации опубликовано 4 работы и 1 работа принята к опубликованию.

Выводы.

1. Анализ дневной динамики снеготаяния на зяби и на поле с посевом озимой пшеницы показал, что разрушение почвенного покрова определяется энергетическими характеристиками потока, между интенсивностью смыва почвы и донной скоростью потоков наблюдается линейная зависимость.

2. Результаты проведенных исследований и анализ литературных данных позволили выявить, что смыв почвы талыми водами, как правило, идет по термоэрозионному типу. При этом установлено, что величина параметра массообмена (Вр) зависит от среднесуточной температуры воздуха.

3. Сопоставление полученных значений донных размывающих скоростей потоков на зяби со значениями среднесуточных температур воздуха позволило выявить наиболее опасный в эрозионном отношении период весеннего снеготаяния, когда среднесуточная температура воздуха составляет 4−5° С. В указанном интервале температур почва имеет наименьшую противоэрозионную стойкость.

4. Наиболее устойчива почва к воздействию потоков талой воды при среднесуточной температуре воздуха выше 5° С.

5. Проведена верификация теоретического уравнения потерь почвы, разработанного сотрудниками кафедрой эрозии почв МГУ, где использовались полученные нами значения Вр и V^ и показания среднесуточной температуры воздуха.

6. Установлена связь между величинами размывающей скорости потоков (Vp) талой воды для разных типов почв и произведением параметров (PWi PMeXt Рэ сли Рэ ст), характеризующих почвенные свойства, и значениями эрозионного коэффициента (у) уравнения Г. П. Сурмача. Это позволило модифицировать данное уравнение. Отклонение расчетных значений величин смыва почвы от фактических не превышало 18%.

7. Построена карта-схема среднего смыва серых лесных почв с зяби для центральных районов ЕТР, в основу которой положены рассчитанные по модифицированному уравнению величины смыва.

8. Выявление закономерности изменения концентрации калия, нитратного и аммонийного азота в талой воде от ее расхода показало, что на склоновых землях с зяблевой вспашкой и посевом озимой пшеницы без длительного внесения удобрения вынос биогенных веществ с талым стоком будет зависеть, главным образом, от их содержания в снеге.

Практические рекомендации.

Результаты исследований могут быть использованы при оценке потенциальной опасности эрозии почв на серых лесных почвах ЕТР. Удовлетворительная верификация уравнения потерь почвы при снеготаянии, разработанного сотрудниками кафедры эрозии почв МГУ, позволяет продолжать работу по ее совершенствованию и последующему внедрению в практическое использование. Модифицированная модель среднего смыва почвы от стока талых вод и полученная карта-схема могут использоваться для разработки компьютерной программы в целях проектирования противоэрозионных мероприятий на расчетной основе.

Результаты исследований концентрации биофильных элементов в талом стоке могут быть использованы для прогноза горизонтальной миграции этих веществ с жидким стоком в агроландшафтах.

В целом, полученные результаты могут быть интересны эрозиоведам, экологам, почвоведам, географам, агрономам.