ЗАЩИТА грунта от эрозии и дефляции
Суть эрозии и других форм деструкции почв
Термин "эрозия почв" происходит от слов "разъедания", "разрушение". До недавнего времени его использовали в широком смысле, понимая под ним любое разрушение (деструкцию) и снос верхней части почвы, независимо от того, какими силами они вызываются.
Эрозия - процесс разрушения почвы и почву под влиянием природных тел или явлений и хозяйственной деятельности человека. Эрозия бывает физическая и химическая. Среди физической эрозии различают водную, ветровую, агротехническое, техническую и пастбищную.
В Украине особенно большой вред пашни наносят водная и ветровая эрозии.
Водная эрозия - физическая эрозия, при которой разрушение почвы происходит под действием талых, дождевых или поливных вод. Среди нее выделяют плоскостную, капельную, ирригационную.
Эрозия ветровая - физическое эрозия, при которой разрушается почва под влиянием ветра при отсутствии на поверхности растительного покрова, при значительной распыленности почвы, недостаточном количестве воды в нем и при скорости ветра выше пороговой. Больше она оказывается на легких почвах с частицами диаметром менее 1 мм. Сейчас уже эродированных более 15 млн. Га, и эрозия продолжает наступать дальше на каждый пятый гектар из тех, что еще цели. Однако и на этих землях потери органического вещества (гумуса) из почвы достигли 25-35%.
По подсчетам, на землях, которые размещаются на склонах крутизной более 1 °, а их в составе пашни около 52%, в Украине без пользы для урожая, а то с ущербом для окружающей среды и самой почвы теряется до 60% талых и ливневых вод, которым выносится в реки, озера и пруды 15-25% биогенных веществ, удобрений и пестицидов. Растут старые и возникают новые овраги, осложняется экологическая обстановка.
Вследствие растущей интенсификации земледелия, к сожалению, развиваются процессы деградации гумуса почв и снижается их плодородие. Анализ их свидетельствует, что уровень гумификацийних процессов в современных агроландшафтах снизился в среднем на 30-50% по сравнению с уровнем экстенсивного хозяйствования. Ускоренное разложение свежей органического вещества усиливает и минерализацию гумуса. Известно, что потери последнего в черноземах страны составляют 25-35% исходных его запасов. Так, черноземы среднегумусные, которые существовали до 30-х годов, сейчас трансформировались в мало-гумусные.
Особенно большие потери энергии с агроекоситем под влиянием интенсивной водной эрозии. В среднем в Украине с каждого гектара смывается до 15 т почвы ежегодно. Прежде всего это характерно для Степи и Лесостепи. В результате теряется 500 кг / га гумуса, 500-700 кг элементов питания, в 2-3 раза больше, чем их вносят удобрениями.
На большей части Лесостепи, особенно в Западноукраинской и Днистовсько-Днепровской физико-географических провинциях, по данным А. Г. Тарарико, смыв почвы на современных агроландшафтах составляет 31-36 т / га, а в отдельные годы под пропашными культурами он достигает 200 т / га при допустимом уровне 4-6 т / га. При этом энергетический потенциал агроэкосистемы снижается, а ее функционирование становится неустойчивым. Общая площадь сельскохозяйственных угодий, расположенных на склонах различной крутизны, в стране составляет почти 20 млн. Га, в том числе пахотных земель - 14 млн. Га.
Эрозия происходит в результате размыва водными потоками поверхности почв, перевод смещенных частиц во взвешенное состояние и перенос их на другие участки. В местах, где скорость потока падает, минеральные частицы оседают, образуя переотложенные пролювиальные и делювиальные наносы и намытые почвы.
Явление смыва почв связано с отрывом от поверхностного слоя отдельных частиц и целых агрегатов. Механизм смыва почв можно представить как взаимодействие еродуючои силы потока в, действующей на частицы, с силой сцепления частицы с почвой ¥ ^ Еродуюча сила потока, действующая на частицу, зависит от скорости потока V, толщины слоя воды h и отношение массы частицы к площади ее поперечного сечения 5:
Сила F р растет с увеличением V и h и уменьшением m / S.
Сила сцепления почвенной частицы и 7, в свою очередь, зависит от ее плотности р и прочности связи с другими частицами и 7, которая зависит от содержания в почве коллоидов и многих других факторов:
В распространенных уравнениях для размывающей силы потока толщина слоя воды, как правило, не указывается. Однако очевидно, что сила бокового давления на доли в приземном слое воды при одной и той же скорости расти по мере увеличения двигая массы воды.
Эрозия происходит тогда, когда F г. становится больше от F ч. Скорость водного потока, при которой начинается отрыв твердых частиц от поверхности почвы, называется критической скоростью потока в кр.
При одинаковой плотности суммарный поперечное сечение частиц на единицу объема возрастает по мере уменьшения их долей. Поэтому критическая скорость потока меньше на почвах с мелкими микроагрегатного и гранулометрического частицами, чем на почвах с крупными частицами.
Таким образом, интенсивность отрыва поверхностным стоком почвенных частиц и агрегатов тесно связана с текстурой и гранулометрическим составом почв и ґрунтоутво-рюючи пород и с тем, насколько имеющиеся скорости поверхностного стока превышают критические (неразмывающая) значения для определенного почвы.
Кроме названных факторов, на интенсивность отрыва частиц от почвы влияет турбулентность потока, которая связана с неравенством поверхности почвы. В турбулентном потоке частицы, оторвавшиеся интенсивнее поднимаются к поверхности потока и переносятся дальше.
Виды эрозии почв специалисты рассматривают с двух позиций: по характеру воздействия на грунт, то есть по форме проявления, и по происхождению воды, поступающей на грунт.
По форме проявления различают поверхностную (плоскостную) эрозию, или смыв почвы; струйную эрозию; размыв почвы, или овражно эрозию. Результаты проявления этих форм эрозии можно видеть на отдельных массивах земель, но часто они наблюдаются совместно.
Плоскостная (поверхностная) эрозия - водная эрозия, при которой разрушается верхний, самый богатый питательными веществами, слой почвы и переносится водой в другое место. Наблюдается этот вид эрозии на выровненных склонах, характеризующихся равномерным распределением состояния. Она приводит к равномерному по территории смыва почвы. В результате плоскостной эрозии происходит "срезание" верхних плодородных слоев и укорочения профиля почв.
Интенсивность эрозии (измеряется потерей почвой его массы т с единицы площади 5 за единицу времени и и выражается в т / га или мм / ч:
В этих же единицах измеряют и скорость почвообразования. Поэтому из сопоставления скорости эрозии и скорости почвообразования судят о степени эрозионной опасности почв. Эрозионно опасными почвы считают тогда, когда скорость эрозии превышает скорость развития почвенного профиля в глубину. В том же случае, когда скорость эрозии почв оказывается меньше, чем скорость почвообразования, почвы не считают эрозионно опасными, а эрозию называют нормальной.
Скорость роста гумусового профиля при формировании различных почв несколько разная, но в среднем считается равной 0,2 мм / год. Исходя из этого, при интенсивности эрозии, не превышает 0,2 мм / год, или 2-3 т / га в год, считается нормальной. В этом случае эрозию не берут во внимание. При потере почвами 3-6 т / га в год эрозию относят к средней, при потере 5-10 т / га в год - к большой, а при сносе мелкозема в количестве, превышающем 12 т / га в год - до очень большой .
Струйная эрозия возникает тогда, когда по склону сток перераспределяется и образует струи различной интенсивности, которые приводят к появлению промоин глубиной до 0,5-1 м. Иными словами, к струйным форм эрозии относят размыв почвы с образованием малых отрицательных форм рельефа, которые устраняются обработкой почвы.
Формы струйной эрозии наносят большой ущерб сельскохозяйственного производства не только тем, что приводят к смыву плодородного гумусового слоя, но и тем, что разрушают поверхность пашни, затрудняют обработку почвы. При отсутствии мер защиты эта форма эрозии перерастает в овражно.
Овражная эрозия - форма линейной эрозии, когда промоины достигают глубины более 1 м и при их наличии отсутствует возможность сплошной обработки поля. В отличие от форм струйной эрозии, овраги имеют свой продольный профиль, отличающийся от профиля поверхности, в которую он врезан. Овраги особенно вредны тем, что разрушают поверхность ландшафта и выводят из сельскохозяйственного использования земли не только на месте самых оврагов, но и на прилегающих территориях.
Интенсивная эрозия почв, которая сейчас наблюдается, обусловлена главным образом деятельностью человека, поэтому ее называют антропогенной. Кроме антропогенной, выделяют геологическую эрозию, которая развивается на невспаханных территориях медленнее.
Антропогенная эрозия возникла с появлением скотоводства и особенно с началом земледелия, когда естественный растительный покров спасувався скотом или сводился полностью, а земля зорювалася.
Эрозия почв, как было отмечено выше, возникает при наличии стока, то есть для ее проявления необходимые появление на поверхности почвы слоя воды и склон, обеспечивает ее сток. В зависимости от специфики появления стока на поверхности почвы различают три вида эрозии: талых вод, ливневую, ирригационную. Каждый из этих видов эрозии может порождать плоскостную, струйную и овражно эрозию.
Эрозия от талых вод - смыв почвы водами, поступающими при таянии снега. Она характеризуется большой продолжительностью процесса, охватывает большие территории, но, как правило, отмечается небольшой интенсивностью, поскольку в период снеготаяния грунт большую часть времени находится в мерзлом состоянии и не подвергается заметному сносу.
Несмотря на относительно малую интенсивность эрозии от талых вод в расчете на единицу объема стока, в целом по природным условиям (особенно на зяби и под посевом озимых) она может достигать значительной величины и наносить большой ущерб сельскохозяйственному производству.
Ливневая эрозия - смыв почвы водами, появляются на поверхности при выпадении дождей. Продолжительность ее действия на почву измеряется часами и минутами. Однако количество смытого грунта при этом, как правило, больше, чем при снеготаянии, и достигает 10-100 т / га в год.
При ливневой эрозии разрушение почв происходит по двум причинам: в результате смыва и размыва почв потоками стекающих по поверхности вод, не успели впитаться в почву, и в результате разрушения грунтовых агрегатов каплями дождя. Мощность размывающего потока поверхностных вод зависит от интенсивности дождя и его продолжительности, а также от длины склона и других факторов. Разрушающее действие дождя грунтовые агрегаты определяется количеством капель, поступающих в единицу времени, и их размерами. Чем крупнее капля, тем большую скорость и кинетическую энергию она и тем более разрушения вызывает. При ударе капля разрушает почвенный агрегат и частицы почвы вместе брызгами попадают в струйки воды на поверхности почвы и выносятся с поля. Эрозионная роль дождя велика, поскольку дождевые капли при ливнях имеют большую энергию. Об этом свидетельствует то, что брызги от дождевых капель, которые ударяются о грунт, вместе с минеральными частицами поднимаются на высоту 40-60 см. Кроме того, крупные капли создают турбулентность временных потоков и увеличивают их транспортирующую и "Роя" способность.
Ирригационная эрозия возникает при орошении. В зависимости от способа орошения она делится на подвиды: эрозия при поливе по бороздам, при поливе по полосам, при поливе по чекам, при поливе дождеванием.
При различных способах полива количество снесенного почвы существенно отличается. Наименьшая эрозия наблюдается при поливе дождеванием и по чекам, а наибольшая - при поливе по бороздам, когда она может быть гораздо более интенсивной, чем дождевая эрозия или эрозия от снеготаяния. Поэтому полив по бороздам пытаются заменить поливом дождеванием, который при правильной его организации обеспечивает минимальный сток. Эрозия в сухие сезоны при таком способе полива вообще возникать не должна. Она появляется только при неправильном поливе, когда скорость поступления воды в почву превышает скорость ее поглощения почвой, которая меняется по мере набухания и разрушения грунтовых агрегатов.
Образование стока связано с неспособностью почв вобрать всю воду, подаваемую при поливе дождевание. Предотвратить эти негативные явления на значительно распространенных слабкооструктурених почвах черноземного и каштанового типов можно только в результате применения почвозащитной технологии полива, которая основывается на использовании эрозионно допустимых поливных норм, применении агротехнических мероприятий, направленных на увеличение впитывающие способности грунтов, соблюдение оптимальных сроков полива.
Увеличение впитывающие способности грунтов (а следовательно, эрозионно предельно допустимых поливных норм) достигается включением в систему основной обработки почвы безпо-лицевого рыхление культиватором КПГ-250 или ГУН-4 на глубину 30-35 см, проведением предполивной культивации пропашных и овощных культур, внесением высоких (до 100-200 т / га) норм органических удобрений.
Кроме эрозии, существуют другие формы деструкции почв: дефляция, суффозия, карст, солифлюкция, техногенная разрушения и др.
Дефляция - это разрушение почвы и переноса мелкозема ветром. Необходимое условие проявления дефляции - наличие ветра со скоростью, достаточной для переноса почвенных частиц. Максимальное проявление дефляции наблюдается при ураганных ветров, когда в воздух поднимается большая масса пылевидных частиц. Дефляция - это второй по величине после эрозии негативное влияние на почвенный покров, что приводит к уничтожению плодородных почв на больших территориях. Это явление часто сопровождает эрозию.
Дефляция есть двух видов: повседневная и пылевые (черные) бури.
Повседневная дефляция возникает при ветрах малых скоростей (5 м / с и более). Она протекает незаметно, но тем не менее вредна, поскольку медленно и постоянно разрушает и истощает почву. При этом виде эрозии может наблюдаться обнажение семян, завернутого в почву, и повреждения молодых всходов растений. Особенно повседневная дефляция проявляется на витроударних склонах, лишенных растительности.
Пыльные бури - наиболее активный и вредный вид дефляции, при которой очень сильно разрушается грунт. За короткий срок пыльные бури, вызываемых сильным ветром (скорость более 12-15 м / с), могут распространиться на большую территорию, уничтожить посевы на сотнях тысяч гектаров, снести значительную часть почвы.
Из сопоставления обоих видов дефляции следует, что для проявления пыльных бурь необходима более или менее длительная работа повседневной дефляции. Пыльные бури не могут сформироваться над ветроустойчива поверхностью, они являются лишь показателем степени разрушения почвы за период, предшествовавший пылевом бури. Иными словами, пыльные бури - не причина, а следствие разрушения почвы. Но возникнув, они сами становятся фактором большой разрушительной силы. По темпам проявления эрозии почв и дефляцию разделяют на нормальную и ускоренную. При эрозии почв и дефляции потери мелкозема не превышают естественного хода почвообразования.
Ускоренная эрозия почв происходит в результате хозяйственной деятельности человека, при этом потери почвы превышают темпы почвообразования. По расчетам М. М. Шелякина и др., В Степи и Лесостепи ежегодно в среднем с 1 га СХИ-ленных земель отчуждается водой и ветром 17-22 т мелкозема.
Допустимые нормы эрозии (потерь почвы при эрозионных процессах, т / га в год), как правило, рассчитывают по скорости почвообразования за определенный период (США, 50 лет) и возможности компенсации потери производительности по экономически обоснованным нормативам.
В последнее время предложено допустимую эрозию устанавливать по скорости гумусоутворення в верхнем слое почвы и при необходимости для этих целей органического материала. Норма эрозии - это и предельная интенсивность эрозии, которая компенсируется почвообразования, а точнее, как отмечает М. М. Заславский, гумусонагромадженням.
М. К. Шикула, А. Г. Рожков и П. С. Трегубов установили для различных почв такие нормы: дерново-подзолистые - 1 т / га, серые и светло-серые лесные - 2, темно-серые лесные - 3, черноземы выщелоченные - 5, черноземы глубокие - 6, черноземы обычные - 4, черноземы южные и темно-каштановые почвы -3 т / га.
Однако А. Райн, обобщая данные международного союза охраны природы и природных ресурсов, указывает, что в природных условиях нужно 1-2 тыс. Лет для создания высокоплодородных слоя толщиной 25 мм. В этом случае допустимая годовая норма эрозии будет не более чем 150-300 кг / га.
Допустимые потери почвы не должны превышать 0,2-0,5 т / га в год: 0,2 - на менее плодородных почвах и до 0,5 - на наиболее плодородных. Годовые потери почвы классифицируют по следующей шкале: незначительные - до 0,5 т / га; слабые - 0,5-1 т / га; средние - 1-1,5; сильные - 5-10; очень сильные - более 10 т / га.
Перенос частиц грунта ветром (дефляция) начинается под влиянием взаимодействия динамических и статистических сил, возникающих при обтекании их воздушным потоком. При движении потока воздуха на шарообразную часть, которая лежит свободно на поверхности почвы, действует несколько сил: тяжести, лобового напора воздуха, атмосферного давления, сцепление, подъемная сила.
Если суммарное значение силы тяжести частиц, атмосферного давления и силы сцепления окажется примерно равным силе лобового напора воздуха, доля начинает двигаться, тянуться по поверхности. Если сумма силы притяжения частицы, атмосферного давления и сцепление будет меньше подъемную силу, то доля поднимается в воздух.
Подъемная сила доли возникает вследствие того, что в пределах высоты, равной диаметру частицы, скорость движения воздуха разная. Поток, поступающий под нижнюю часть шарообразной комочки, через шероховатость поверхности почвы имеет меньшую скорость и большую плотность. Вследствие этого над долей образуется область пониженного давления, под ней - повышенного. Возникает подъемная сила, действующая на частицу.
Минимальная скорость ветра, при которой начинаются отрыв, подъем и перенос в воздушном потоке частиц грунта, называется критической (предельной) скоростью ветра.
Легче по поверхности перемещаются грунтовые агрегаты размером 0,1-0,5 мм в диаметре, которые под воздействием ветра набирают движения с частотой вращения 200-1000 мин -1. Агрегаты от 0,6 до 1 мм передвигаются, перекатываясь, трутся друг о друга, соударяются, разрушаются и количество комочков, наиболее эрозионно активных, размером 0,1-0,5 мм, увеличивается.
Для передвижения агрегатов почвы, крупных 1 мм, необходима скорость ветра более 11 м / с на высоте 0-15 см. Скорость воздушного потока, при которой начинают передвигаться грунтовые агрегаты размером 0,25; 0,25-0,5; 0,5-1; 1-2; 2-3 и 3-5 мм в диаметре, составляет соответственно 3,8; 5,3; 6,8; 11,2; 13,1 и 17,6 м / с.
Следует отметить, что на предельную скорость ветра, а значит, и на интенсивность дефляции, влияет много факторов: климатические условия, гранулометрический состав почвы, плотность минеральных частиц (удельная масса твердой фазы), сила сцепления с другими частицами, защищенность поверхности почв, хозяйственная деятельность человека.
Зависимость критической скорости ветра, или скорость дефляции почв, от размера минеральных частиц (гранулометрического состава) почв сложная, поскольку, помимо прямого влияния размера частиц на устойчивость почвы дефляции, существует много побочных взаимозависимостей, которые могут приводить к прямо противоположному эффекту. Остановимся сначала на чисто физических закономерностях зависимости критической скорости ветра от ряда факторов.
Критическая скорость ветра (м / с), по М.И. Долгилевичем, выражается следующим уравнением:
где d - диаметр частиц, м;
в - плотность частиц, г / см 3;
Р - плотность воздуха;
g - ускорение свободного падения, 9,8 м / с 2;
Р 0 - атмосферное давление, г / см 2;
Р - сила сцепления частиц, г / см 2;
К 0 и К г. - коэффициенты, которые определяются экспериментально.
Более простое выражение критической скорости ветра (м / с) дал В. Чепель:
где d - удельная масса частиц; R - диаметр частиц.
Приведенные формулы справедливы для почвенных частиц диаметром более 0,05 мм. Для частиц диаметром менее 0,05 мм эта зависимость имеет другой вид, а именно, с уменьшением диаметра частиц критическая скорость ветра снова начинает увеличиваться. Это явление связано с увеличением сил сцепления между малыми частицами.
Разной критической скоростью ветра для частиц разного диаметра объясняется сортировка минеральных частиц по их диаметром в аридных районах. Это сортировки приводит к образованию песчаных и глинистых пустынь, а также лессовых отложений на окружающих пустыни территориях. Примером могут быть пустыни Средней Азии. Сортировка отложений по гранулометрическому составу на пески и глины объясняется тем, что при преобладающей скорости ветра в Каракумах от 2 до 5 м / с на месте остаются доли меньше, чем 0,01 и больше 1 мм, а крупнопилувато частицы размером 0,01-0 , 0,5 мм выносятся с территории на большое расстояние, измеряемое сотнями и тысячами километров, и оседают в виде лёссов. Именно в результате такой сортировки образовались отложения лёссов на периферии пустынь. При сильных ветрах доли крупнее 0,5 мм перемещаются на незначительное расстояние, в результате чего образуются песчаные бугры и барханы, а мелкие глинистые частицы через большую силу сцепления образуют плотные корки и остаются на месте между буграми. Они могут перемещаться только с водными потоками в нижнюю места. Это явление наблюдается в период весенних и осенних дождей. Именно так на месте разливов мутных потоков образуются такыры - глинистые отложения с плоской поверхностью.
В переувлажненной состоянии такирна масса не подвергается разрушительному воздействию ветра, а при высушивании такыры приобретают зцементованости и также не знают дефляции. Именно с этими свойствами связано устойчивое сосуществование в пустынях такырах и подвижных песчаных почв.
Однако в нашей стране нет таких контрастных условий, характеризующихся резким изменением высушивания и увлажнения, а поверхность почвы покрыта растительностью. Поэтому резкой дифференции почв по гранулометрическому составу - на глинистые и песчаные согласно формам рельефа - не наблюдается. В результате на практике при расчете критической скорости ветра специфическое поведение частиц, диаметром меньше 0,01 мм, не принимают во внимание, а берут средний их диаметр.
Частицы почвы, менее 1 мм в диаметре, эрозионно опасные, крупные 1 мм - ветроустойчивы, почвозащитные. Устойчивость почвы против эрозии можно оценивать по грудоч-куватистю поверхности, то есть при наличии витростийких агрегатов. При содержании почвозащитных агрегатов менее 50% от массы воздушно-сухой почвы наступает процесс выдувания, поэтому этот степень грудочкуватости считают критическим, то есть эрозионно опасным. Порог устойчивости почвы против ветровой эрозии, если на поверхности его нет пожнивных остатков, находится в степени грудочкуватости в пределах 50-55%, при соотношении в верхнем слое почвы почвозащитных и эрозионно опасных агрегатов 1: 1.
Дефляционная устойчивость частиц зависит от их размеров и содержания гумуса в почве. Скорость дефляции сильно гумусованих почв может возрастать. Особенно большая скорость разрушения ветром осушенных торфовикив, которые после распашки интенсивно развеиваются.
Таким образом, ветровая эрозия зависит от степени распыления верхнего слоя почвы и скорости ветра. Сильное распыление 5-сантиметрового слоя почвы является следствием чрезмерного механической обработки и перетирания почвенных частиц ходовыми системами тракторов, комбайнов и автомобилей во время проведения полевых работ.
Суффозии - разрушение почвенного покрова в результате осадки, возникает в процессе растворения и выноса из почвы и с подстилающей породы гипса и карбонатов. Вследствие локальности осадка при суффозии на поверхности почвы образуются микро-снижение глубиной 10-100 см.
Карст - разрушение почвенного покрова в результате осадки, возникает при растворении подстилающих почву известняков с образованием в них полостей. Карстування известняков приводит к образованию на поверхности почв карстовых ям глубиной до 1-5 м.
Техногенная деструкция - разрушение и смещение гумусового горизонта почв сельскохозяйственной обрабатывающей техникой. Она чаще всего наблюдается в районах развития микрорельефа. В этом случае с микропидвищень высотой 0,30,5 м и диаметром 10-20 м во время пахоты и боронования тракторные прицепные орудия взимают гумусованих часть почвы в микрозниження. К техногенной эрозии почв относятся также все виды разрушения их и грунтовых толще, обусловленные строительными работами, добычей полезных ископаемых открытым способом и др.
Наибольший вред сельскому хозяйству наносят эрозия и дефляция. Остальные формы деструкции почвенного покрова носят локальный характер. Они развиваются на крутых склонах, в районах с засоленными или карбонатными породами, на горно-добывающих промышленных объектах, которые имеют небольшое значение для сельского хозяйства.
