Эрозия почвы и методы борьбы с ней

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. 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.

 

Адвентивное снеготаяние происходит при пасмурной  погоде за счет притока теплых воздушных  масс. Этот процесс часто усиливается  выпадением жидких осадков и может  продолжаться круглые сутки. Роль адъективного 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 отекания. 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 отекания мала, а  режим течения бывает, 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 - 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 размыва почвы. Наличие  сугробов у лесополос сильно задерживает  начало полевых работ, а вызываемое их таянием переувлажнеиие 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 гранулометряческого 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 Д.Л.Арманд предложил коэффициент 0,6.

Прогнозирование стока при снеготаянии

 

Основой для  прогноза стока при снеготаянии  может служить схема, разработанная  Г.П.Сурмачем (1969) применительно к зонам черноземных и каштановых почв. Схема позволяет, основываясь на оценке наблюдений за погодными условиями, получить подходящее для текущего года сочетание типов сезонов и соответствующую этому качественную характеристику стока и 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.

 

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.

 

Противоэрозионная стойкость почв и грунтов

 

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.

 

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 (Седледкий, 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 (0,05-0,01 мм), значительно  понижающей водопрочпость 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 (1948) 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 (1959): луговые почвы > черноземы > желтоподзолистая > дерново-подзолистая > почвы пустынных степей и пустынь. АД.Воронин и М.С.Кузнецов (1970) 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 почвенных  частиц, поэтому можно ожидать, что  противоэрозионная стойкость почв также зависит от их состава. В.В.Охотин и О.Ф.Смирнова (1931) исследовали противоэрозионную стойкость обыкновенного 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 (1947) сравнивал водопрочность отдельных агрегатов почв насыщенных Ма и Са в сухом и предварительно увлажнен" ном состоянии и пришел к выводу, что после капиллярного смачивания агрегаты почвы, насыщенные Ма распадаются быстрее, чем насыщенные Са.

 

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. Водоврочность агрегатов почвы насыщенной Nа+ 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 протавоэрозиониой стойкости почв природной солонцеватости разной степени выраженности.

Влияние солей на стойкость почвы

 

Исследованиями  Ц.Е.Мирцхулавы (1958) установлен характер влияния солей на противоэрозионную стойкость грунтов. Наименьшим сопротивлением размыву обладают грунты, содержащие легкорастворимые соли. В результате быстрого вымывания этих солей связность грунта, 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  агрегатов, поэтому можно ожидать  наличие связи этих показателей  с противоэрозионной стойкостью. Однако в опытах Ц.Е.Мирцхулавы с грунтами такой связи не было выявлено. Это объясняется тем, что наряду с изменением плотности изменились и другие свойства грунтов, оказывающие влияние на их противоэрозионнуго стойкость. В тех случаях, когда сохраняются прочие равные условия, четко проявляется прямая зависимость противоэрозионной стойкости почв и грунтов от их плотности (Кузнецов, 1967).

 

Водопрочность структуры - один из важнейших факторов противоэрозионной стойкости почв и грунтов. В работах многих авторов высокая противоэрозионная стойкость почв ассоциируется с ее высокой структурностью. Однако в некоторых случаях прочность структуры почвы в воде не обеспечивает высокой противоэрозионпой стойкости. Это свидетельствует о том, что противоэ розненная 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).

 

Сцепление - главнейший показатель, непосредственно  определяющий против оэрозионную стойкость почв и грунтов. В случае плотных связных грунтов 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 (1967). Результаты экспериментов показали, что усталостиая прочность на разрыв глинистых слитых грунтов в состоянии полного водонасыщения составляет 0,22 от статической прочности на разрыв, а агрегатных - 0,16. Испытание грунтов на разрыв даже при статической 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 противоэрозионвой стойкости грунтов величину их сцепления, определенную методом Цытовича по глубине вдавливания сферического штампа под действием определенной нагрузки.

 

Влажность почвы и эрозия

 

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 противоэрозионную 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 (1959).

 

Он сравнивал  противоэрозионную стойкость террасового  чернозема в сухом и капиллярно утзлажненном 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 промачивания потоком сверху.

 

Аналогичную картину наблюдал Т.Г. Жордания (1957) 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.