Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Водная эрозия почв в лесостепной зоне юго-востока Западной Сибири

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Путилин, Александр Федорович, Новосибирск

^ I * йц

/ *

г

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ И АГРОХИМИИ

Путилин Александр Федорович

ВОДНАЯ ЭРОЗИЯ ПОЧВ В ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЕ ЮГО-ВОСТОКА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

УДК 631.459.22 631.459.23 551.311.21

На правах рукописи

У.:- Ж хМ.

Новосибирск - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................................................ 1

I. Глава. История вопроса. Методика. Объект ........................ 4

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

2.1. Рельеф .............................................................................. 11

2.2. Неотектоника .................................................................. 27

2.3. Геология и рыхлые отложения ..................................... 37

2.4. Климат ............................................................................. 48

2.5. Растительность ................................................................ 60

2.6. Почвы ............................................................................... 69

2.7. Антропогенный фактор .................................................. 81

III. Глава. Ососбенности формирования поверхностного

стока талых и ливневых вод и смыва почв

3.1. Процесс снеготаяния ....................................................... 94

3.2. Формирование поверхностного стока весной .............. 102

3.3. Весенний сток и смыв почв на Бие-Чумышской возвышенности......................................................111

3.4. Сток и смыв почв на отвальной зяби в Присалаирье .... 131

3.5. Ливневая эрозия почв ..................................................... 151

3.6. Динамика увлажнения почв на водосборе ................... 159

IV. Глава. Теоретические аспекты эрозионных процессов........... 173

V. Глава. Особенности и закономерности зарождения и

развития оврагов.

5.1. Морфология оврагов ..................................................... 201

5.2. Моделирование процесса зарождения водобойного колодца ........................................................................... 216

5.3. Генезис оврагов .............................................................. 230

VI. Глава. Распространение, морфометрия и динамика роста оврагов

6.1. Овраги Алтайского края ............................................... 246

6.2. Овраги Новосибирской области ..................................... 263

6.3. Морфометрические показатели оврагов ....................... 279

6.4. Сезонный прирост оврагов ............................................. 291

Заключение, выводы ................................................................... 303

Литература .......................................................................... 311-335

ВВЕДЕНИЕ

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

Большинство исследований процессов водной эрозии почв проводятся в европейской части России, где до 30-40% пашни имеют различную степень смытости (Кузнецов и др., 1996). В Сибири же изучение этих вопросов началось намного позже. Эта огромная территория имеет специфические природно-климатические условия, обусловившие особенности проявления процессов водной эрозии почв. В Новосибирской области и Алтайском крае находится 996,6 тыс. га слабосмытых и 270 тыс. га средне и сильносмытых почв, что в сумме составляет 11,3%

пахотных земель (Реймхе и др., 1989). Овражная эрозия в площадном отношении значительно уступает плоскостной эрозии, но в результате роста оврагов все почвенные горизонты полностью уничтожаются и происходит кардинальная переработка рельефа склонов.

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

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

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

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

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

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

Достижение поставленных целей осуществлялось решением следующих задач:

- комплексная эрозионная оценка природно-климатических условий и антропогенной деятельности;

- определение объемов поверхностного стока и смыва почв талыми и ливневыми водами на различных сельскохозяйственных угодьях;

- выявление: - местоположения ареалов смытых почв на водосборной площади, - распространения основных типов оврагов, - величины и динамики их ежегодного прироста, - генезиса оврагов.

Объектами исследования явились территория лесостепной зоны юго-востока Западной Сибири, подверженная эрозионному разрушению, генезис и механизм процессов водной эрозии почв и оврагообразования.

Глава I. ИСТОРИЯ ВОПРОСА. МЕТОДИКА. ОБЪЕКТ.

Смыв почв и развитие оврагов приносят огромный вред во всех странах мира (Jacks, Whyte, 1939; Заславский, 1979). Только в России ежегодно с пахотных склонов смыв почв составляет 560 млн. т (Литвин, 1997). В результате снижения плодородия смытых почв в мире не добирается большое количество сельскохозяйственной продукции. Овраги ежегодно полностью разрушают сотни гектаров плодородных земель, выносят огромное количество рыхлого материала в реки и водохранилища, заиляя последние. Исследования эрозионных процессов начались в конце прошлого века на европейской части нашей страны, в связи с интенсивным смывом почв в результате длительной и широкой распашки. Большой вклад в изучение процессов водной эрозии внесли работы Новосильской опытно-овражной станции, основанной в 1923 г.

A.С.Козменко. В дальнейшем (1932 г.) в Почвенном институте им.

B.В.Докучаева был создан отдел по изучению эрозии почв, который возглавил А.М.Панков, а впоследствии С.С.Соболев, опубликовавший двухтомную монографию "Развитие эрозионных процессов на территории европейской части СССР" (1948, 1960). В 1970 г. был открыт Всесоюзный научно-исследовательский институт защиты почв от эрозии, преобразованный затем во Всесоюзный научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии (ВНИИЗиЗПЭ). В изучении эрозионных процессов принимают участие ряд учебных и проектных институтов по всей стране. Следует отметить работу Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов под руководством Н.И.Маккавеева в МГУ.

Изучение процессов эрозии почв в лесостепной зоне Западной Сибири началось с 1961 г. Отделом почвоведения Биологического института, а с

1968 г. лабораторией эрозии почв Института почвоведения и агрохимии СО РАН под руководством А.Д.Орлова. Исследования эрозии и дефляции почв проводились в Алтайском научно-исследовательском институте сельского хозяйства, Западно-Сибирском филиале ВНИАЛМИ, в ряде сельскохозяйственных институтов. В результате проведенных работ был выявлен высокий объем поверхностного стока , широкое распространение процессов плоскостного смыва почв и интенсивное развитие оврагов (Орлов, 1971, 1983; Мусохранов, 1976; Каштанов, 1974; Носирова и др.,1985; Орлов, Танасиенко, 1975; Путилин, 1988 и др.).

Лабораторию эрозии почв ИПА СО РАН долгое время возглавлял

A.Д.Орлов, под руководством которого работали и защитили кандидатские диссертации: А.А.Танасиенко; С.Р.Ковалева; А.Ф.Путилин;

B.В.Реймхе; Л.М.Носирова. По материалам исследований были опубликованы тематические сборники и ряд монографий. Работы проводились с 1974 по 1985 г. на Хайрюзовском стационаре, расположенном в Троицком районе Алтайского края, и на Усть-Каменском стационаре в Тогучинском районе Новосибирской области с 1976 г. по настоящее время. Эпизодически работы велись на Искитимском и Верх-Ирменском (Ордынский район) стационарах. Проводились многочисленные маршрутные работы по Алтайскому краю, Новосибирской, Кемеровской и Омской областям с целью выявления и картографирования эродированных почв, изучения и обследования оврагов.

Широкая распашка склоновых земель привела к повсеместному развитию плоскостной и линейной эрозии почв практически по всей территории. В настоящее время на территории Алтайского края и Новосибирской области находится 1266,6 тыс. га слабо-, средне- и сильно смытых почв, что составляет 11,3 % всех пахотных угодий (Реймхе и

др.,1989). Ежегодно площадь эродированных земель увеличивается. Идет интенсивное развитие оврагов, при средней незначительной (0,05-0,1 км/км2) протяженности, в местах локального развития их длина достигает 1,6-2,7 км/км2. Скорость ежегодного прироста оврагов колеблется от 2-3 до 6-8 м в год, что намного превышает подобные показатели для европейской части России. Интенсивное развитие процессов водной эрозии в этом регионе требует пристального внимания и дальнейшего исследования.

Современная эрозия является наиболее активной фазой общих денудационных процессов преобразующих склоновую земную поверхность, поэтому она ( эрозия почв) наибольшую ярко проявляется в пределах возвышенностей и плато. При этом одним из основных факторов эрозионных процессов является рельеф, который посредством уклона земной поверхности придает скорость поверхностному стоку талых и ливневых вод, величина которой обуславливает размывающую (эродирующую) способность потока.

Оценку рельефа проводят по горизонтальной и вертикальной расчлененности эти параметры находятся в тесной зависимости от стадии развития рельефа по В.М. Дэвису (1962) и численная величина их убывает от юного к зрелому и старому рельефу, которым соответствуют выпуклые, прямые и вогнутые склоны (при прочих равных условиях). Вместе с этим убывает и эрозионная (размывающая) способность временных потоков, производящих смыв и размыв почв. Кроме этого, в природе практически нет чистых стадий развития рельефа, а чаще всего встречаются сочетания и переходные формы от одной к другой стадии, а нередко и омоложенные пенеплены. Поэтому при изучении процессов водной эрозии, важно установить стадию, в которой находится изучаемый рельеф. Вместе с тем необходимо выявить направленность дальнейшего развития рельефа,

которое происходит под действием современных неотектонических движений и экзогенных процессов. Медленный современный подъем территории со скоростью 1-4 мм в год, при защитном (бронирующем) действии естественной растительности, создает перекосы дневной поверхности и вызывает усиленную донную эрозию рек. Со временем в рельефе формируются пойменно-террасовые уступы. В результате устойчивого поднятия на протяжении длительного временного отрезка в рельефе формируются возвышенности со значительным перегибом земной поверхности. Наиболее существенные перекосы поверхности наблюдаются по их периферии. При этом непрерывные неотектонические движения вызывают прерывистый эффект в виде эрозионных "взрывов", когда перекос дневной поверхности достигает определенного рубежа, нарушающего прежнее динамическое равновесие (Доскач, 1976). В силу этого, наибольшая интенсивность плоскостной и овражной эрозии на европейской части России приурочены к Среднерусской, Приазовской, Богульминско-Белебеевской и др. возвышенностям (Маринич и др., 1970; Кузнецов, Глазунов, 1996).

С целью выявления направления и качественной оценки характера неотектонических движений на территори Бие-Чумышской возвышенности была построена морфометрическая карта энергии рельефа по методу Э.Л.Якименко (1967, 1970). Остальная территория исследований оценивалась по литературным источникам неотектонических и морфометрических построений (Гриценко, 1978; Николаев, 1978; Калесник,1936; Философов, 1967).

Изучение и оценка рельефа проводилась на основе анализа картографического материала, морфометрических методов и полевых маршрутных наблюдений на основе геосистемного подхода. Для анализа водосборных бассейнов применяли метод пластики рельефа

(Методическое руководство по составлению карт пластики рельефа, 1985; Лошакова, 1988). На территорию Бие-Чумышской возвышенности были построены морфометрические карты горизонтального и вертикального расчленения. Определение горизонтального расчленения проводились по квадратам площадью 64 км2 , в пределах которых измерялась длина всех водотоков, суходолов, балок и оврагов и делилась на площадь квадратов. Построение морфометрической карты вертикального расчленения проводилось по тем же квадратам с целью получения сопоставимых результатов высотного расчленения. Остальная часть исследуемой территории оценивалась по подобным морфометрическим построениям на южной части Западной Сибири (Николаев, 1978; Гриценко, 1982).

Климат и геология рыхлых отложений оценивались по литературным источникам и частично на основе собственных наблюдений на Хайрюзовском и Усть-Каменском стационарах. Летние осадки измерялись при помощи плювиографа ПФ-2, зимние - методом снегомерной съемки. Сток наблюдался на стоковых площадках размером 10 х 100 м, на ложбинах стока и водосборных бассейнах площадью 15 км2. Объем стока замерялся объемным методом с промежутками между замерами от 30 до 60 мин. и при помощи специально сконструированных стокографов. Твердый сток определялся при помощи отбора проб снеготалых вод с последущей фильтрацией и пересчетом на весь объем стока. После весеннего снеготаяния проводилось определение смыва почв со склонов методом водороин по С.С.Соболеву (1948). С водосбора сток замерялся при помощи прямоугольного и треугольного водосливов. Глубина промерзания и температура определялись при помощи почвенного электротермометра АМ-29 и вытяжных почвенных термометров.

Численность оврагов и распространение их по территории определялось при помощи изучения картографического материала и

сравнительного анализа топокарт съемок 1942-45 и 1962-67 гг., а также в процессе стационарных и маршрутных полевых работ. Прирост оврагов в длину определялся в основном методом реперов. Непосредственные замеры ширины, глубины, уклона бортов и других параметров оврагов проводились в поле. Кроме этого проводилась нивелирная съемка профилей тальвегов и бровок оврагов и склонов. При маршрутных исследованиях изучалась морфология оврагов, состояние и развитие склонов и вершин оврагов. Непосредственное наблюдение за процессами роста оврагов велось во время весеннего снеготаяния и ливневых осадков .

Изучение оврагов осложняется временным фактором, так как время развития большинства оврагов от зарождения до затухания и задернения обычно составляет несколько десятков лет, а в отдельных случаях и столетия. Исследования одного человека даже на протяжении всей жизни не в состоянии охватить полностью весь процесс развития оврага. Поэтому перспективная работа по м�