К вопросу разработки нового экспресс-метода определения объема и массы почвы, смытой в результате водной эрозии

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу разработки нового экспресс-метода определения объема и массы почвы, смытой в результате водной эрозии

Г.Т. Балакай, А.Н. Бабичев, В.Иг. Ольгаренко, В.А. Монастырский

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

Д.А. Шевченко

Ставропольский государственный аграрный университет, Ставрополь, Российская Федерация

Цель работы - на основании инструментальных полевых исследований установить особенности, закономерности и показатели объема и массы почвы, смытой под действием талых, дождевых (ливневых) и ирригационных вод, необходимые для разработки экспресс-метода определения массы смытой почвы при проявлении процессов эрозии. На эрозию почвы влияют биотические и абиотические факторы: климат, растительность, рельеф, физическое состояние почвы, гранулометрический состав, почвоохранные мероприятия и пр. Для предотвращения эрозии почвы требуется постоянный контроль и мониторинг состояния эродированности земель сельскохозяйственного назначения с целью своевременной разработки и проведения почвоохранных мероприятий. В полевых условиях исследовано 35 объектов (участков земель) с проявлением эрозии почвы в Ростовской области и Ставропольском крае. Математическая и статистическая обработка данных позволила выявить закономерности развития процессов эрозии почвы, установить места заложения створов и необходимое их количество в промоинах (местах проявления эрозии почвы) для определения показателей глубины, ширины и площади сечения промоины, расчета объема и массы смытой почвы. Установлено, что для получения достоверных данных о массе смытой почвы поперечные створы в промоине необходимо закладывать, начиная от вершины промоины, расстояние между створами не должно превышать 50 м и интервал (шаг) измерений глубины промоины в сечении профиля створа должен быть не более 5-8 см. Данные необходимы для определения площади сечения профиля створа и расчета объема и массы смытой почвы.

Ключевые слова: эрозия, почва, методы определения эрозии, приборы, экспресс-метод определения эрозии, охрана земель.

The purpose of the work is to determine the features, regularities and indices of the soil volume and mass washed away by thawed, rain (storm) and irrigation waters which are necessary for the development of an express method for determining the mass of eroded soil in the course of erosion processes on the basis of instrumental field studies. Soil erosion is affected by biotic and abiotic factors: climate, vegetation, relief, physical condition of soil, granulometric composition, soil conservation measures, etc. To prevent soil erosion constant control and monitoring of agricultural land erosion is necessary to develop and carry out soil conservation measures timely. 35 objects (land plots) with soil erosion in Rostov Region and the Stavropol Territory were investigated under field conditions. Mathematical and statistical data processing made it possible to reveal the development patterns of soil erosion processes, to find the locations of sections and their necessary number in gullies (places of soil erosion) to determine the depth, width and sectional area of the gully and calculate the volume and mass of the washed soil. It has been found to obtain reliable data on the eroded soil mass, transverse sections in gully must be laid starting from its top, the distance between the sections should not exceed 50 m and the interval (step) of measurements of the gully's depth in the profile section should be no more than 5-8 cm. The data are needed to determine the cross-sectional area of the section profile and to calculate the volume and mass of the washed out soil.

Key words: erosion, soil, erosion detection methods, instruments, express method for erosion determination, land conservation.

Эрозия почвы является одной из основных причин деградации почвы, которая проявляется в виде смыва верхнего слоя почвы водой или сдувания ветром (дефляции). Водная эрозия проявляется на склонах агроландшафтов и особенно опасна на склонах с рассеченным рельефом. На эрозию почвы влияют биотические и абиотические факторы: климат, растительность, рельеф, физическое состояние почвы, гранулометрический состав, обработка почвы, почвоохранные мероприятия и пр.

Для предотвращения эрозии почвы требуется постоянный контроль и мониторинг состояния эродированности почвы [1, 2]. В мировой практике показатели эрозии почвы устанавливаются на основании определения изменения шероховатости поверхности почвы, которое осуществляется различными методами инструментально [3-5], дистанционно [6-9] или с применением ГИС-технологий [10, 11] и моделей, отлаженных для определенных типов почв и климатических условий [12-15]. С целью установления величины шероховатости используются различные приборы и оборудование, которые позволяют измерить характеристики промоины при эрозии почвы и рассчитать объем и массу почвы, смытой в результате действия талых, дождевых и ирригационных вод. Наиболее известные приборы для осуществления измерений: профилометры [1-3], профилографы [16], лазерные сканеры [17-20], стереофотографометры [21, 22], приборы акустического рассеяния [23] и радиолокационного сканирования [24, 25], радиометры (радиоизотопы) [26] и пр. Для оценки шероховатости разработан пин-метр-метод [27, 28], методы теней [29] и цепи [30].

Наиболее известные в науке и практике методы определения эрозии почвы предназначены для выявления объемов эрозии на стационарных площадках и других объектах с оснащением их приборами и оборудованием, способными осуществлять сбор и учет объема поверхностного стока воды и наносов.

Однако эти методы не отвечают требованиям определения объемов смытой почвы уже после начала проявления процесса эрозии почвы, так как при использовании данных методов приборы и оборудование устанавливаются до начала эрозии и учитываются уже фактические показатели ее проявления в результате действия талых, ливневых и ирригационных вод. В то же время государственные органы, контролирующие соблюдение земельного законодательства, должны определять массу смытой почвы на любых участках земель сельскохозяйственного использования, являющуюся уже следствием водной эрозии.

Для использования в России узаконен в установленном порядке прибор для проведения измерений профиля поверхности почвы при испытаниях почвообрабатывающих машин, разработанный ФГНУ «РосНИИТиМ», - профилометр почвы ИП-250, который можно использовать и для измерения профиля поверхности почвы при проявлении эрозии почвы. Однако этот метод имеет низкую производительность, требуются большие трудозатраты на измерение и обработку полученных данных. В связи с этим в ФГБНУ «РосНИИПМ» провели полевые исследования, математическую и статистическую обработку их результатов с целью установления достоверных закономерностей и зависимостей для разработки в дальнейшем нового экспресс-метода точного определения объема и массы почвы, смытой в результате водной эрозии под действием талых, дождевых и ирригационных вод.

Материалы и методы. Исследования проводились на землях сельскохозяйственного назначения в Октябрьском, Аксайском, Мартыновском районах Ростовской области и Изобильненском, Предгорном и Новоалександровском районах Ставропольского края (данные по Ставропольскому краю в статье не приводятся, но они были использованы при статистических расчетах). Почвы представлены черноземами в Октябрьском, Аксайском, Изобильненском, Новоалександровском и Предгорном районах и темно-каштановыми в Мартыновском районе.

Основной метод изучения поверхностного стока - комплексные полевые наблюдения [1, 2]. Такие наблюдения проводятся на специально оборудованных стационарных стоковых площадках, а также на малых водосборах ручьев, балок, логов и оврагов. В наших полевых инструментальных исследованиях изучались процессы эрозии не на стационарных площадках, а на объектах (местах) проявления эрозии почвы в результате действия талых, дождевых (ливневых) и ирригационных вод на зяби и на уплотненных посевах сельхозугодий.

Эрозия почвы в результате действия талых вод и осадков, выпадающих в период таяния снега, определялась в конце марта и в апреле 2017 г. Эрозия в результате действия ливневых вод и ирригационная определялись в весенний и летний периоды (май - июнь). Результаты полевых инструментальных исследований подвергались математическому и статистическому анализу по общепринятым методикам, и были получены коэффициенты аппроксимации, свидетельствующие о достоверности полученных данных.

Для получения наиболее достоверных данных на тальвеге промоины, начиная от вершины, обозначались места расположения створов для измерения площади их сечения и объема смытой почвы. Для определения уклона участка и длины тальвега промоины на выбранных объектах использовался тахометр. Колышками через каждые 5 м были отмечены места створов, сечения которых расположены под углом 90° к тальвегу промоины. В качестве примера на рисунке 1 приводится схема расположения створов на объекте № 1 при инструментальном исследовании эрозии.

Рисунок 1 - Схема расположения створов и размеры промоины на объекте № 1, образовавшейся в процессе эрозии под действием талых вод

На рисунке 1 створы расположены по длине тальвега промоины через каждые 5 м (построено по данным фактических измерений в формате программы Мicrosoft Office Excel). В каждом створе измерялась ширина верха промоины между правой и левой бровками и глубина промоины по сечению створа через каждые 2 см.

Для наглядности на рисунке 2 приведены фактические показатели поперечного сечения нижнего створа в устье промоины на исследуемом объекте № 1.

Инструментальные измерения размеров промоины проводились на каждом объекте эрозии с расстоянием 5 м по длине тальвега от вершины и интервалом измерения глубины промоины в сечении створа 2 см. Эти расстояния приняты за стандарт (контроль), как наиболее точные. Для разработки экспресс-метода определения объема и массы смытой почвы необходимо было установить наименьшее количество створов на тальвеге промоины и интервал измерений глубины промоины в сечении створа, обеспечивающие получение достоверных данных. Для этого на каждом из изучаемых объектов промежуточные расстояния между створами увеличивались пошагово, т. е. не 5 м, а на 10 м, затем на 20 м, далее на - 30, 40 м и т. д., пока не оставался один створ в устье промоины.

Рисунок 2 - Показатели сечения профиля створа в устье промоины, объект № 1, ООО «Бессергеневское»

Результаты и обсуждение. Было проведено инструментальное исследование 35 объектов (участков) с проявлением фактов эрозии почвы в Ростовской области. В станице Бессергеневской изучено 10 объектов (участков), подверженных эрозии почвы в результате действия талых вод, на уплотненной (посевах озимой пшеницы) и рыхлой (вспаханной зяби) почве (таблица 1).

Таблица 1 - Показатели инструментальных полевых исследований промоин при эрозии почвы в результате действия талых вод, ООО «Бессергеневское», 2017 г.

Полевые исследования, посвященные изучению особенностей эрозии почвы в результате действия дождевых (ливневых) вод, проводились в мае 2017 г. в ОАО «Аксайская Нива» Аксайского района Ростовской области (на объектах № 11-15) (таблица 2).

Таблица 2 - Показатели инструментальных полевых исследований промоин при эрозии почвы в результате действия дождевых (ливневых) вод, ОАО «Аксайская Нива», май - август 2017 г.

Полевые исследований эрозии почвы и ирригационный сток изучался при орошении дождеванием в ООО «Цимлянское», до и после всходов сои в мае, и в период вегетации сои июнь - июль 2017 год (таблица 3).

Таблица 3 - Показатели инструментальных полевых исследований промоин при эрозии почвы от ирригационного стока, ООО «Цимлянское» Мартыновского района Ростовской области

Математическая обработка данных по каждому объекту и усредненных сводных позволила установить следующее: образование промоины при водной эрозии почвы в результате действия талых, ливневых и ирригационных вод не имеет каких-либо установленных закономерностей по форме, длине, глубине и ширине; при плоскостной эрозии промоины имеют большую ширину, но небольшую глубину, а при линейной, наоборот, большую глубину и меньшую ширину; длина тальвега промоины зависит от протяженности склона, чем длиннее склон и больше уклон, тем большая вероятность проявления эрозии почвы, большие показатели промоины по ширине и длине тальвега и объем смытой почвы. В связи с этим каждая промоина формируется самостоятельно в зависимости от различных факторов и имеет свои показатели длины, ширины и глубины.

Для использования данных при разработке экспресс-метода определения объемов смытой почвы был проведен сравнительный анализ показателей изменения объемов смытой почвы на всех 35 объектах и установлены достоверные идентичные результаты. В качестве примера приведены данные по объекту № 1 на рисунке 3, при этом кратное увеличение расстояния между створами в тальвеге промоины было от 5 до 135 м.

Рисунок 3 - Изменение показателя объема смытой почвы при увеличении расстояния между створами

почва эрозия талый дождевой

Кривая показывает, что с увеличением расстояния от вершины промоины до 50-70 м и более происходит резкое отклонение объемов смытой почвы от показателя стандарта (красной горизонтальной линии на рисунке 3) в сторону увеличения, что приводит к значительному снижению точности определений. В результате обработки данных по объекту № 1 и идентичных данных по другим объектам предложено при разработке экспресс-метода измерения объемов смытой почвы расстояние между створами принимать не более 50-70 м.

Похожие изменения происходят и при увеличении интервала измерения глубины промоины в профиле сечения створа (рисунок 4).

Увеличение интервала измерений в сечении профиля створа от 2 до 26 см приводит к увеличению разброса данных. Более высокий коэффициент аппроксимации при построении линии тренда получен при линейной зависимости, который составляет всего R2 = 0,13…0,17, что говорит об отсутствии закономерных связей. В то же время визуально наблюдаются незначительные отклонения от стандарта при изменении интервала между измерениями с 2 до 6-8 см, поэтому была выполнена выборка данных и определены связи между объемами смытой почвы и интервалом измерений в сечении створа от 2 до 8 см (рисунок 5).

Рисунок 4 - Изменение показателей объема смытой почвы при увеличении интервала измерений глубины промоины в профиле сечения створа (в устье промоины)

Рисунок 5 - Изменение показателей объема смытой почвы при интервале измерений глубины промоины в сечении створа от 2 до 8 см

Данные показывают, что при интервале измерений в сечении створа от 2 до 8 см наблюдается достоверная закономерность в изменении объема смытой почвы с коэффициентом аппроксимации R2 = 0,72…0,98.

Достоверные данные измерений расстояний между створами по длине тальвега промоины можно получить при интервале измерений не более 50-70 м и интервале измерений глубины промоины в сечении профиля створа не более 6-8 см. Эти данные подтверждаются результатами математической и статистической обработки всех исследованных объектов (коэффициенты вариации менее 0,3). На основании полученных данных разработаны показатели, которые рекомендуется использовать при разработке экспресс-метода определения объема и массы смытой почвы (таблица 4).

Таблица 4 - Выбор количества створов по длине тальвега промоины и интервала измерения глубины в профиле сечения промоины для определения объема смытой почвы (не менее указанного количества створов)

Выводы

1 Инструментальные полевые исследования особенностей формирования промоин при эрозии почвы и математическая обработка полученных данных позволили установить следующее:

- промоины, образовавшиеся при водной эрозии почвы в результате действия талых, ливневых и ирригационных вод, не имеют каких-либо установленных закономерностей в форме и размерах (длине, глубине и ширине промоины);

- при плоскостной эрозии промоины имеют большую ширину, но малую глубину, а при линейной, наоборот, большую глубину и меньшую ширину;

- длина тальвега промоины зависит в большей степени от протяженности склона: чем длиннее склон и больше уклон, тем выше вероятность проявления эрозии почвы и больше объем и масса смытой почвы.

2 На основании математической и статистической обработки данных инструментальных измерений параметров промоины на 35 объектах и расчета объема и массы почвы, смытой в результате действия талых, дождевых и ирригационных вод, установлено, что для получения достоверных данных при разработке экспресс-метода определения объема смытой почвы необходимо закладывать створы начиная от вершины промоины с расстоянием между створами не более 50 м и интервал измерений глубины промоины в сечении профиля створа должен быть не более 6-8 см.

Список использованных источников

1 Методические рекомендации по учету поверхностного стока и смыва почв при изучении водной эрозии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 61 с.

2 Условия формирования поверхностного стока. Прогноз причиняемого ущерба. Компенсационные мелиоративные мероприятия: монография / В. Н. Щедрин, Г. Т. Балакай, Е. В. Полуэктов, Н. И. Балакай. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2016. - 450 с.

3 Бутаков, Г. П. Основные задачи изучения современных экзогенных процессов / Г. П. Бутаков // Географические системы: проблемы моделирования и управления. - Казань: Изд-во Каз. ун-та, 1987. - С. 10-13.

4 Гэбриэлс, Д. Определение потерь почвы и экспериментальные исследования / Д. Гэбриэлс, Дж. Плой // Эрозия почвы. - М.: Колос, 1984. - С. 96-155.

5 Заславский, М. Н. Эрозия почв / М. Н. Заславский. - М.: Мысль, 1979 245 с.

6 Каштанов, А. Н. Защита почв от ветровой и водной эрозии / А. Н. Каштанов. - М.: Россельхозиздат, 1974. - 206 с.

7 Котлярова, О. Г. Ландшафтная система земледелия Центрально-Черноземной зоны / О. Г. Котлярова. - Белгород: Изд-во Белгородской ГСХА, 1995. - 294 с.

Размещено на Allbest.ru