CC BY
2
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 3
удк 631.6.02 |(сс)татта
DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-3-60-71
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭРОЗИОННО-АККУМУЛЯТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ НА МАЛЫХ ВОДОСБОРАХ СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ С НАЧАЛА ЗЕМЛЕДЕЛЬЧЕСКОГО ОСВОЕНИЯ
Е. Н. Шамшурина1,2*, В. Н. Голосов1,2, А. Р. Попова2, Е. А. Шынбергенов3, А. П. Жидкин2
1 МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, НИЛ эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Мак-
кавеева, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1
2 Почвенный институт имени В.В. Докучаева, 119017, Россия, Москва, Пыжевский пер., д. 7, стр. 2
3 Кызылординский университет имени Коркыт Ат, 120000, Казахстан, Кызылорда, ул. Айтеке Би, д. 29А. * E-mail: [email protected]
Оценена динамика накопления наносов в днищах малых водосборов лесостепной зоны Среднерусской возвышенности с помощью почвенно-морфологического, радиоцезиевого методов и метода магнитного трассера, что позволило рассчитать темпы смыва почвы 1) с 1986 г., 2) с 1954 г, 3) с момента запуска и активной эксплуатации железной дороги, 4) с момента массовой распашки всей территории водосбора. Выделены две группы малых долин: к первой группе относятся притоки более крупных сухих долин, где средние темпы смыва за агрикультурный период составляют 2,1-2,4 т-га-1 в год* и превышают современные (с 1986 года) на 0,6-0,7 т-га-1 в год. Ко второй группе относятся истоки более крупных долин, где средние темпы смыва за агрикультурный период составляют 0,6-0,9 т-га-1 в год и меньше современных (с 1986 года) на 0,3-0,8 т-га-1 в год. Максимальные темпы в пределах исследуемых водосборов наблюдались в период 1954-1986 гг., что связано с переуплотнением почв тяжелой сельскохозяйственной техникой, а также вкладом талого смыва, регулярного для данного периода.
Ключевые слова: смыв почвы, аккумуляция наносов, метод магнитного трассера, радиоцезиевый метод, почвенно-морфологический метод, стратозем.
Введение
Эрозия почв является одним из превалирующих процессов деградации почвенного покрова. Ее интенсивность контролируется набором природных и антропогенных факторов, часть из которых являются консервативными во времени, тогда как другие постоянно изменяются [Литвин, 2002]. К числу последних относятся гидролого-климатические условия формирования стока и смыва, определяющие соотношение и интенсивность талого и ливневого смыва, а также ряд антропогенных факторов, включая набор высеваемых сельскохозяйственных культур, технологии обработки почвы и используемые для посева и уборки урожая орудия и машины [Ларионов, 1992]. В последние три десятилетия произошли значительные изменения в характере проявления эрозионно-аккумулятивных процессов на Европейской территории России в связи с климатическими изменениями и преобразо-
* Здесь и далее по тексту — с площади пашни на водосборе.
ваниями в агропромышленном комплексе [Литвин и др., 2017]. Поэтому реконструкция темпов смыва с обрабатываемых земель за разные периоды с момента начала распашки с целью оценки влияния изменяющихся факторов на эрозию почв является актуальной задачей.
Среднерусская возвышенность относится к территориям с высокой степенью распаханности, где эрозионно-аккумулятивные процессы активно развиваются длительное время, но в пределах данной территории длительность распашки неоднородна. Системы земледелия на данной территории применялись различные: на начальных этапах использовалась подсечная и залежная, в дальнейшем господствовала троепольная, троепольно-паровая, а с внедрением сельскохозяйственной техники произошел переход на пропашную, многопольную и зерно-пропашную многопольную системы земледелия [Голосов, Ермолаев, 2019]. Изменения в площади пашни на территории Среднерусской возвышенности наблюдались, но по площадному охвату они
© Шамшурина Е.Н., Голосов В.Н., Попова А.Р., Шынбергенов Е.А., Жидкин А.П., 2024
были незначительными. После реформы 1861 г. произошли самые значительные изменения в площади пашни в связи с тем, что были распаханы обширные территории, в том числе крутые борта долин, а также некоторые ранее неосвоенные участки, находившиеся на большом удалении от поселений. В итоге максимум площади пашни был достигнут к 1880-м гг. [Цветков, 1957]. Следующий важный этап произошел в 30-е гг. ХХ в., когда создавались первые машинно-тракторные станции, что инициировало переход от индивидуальных хозяйств к колхозам и укрупнение полей. Последний этап связан с резкими изменениями в агропромышленном комплексе после распада СССР, сопровождавшимися значительным снижением площади пашни вплоть до 2006-2007 гг. [Литвин и др., 2017].
Подавляющее большинство исследователей оценивают эрозионно-аккумулятивные процессы за определенные промежутки времени, и лишь в некоторых работах сделаны попытки проследить тренды изменений этих процессов в прошлом для того, чтобы контролировать и прогнозировать процессы протекания водной эрозии в будущем [Жидкин и др., 2023]. В частности для этих целей используют набор радиоизотопов природного и техногенного происхождения [МаЬй: et а1., 2018]. Однако оценить изменения темпов смыва за разные интервалы вре-
мени с момента начала массовой распашки земель получается крайне редко. Одной из возможностей детально проследить изменения темпов смыва на пашне за различные интервалы времени с момента начала массовой распашки является оценка объемов аккумуляции наносов в примыкающих к пахотным склонам днищах сухих долин на основе использования набора методов датировки отложений, включая радиоцезиевый и почвенно-морфологиче-ский, а также метод магнитных трассеров. Именно данный подход использован в нашем исследовании.
Цель исследования заключается в оценке темпов смыва на пахотных склонах малых водосборов, расположенных в северной и центральной частях Среднерусской возвышенности, за различные временные интервалы на основе сравнительного анализа объемов накопления наносов в днищах долин исследованных водосборов.
Материалы и методы
Физико-географическая характеристика объектов исследования. Выбранные малые водосборы расположены в пределах лесостепной зоны Среднерусской возвышенности (рис. 1А), которая представляет собой приподнятую денудационную равнину, расчлененную долинами рек и суходольной сетью.
Рис. 1. А — расположение объектов исследования; землепользование и положение точек послойного отбора образцов на малых водосборах: Б — Петровка, В — Спокоевка, Г — Хвощин Лог, Д — Просторное
Таблица 1
Основные среднегодовые* характеристики климата на метеостанциях, расположенных вблизи исследуемых водосборов
Объект Метеостанция Температура воздуха, °С Сумма осадков
Средняя января Средняя июля Среднегодовая Год Теплый период (апрель-октябрь)
Петровка Плавск -6,9 19,2 6,3 550 360
Хвощин Лог Курск -6,2 20,7 7,9 632 398
Спокоевка Обоянь -5,8 20,7 7,9 - -
Просторное Нижнедевицк -5,8 21,6 8 - -
*— на всех метеостанциях, кроме Нижнедевицк, за период с 1/02/2005 г., на метеостанции Нижнедевицк — с 03/02/2009 г. (сайт rp5.ru, дата обращения 29.01.2024).
Склоны междуречных пространств крутизной 2-5°, имеют преимущественно выпуклую форму. Они умеренно расчленены ложбинами и потяжина-ми полигенетического происхождения. Основными почвообразующими породами, слагающими территорию, являются лессовидные суглинки на севере и лессы на юге, мощность которых в среднем составляет 2-3 м [Мильков, Гвоздецкий, 1976]. Согласно почвенно-географической классификации [Добровольский, Урусевская, 2004] территория обследования относится к суббореальной центральной лесостепной и степной области, фации умеренных промерзающих почв Окско-Донской провинции.
Среднерусская возвышенность расположена в умеренном климатическом поясе, который характеризуется теплым влажным летом и мягкой, умеренно холодной зимой. До начала глобального потепления климата средняя температура июля на метеостанции Плавск составляла 18,6° и на метеостанции Курск — 18,7°, средняя температура января соответственно -9,9°С и -9,3°С; среднегодовые температуры воздуха — 4,7°С и 5,5°С [Научно-приклад-ной.,1990]. Среднее количество осадков — 619 и 587 мм в год, их основное количество, более трети, приходилось на летний период. Коэффициент увлажнения в среднемноголетнем аспекте составляет 1,2 для Тульской и 1,0 для Курской области. Данные метеорологических наблюдений за последние 18 лет (табл. 1) показывают рост среднегодо-
вой температуры воздуха в пределах Среднерусской возвышенности на 1,6-2,4°С, что привело к росту среднегодовых значений до 6,3°С и 7,9°С, июля — 19,2°С и 20,7°С в северной и центральной частях возвышенности соответственно. 65-66% осадков выпадает в теплое время года в виде дождей и ливней. Эрозионный потенциал ливневых осадков варьирует слабо и составляет от 285 до 310 МДж мм-(га ч год)-1 на участках в Курской области и 320 МДж мм-(га ч год)-1 на участке в Тульской области (Panagos et а1., 2017).
История землепользования исследованных малых водосборов. На основе сбора и анализа архивных, в том числе картографических, материалов была проведена реконструкция истории земледельческого освоения водосборов, а также выявлены документально подтвержденные факты изменений площади пашни. Также определено время начала эксплуатации ближайшей к каждому водосбору железной дороги (табл. 2), что необходимо знать для использования метода магнитного трассера. Выяснилось, что массовая распашка трех из четырех малых водосборов началась в сравнительно близкие сроки, а именно во второй половине XVIII века (табл. 2). Достоверно установить год начала распашки не представляется возможным. Водосбор Хвощин Лог, который находится на удалении от населенных пунктов, был освоен существенно позже, вероятнее всего, после земельной реформы 1861 г.
Таблица 2
Некоторые характеристики малых водосборов
Объект Бассейн реки Площадь Начало земледельческого освоения, годы Год постройки железной дороги
общая днища залуженной части пашни
Га Га % Га % Га %
Петровка Локна 95,9 2,1 2,2 12,7 13,2 83,2 86,8 1760-е 1868
Спокоевка Воробжа 105,5 2,0 1,9 7,7 7,3 92,9 88,1 1770-е 1868
Хвощин Лог Сейм 140,1 2,2 1,6 15,7 11,2 118,4 84,5 1860-е 1868
Просторное Олым 38,9 0,5 1,3 2,6 6,7 35,6 91,5 1770-е 1897
Следует отметить, что даже незначительные изменения площади пашни за счет прекращения распашки наиболее крутых участков склонов существенно сказываются на изменении потоков наносов, как это показано на примере водосбора Петровка [Zhidkin et а1., 2023]. В разные периоды, которые в основном пришлись на середину 20-го века и более поздние периоды, небольшое сокращение площади пашни происходило на всех исследованных водосборах. Прежде всего это было связано с посадкой лесных полос в 1970-е годы на всех участках, кроме водосбора Петровка. Дополнительным фактором, повлиявшим на перераспределение наносов в днищах водосборов, явилось сооружение временных земляных плотин, которые прорывались в первые годы после строительства, но, тем не менее, сказывались на темпах накопления смытого с пашни материала на различных участках днища долин.
Геоморфологическая характеристика малых водосборов. Выбранные в качестве объектов исследования малые водосборы можно разделить на две группы. В первую группу входят водосборы Петровка и Спокоевка. Эти два водосбора представляют собой небольшие притоки основных более крупных сухих долин, располагающиеся в среднем течении данных долин. Они имеют сопоставимые протяженность днищ от истоков до впадения в основную долину и перепады высот, большие по сравнению с двумя другими водосборами (табл. 3). Два других водосбора (Хвощин Лог и Просторное) представляют собой истоки более крупных долин. В каждом из данных водосборов верхняя часть днищ перегорожена временными земляными плотинами, что в современный период приводит к перехвату большей части стока наносов, поступающих с частей водосборов, располагающихся гипсометрически выше них. На данных водосборах наносы, накопившиеся в днищах долин, исследованы только на участках до впадения в них первого крупного притока. Конфигурация водосборов несколько отличается (рис. 1), что сказывается на особенностях развития эрозионных процессов на пашне и поступлении наносов в днища долин. В частности, водосбор Хвощин Лог отличается от других тем, что правый борт долины прорезан двумя ложбинами, берущими свое начало на пашне, что облегчает доставку наносов в днище
долины (рис. 1Г). Для водосбора Просторное характерно, что наибольшая часть пашни располагается выше начала долинного вреза, и наносы поступают в запруженную привершинную часть днища (рис. 1Д). Склоны междуречья водосбора Спокоевка характеризуются существенно большей крутизной по сравнению с остальными водосборами (табл. 3).
Почвенный покров малых водосборов. На водосборе Петровка на распаханных склонах междуречий распространены агрочерноземы глинисто-иллювиальные оподзоленные (38% от площади водосбора) и типичные (15%), агроземы темные глинисто-иллювиальные типичные (10%) и оподзоленные (5%) [Кошовский и др., 2019]. На водосборе Спокоевка почвенный покров представлен пятнистостями агрочерноземов типичных, агро-черноземов глинисто-иллювиальных и агрочерноземов мицелярно-карбонатных. На водосборе Хвощин Лог распространены агрочерноземы мице-лярно-карбонатные; глубина залегания карбонатов широко варьирует от 40 до 107 см (70% от площади водосбора). В днищах склоновых ложбин встречаются выщелоченные от карбонатов агрочерноземы глинисто-иллювиальные (5%), а на участках с повышенной крутизной — агроземы темные аккумулятивно-карбонатные (5%). На пашне водосбора Просторное преобладают агрочерноземы типичные. Глубина вскипания карбонатов составляет 60-90 см. Карбонатные новообразования представлены псевдомицелием, глубина обнаружения варьируется от 65 до 70 см. Почвы характеризуются высоким содержанием органического вещества — от 5 до 8,6%. Гранулометрический состав исследуемых почв варьирует от тяжелосуглинистого к легкоглинистому, содержание физической глины (менее 0,01 мм) составляет от 56,8 до 63,2%.
Методы полевого обследования. В пределах каждого водосбора в период с мая по октябрь обследование осуществлялось по следующей схеме. На первом этапе проводилось геоморфологическое описание сухой долины, включая борта и днище. Параллельно на основе GPS съемки по положению тылового шва днища определялась его общая площадь. На основе различий в морфометрии различных участков долин выделялись сектора в днище, которые отличались друг от друга как морфоме-
Таблица 3
Морфометрические характеристики малых водосборов
Объект Средняя крутизна пахотных склонов, градус Средняя длина пахотных склонов, м Длина днища, м Перепад высот в днище, м Средний уклон днищ от истока до устья (нижней точки отбора), градус
Петровка 1,6 500-600 1000 31,8 1,8
Спокоевка 2,8 600-700 1000 34,1 2,0
Хвощин Лог 1,7 600-700 1150 26,5 1,3
Просторное 1,6 250-350 400 14,5 2,1
трическими параметрами, так и особенностями поступления наносов с пашни. На втором этапе в пределах каждого сектора закладывался разрез, происходило его подробное описание. Оценка темпов накопления наносов за разные интервалы времени проводилась на основе использования трех методов: почвенно-морфологического, радиоцезие-вого и метода магнитного трассера — сферических магнитных частиц (СМЧ), появившихся в атмосфере при сгорании угля в топках железнодорожных локомотивов. Это позволило выделить мощности наносов, накопившихся за периоды: 1) с 1986 г. (Чернобыльский аварийный выброс), 2) с 1954 г. — начало проведения ядерных взрывов в атмосфере, 3) с момента запуска и активной эксплуатации железной дороги, 4) с момента массовой распашки всей территории водосбора.
Для проведения лабораторных анализов послойно отбирались образцы с площади 15x15 см через каждые 3 см (для 137Cs) до глубины 70-80 см и через каждые 15 см (для СМЧ) до глубины 120150 см. В случае необходимости для вскрытия погребенной почвы, если она не вскрывалась при закладке разреза, дополнительно бурили в днище разреза с отбором образцов на СМЧ. В каждом секторе по поперечному профилю днища, проведенному в месте заложения разреза, дополнительно проводилось бурение в двух точках для уточнения морфологии поверхности, подстилающей намытую толщу (проведено на водосборах Спокоевка, Хвощин Лог и Просторное). Суммарный объем отложений, накопившихся за каждый период, рассчитывался путем перемножения площади днища на мощность слоя, отложившегося за данный период
в каждом из разрезов. Далее для оценки среднегодового смыва с пашни для расчетов использовалось следующее уравнение:
Е = Шр/ТБ, (1)
где Е — среднегодовой смыв за данный интервал времени, т-га-1 в год; Ш — объем наносов, отложившихся за данный интервал времени, м3; р — плотность наносов, т-м-3; Т — интервал времени, для которого проводится расчет, год; Б — площадь пашни, га.
Следует учитывать, что в связи с особенностями отбора проб для определения СМЧ точность оценки мощности толщи, накопившейся за период с начала эксплуатации железных дорог, была ниже по сравнению с остальными интервалами времени. Кроме того, небольшие изменения площади пашни за разные интервалы времени учитывались только для водосбора Петровка, так как они были установлены на основе более детального подбора архивных карт. Для остальных водосборов площадь пашни принималась равной современной. Однако согласно имеющимся данным [Иванова и др., 2023] она изменялась в разные периоды времени не более чем на 5-7%.
Методика определения мощности наносов почвенно-морфологическим методом. Границу между погребенной почвой и намытой почвой определяли по следующим морфологическим признакам: присутствию слоистости, по структуре, текстуре и цвету, которые характерны для намытой почвы. Сбор информации о дате начала распашки территории и истории земледельческого освоения водосбора проводился по архивным данным. Основным источником данной информации служи-
А
0-3
6-9
12-15
S и 18-21
X 24-27
х
ю
> 30-33
36-39
42-45
48-51
54-57
20
40
60
80
100
19
86
20
40
60
0-15
15-30
30-45
2
и
га ^ 45-60
s
ю
> 60-75
IZ
75-90
90-105
105-120
140-160
0
Рис. 2. А — вертикальное распределение 137Cs в разрезе ХЗ-3 (объект Хвощин Лог). 1986 — примерная поверхность почвы в 1986 г. Б — вертикальное распределение СМЧ в разрезе G-2 (объект Просторное)
ли Планы Генерального межевания (ПГМ), которое было начато в 1766 г. и продолжалось до середины XIX в.; целью данного межевания было установление границ землевладений отдельных лиц, помещиков, крестьян, городов, деревень, церквей и прочих собственников. С помощью ПГМ можно определить тип землепользования, отметить границы пашни и определить ее площадь. Начало с/х освоения неоднородно на всех участках, самое раннее по нашим расчетам — на участке Петровка (1760-е гг.), самое позднее — 1860-е гг. на участке Хвощин Лог (табл. 2).
Методика определения мощности наносов радиоцезиевым методом. Для определения содержания 137Cs отобранные образцы почвы высушивали, взвешивали, растирали и просеивали через сито 2 мм. Гамма-спектрометрический анализ проб почвы проводили в научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ на гамма-спектрометрических комплексах с полупроводниковыми детекторами высокого разрешения, образцы с объекта Просторное анализировались в Почвенном институте им. В.В. Докучаева на спектрометрической установке МКС-01А «Мультирад-гамма». По результатам лабораторного анализа строились эпюры вертикального распределения 137Cs в почвенной толще, на которых отмечался пик максимального содержания радионуклида, который в случае его нена-рушенности отчетливо выделяется. Данный пик датирует поверхность почвы, на которую в 1986 году в результате аварии на ЧАЭС поступил 137Cs. Наносы, накопившиеся выше данного слоя, отложились в днище за период с 1986 года (рис. 2А). На ненару-шенность пика указывает постепенное уменьшение активности 137Cs в нижележащих слоях.
Нижний слой, в котором определялось содержание 137Cs, соответствует началу выпадений 137Cs из атмосферы в связи с проведением взрывов ядерных бомб в открытой атмосфере, то есть поверхности почвы в днище в 1954 г. В большинстве случаев достоверно определить положение пика содержания 137Cs, соответствующего максимуму выпадения 137Cs бомбового происхождения, не представлялось возможным в связи с рядом причин. Во-первых, в отдельных случаях он был размыт из-за вторичного врезания донных врезов в днище с последующим переотложением материала ниже по течению. В других случаях он достоверно не выявлялся из-за высоких концентраций 137Cs чернобыльского происхождения. По этой же причине, а также из-за невысокой эффективности спектрометрической установки МКС-01А «Мультирад-гамма» достоверно не удалось определить нижнюю границу толщи наносов, в которой фиксировались концентрации 137Cs бомбового происхождения, в днищах водосборов Петровка и Просторное.
Методика определения мощности наносов с помощью СМЧ. Для определения содержания СМЧ
в почвах проводится разрушение почвенных агрегатов в сухом виде, далее в суспензии при помощи ультразвука осуществляется мокрое просеивание через сито 53 мкм и мокрая магнитная сепарация. Затем выделенная фракция магнитных минералов в виде препарата помещается под микроскоп «Альтами» с цифровой видеокамерой, где проводится ручной подсчет доли СМЧ от магнитной фракции почв. С учетом навески образца и полученного в ходе анализа веса магнитной фракции и доли СМЧ от магнитной фракции производится расчет содержания СМЧ в почвенном образце [Жидкин, 2010]. Для расчетов глубины залегания наносов, накопившихся с момента ввода в эксплуатацию железной дороги, использовалась глубина залегания нижнего образца, содержащего СМЧ (рис. 2Б). Следует отметить, что данный метод отбора, а также вероятность проникновения СМЧ на глубину за счет биолого-почвенных процессов несколько понижают точность определения нижней границы отложений. Для отложений, отобранных в днище долины водосбора Спокоевка, метод магнитного трассера не использовался в связи с неудачным отбором образцов на данный вид анализа. Была отобрана часть толщи, которая содержала СМЧ, нижняя граница проникновения магнитного трассера на данном водосборе была диагностирована лишь в одном разрезе.
Еще одним существенным ограничением, которое сказывается на всех датировках, за исключением определения отложений, накопившихся после 1986 г., является периодическое формирование донных врезов в днищах сухих долин. Несмотря на то что большая часть наносов, сформировавшихся при размыве, переоткладывается сразу ниже по течению, некоторая часть материала выносится за пределы исследуемой части водосборов. Тем самым происходит некоторое занижение среднегодовых значений смыва, рассчитанных по формуле (1).
Результаты
Мощности отложений, переотложившихся в днищах исследованных водосборов за разные интервалы времени, существенно изменяются как по длине днищ, так и по своему возрасту (рис. 3).
Толщу наносов, выделенных почвенно-морфо-логическим методом, следует считать накопленной за весь агрикультурный период времени — с момента начала распашки территории. Этот показатель варьирует от 80 до 235 см в пределах исследуемых объектов. Максимальное варьирование мощности намытой почвы в днище водосбора зафиксировано на участке Просторное, минимальное — на участке Спокоевка. В пределах участка Спокоевка в среднем мощность намытой почвы максимальна (190-225 см), а на участке Хвощин Лог — минимальна (80-155 см) среди ключевых участков (рис. 3). Тем не менее собственно темпы и объемы отложений, накопившихся в днищах долин за разные периоды, только
А - Петровка
T3 T6 TS Т4 T1
SO
S 100
ю >
150
200
:
SO
g 100
150
200
Г - Просторное
Gl G2 G3 G4
■
I
2S0
2S0
12011-1986 ■ 1986-1870-е 1870-е-1760-е
Б - Спокоевка
PVRS PVR1 PVR3,4 PVR2 PVR6
SO
100
1S0
200
2S0
■ lili
"HI
12020-1986 1986-19S4 l9S4-l770e
12023-1986 ■ 1986-1900-е 1900-е-1770-е
В - Хвощин Лог
ХЗ4 ХЗ5 ХЗЗ ХЗ1 ХЗ2
SO
100
1S0
200
2S0
12022-1986 1986-19S4 l9S4-l860-e
Рис. 3. Мощности наносов, переотложившихся в днищах долин водосборов за разные интервалы времени, установленные на основе использования радиоцезиевого, почвенно-морфологического методов и метода магнитного трассера. Водосборы: А) Петровка, Б) Спокоевка, В) Хвощин Лог, Г) Просторное. Условные обозначения: 2022-1986 — временные интервалы, за которые отложилась данная толща наносов; Т1 — номера разрезов, разрезы, на графиках расположены от истока к устью
0
0
0
0
косвенно отражают фактическую разницу в потерях почвы с распаханных склонов. Более объективное сопоставление возможно при учете различий в площади пашни, продолжительности распашки и момента отбора проб на каждом из водосборов (табл. 4, рис. 4). Среднегодовой смыв, как за весь период распашки, так и за постчернобыльский период, выше на водосборах первой группы, являющихся притоками более крупных долин. Причем более ощутима эта разница при оценках всего периода массовой распашки, тогда как для постчернобыльского периода среднегодовой смыв на водосборе Просторное сопоставим по величине со смывом с водосборов Петровка и Спокоевка. Также следует отметить, что если для водосборов первой группы смыв за весь период распашки выше, чем современный, то для водосборов второй группы наблюдается обратная картина (табл. 4). При этом для всех водосборов максимальный среднегодовой смыв приходится на 20-й век, причем скорее на период 1954-1986 гг. (рис. 4), когда стала массово использоваться тяжелая сельскохозяйственная техника, способствовавшая переуплотнению почвы и, как следствие, повышению коэффициента поверхностного стока воды [Литвин, 2002].
Обсуждение
Объемы и темпы накопления смытого с пашни почвенного материала в днищах долин, примыкающих к ней, характеризуют минимальные оценки
Таблица 4
Среднегодовой смыв с пашни, установленный на основе оценки объемов наносов, накопившихся в днищах исследованных водосборов, за постчернобыльский период и весь период распашки водосборов
Объект Постчернобыльский период Период массовой распашки
Интервал времени, годы Среднегодовой смыв, тта^год"1 Интервал времени, годы Среднегодовой смыв, т-га-1-год-1
Петровка 1986-2011 1,5 1760-е - 2011 2,1
Спокоевка 1986-2020 1,7 1770-е - 2020 2,4
Хвощин Лог 1986-2022 0,9 1860-е - 2022 0,6
Просторное 1986-2023 1,7 1770-е - 2023 0,9
интенсивности водной эрозии почв на обрабатываемых склонах за разные интервалы времени. Это связано с тем, что часть наносов переоткладывается на задернованных бортах долин. Их объем зависит от особенностей поступления наносов с пашни и длины бортов долин. В случае рассредоточенного стока большая часть наносов переотлагается буквально сразу за нижней границей пашни [Zhidkin et а1., 2023], тогда как при концентрированном стоке большая часть наносов достигает днища, хотя и на бортах долины отлагается часть материала [Рашп et
А - Петровка
Б - Спокоевка
m 2
zl
2011-1986
I
1986-1870-е 1870-е-1760-е
m 2
=■
1=
2020-1986
1986-1954
1954-1770е
В - Хвощин Лог
Г - Просторное
о
m 2
■ ■
2022-1986
1986-1954 1954-1860-е
о
m 2
■ ■
2022-1986
1986-1954 1954-1860-е
Рис. 4. Изменение среднегодовых темпов смыва на исследованных водосборах за различные периоды с момента начала массовой распашки до первой четверти XXI века, рассчитанные на основе количественных оценок суммарных отложений наносов в днищах долин за каждый временной интервал. А — Петровка, Б — Спокоевка, В — Хвощин Лог, Г — Просторное. Условные обозначения: 2022-1986 — временные интервалы
4
4
3
3
1
1
0
0
4
4
3
3
а1., 2001]. Также часть смытых с пашни и поступивших в днище долин наносов транспортируется далее по суходольной сети и в итоге доставляется в постоянные водотоки. Их доля также варьирует от водосбора к водосбору в зависимости от уклона днища и соотношения талого и ливневого стока и смыва. Согласно опубликованным данным по оценкам баланса наносов для водосборов с площадями, сопоставимыми с площадью исследованных водосборов, за их пределы в зависимости от конфигурации склонов, уклона днища, протяженности задернованных бортов долин выносится от 10 до 26% от суммарного смыва с пашни [Безухов и др., 2019; Голосов и др., 2022]. При талом стоке в среднем больше наносов доставляется в постоянные водотоки, что связано с меньшей мутностью потоков в этот период [Литвин, 2002], но и при экстремальном ливневом смыве часть наносов транспортируется на значительные расстояния [Verstraeten, Poesen, 2001]. Кроме того, часть наносов, отложившихся в днище, поэтапно переносится вниз по течению за счет развития вторичных врезов в днищах долин [Рашп et а1., 2001]. Наличие подобных донных врезов и их повышенная активность оказывают влияние на неравномерность отложения материала по длине днища, как это, например, наблюдается в днище водосбора Петровка (рис. 3А). Следовательно, фактические темпы смыва превышали установленные на основе оценок объемов аккумуляции в днище (табл. 4) примерно на четверть. Тем не менее темпы накопления наносов в днищах исследованных водосборов внутри одного временного интервала характеризуют различия в темпах смыва их с пахотных склонов, а изменения слоя аккумуляции по длине днища указывают на особенности поступления наносов с пашни в пределах конкретного водосбора.
Наибольший среднегодовой смыв для всех интервалов времени выявлен для водосбора Спокоев-ка (табл. 4, рис. 4), что обусловлено максимальной по сравнению с остальными водосборами крутизной пахотных склонов (табл. 3) и относительно большим числом ложбин и потяжин, наличие которых стимулирует линейную эрозию почв [Verstraeten, Poesen, 2001]. Тем не менее полученные значения смыва даже на этом водосборе почти вдвое ниже рассчитанных по эрозионным моделям при мелкомасштабных оценках темпов смыва для пахотных земель Курской области [Мальцев, Ермолаев, 2019]. В целом изменения среднегодового смыва за периоды 1986-2022 и 1954-1986 гг., полученные для водосборов Спокоевка и Хвощин Лог и указывающие на его сокращение в период после 1986 года на 2,0-0,4 т-га-1 в год, хорошо согласуются с выявленным снижением талого смыва в период после 1990 г. [Барабанов и др., 2018] и с прекращением массового использования тяжелой сельскохозяйственной техники с середины 1980-х годов. Среднегодовой талый смыв, согласно полевым наблюдениям 1960-1970-х годов
в Курской области, составлял в среднем 0,5-1 т-га-1 [Грин, 1970; Герасименко, 1995]. Следовательно, установленное снижение потерь почвы от водной эрозии при сохранении темпов ливневого смыва представляется логичным. Несколько отличается от выявленной закономерности рост темпов смыва на водосборе Просторное в последние десятилетия (рис. 4Г). Очевидно, это связано с достаточно сильным ливневым стоком, наблюдавшимся на данном водосборе. Это предположение подтверждается наличием сети крупных промоин, которые дешифрируются на космическом снимке 2013 г. на данную территорию. Локальные ливни высокой интенсивности, способствующие формированию смыва вплоть до 100 т-га-1 за событие, типичны для лесостепной зоны на Среднерусской возвышенности [Герасименко, Рожков, 1976].
На фоне хорошо выраженного максимума среднегодового смыва в период 1954-1986 гг., связанного с существенным переуплотнением почвы в этот период из-за применения тяжелой техники, представляются не вполне объяснимыми более низкие по сравнению с современными потери почвы от смыва за весь период земледельческого освоения на водосборах Хвощин Лог и Просторное (табл. 4). Вероятнее всего, это связано с тем, что в период максимальной распашки, который приходился на время после земельной реформы 1861 г., когда обрабатывались в числе прочих земель и крутые борта долин, в днищах долин этих водосборов формировались протяженные донные врезы. В результате более значительная, чем в настоящее время, часть наносов выносилась в нижерасположенные звенья флювиальной сети. Косвенно это предположение подтверждается выявленными при бурении днища, а ныне заполненными наносами, донными врезами на водосборе Просторное, а также наличием старой напаши на правом борту долины водосбора Хвощин Лог. Похожие донные врезы встречаются в лесостепной зоне, а детальные оценки баланса наносов на подобных водосборах позволили оценить, что порядка 80% смытых с пашни наносов выносятся за пределы водосбора [Безухов и др., 2019]. Наличие донного вреза в днище долины водосбора Просторное подтверждается также сокращенной мощностью отложений, накопившихся в нижней половине исследованного участка днища (разрезы G3, G4 на рис. 3Г) в период 1770-1900 гг.
Изменения мощности отложений постчернобыльского периода по длине днищ долин исследованных водосборов (рис. 3) позволяют судить об особенностях поставки наносов с пашни в днища долин в этот период. Так как на всех водосборах из-за потепления климата и практически полного прекращения поверхностного стока в период снеготаяния [Барабанов и др., 2018] вклад талого смыва ничтожно мал, то особенности накопления наносов связаны, преимущественно, с ливневым
стоком и смывом. В днищах долин водосборов Спо-коевка и Просторное хорошо виден тренд сокращения мощности наносов, отложившихся после 1986 г. вниз по течению (рис. 3Б, Г). Это указывает на то, что основной сток наносов поступает в днище с верховий водосборов. Кроме того, конфигурация данных водосборов такова, что сток примерно с 75% площади пашни поступает в верховья днищ. В случае водосбора Хвощин Лог запруда в верховьях днища, вероятно, практически полностью перехватывает в настоящее время сток наносов. Однако на остальной части днища наносы в постчернобыльский период откладываются сравнительно равномерно (рис. 4В). Можно предложить, что в данном случае они поступают с пашни, расположенной по правому борту долины по ложбинным понижениям, прорезающим данный борт (рис. 1В). Наконец, на водосборе Петровка сток наносов в последние десятилетия поступает в днище, преимущественно, с обоих бортов, что подтверждается равномерными по длине мощностями постчернобыльских отложений (рис. 1А).
Заключение
Выявлены на основе детальной оценки объемов аккумуляции в днищах малых водосборов, примыкающих к пашне, тренды изменений темпов смыва в различных частях лесостепной зоны Среднерусской возвышенности за период земледельческого освоения. Максимальных значений потери почв от смыва достигали в период с 1954 до 1986 г. и составляли 1,3-3,7 т-га-1 в год, что связано с повышением коэффициента поверхностного стока из-за переуплотнения почвы в связи с массовым использованием тяжелой сельскохозяйственной техники. Выявленные на основе полевых данных среднемноголетние значения темпов смыва достаточно хорошо коррелируют с морфометрическими характеристиками обрабатываемых склонов исследованных водосборов. Максимальные потери почв наблюдаются на водосборе Спокоевка (2,4 т-га-1 в год), где крутизна склонов и густота их расчленения ложбинами и по-тяжинами наиболее высокие по сравнению с остальными водосборами. Современные темпы варьируют в пределах 0,9-1,7 т-га-1 в год, причем в малых водосборах, являющихся истоками крупных долин, они выше среднемноголетних оценок, а в днищах долин, являющихся притоками крупных балок, они ниже среднемноголетних оценок.
Информация о финансировании работы
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 2217-00071 «Полимасштабные оценки эрозионно-ак-кумулятивных процессов и рисков деградации почв на Среднерусской возвышенности», https://rscf.ru/ рш}еС:/22-17-00071/)
СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ
В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барабанов А.Т., Долгов С.В., Коронкевич Н.И. и др. Поверхностный сток и инфильтрация в почву талых вод на пашне в лесостепной и степной зонах Восточно-Европейской равнины // Почвоведение. 2018. № 1. о^/10.7868/80032180Х18010069
2. Безухов Д.А., Голосов В.Н., Панин А.В. Оценка коэффициента доставки наносов малых водосборов в лесостепных и степных районах Восточно-Европейской равнины // Известия РАН. Сер. географическая. 2019. № 4. https://doi.org/10.31857/S2587-55662019473-84
3. Герасименко В.П. Среднемноголетний смыв почвы на пашне в различных сельскохозяйственных условиях // Почвоведение. 1995. № 5.
4. Герасименко В.А., Рожков А.Г. Выдающийся ливень в ЦЧО и проявление эрозионных процессов // Науч.-техн. бюл. по проблеме «Защита почв от эрозии». Курск, 1976. Вып. 4(11).
5. Голосов В.Н., Ермолаев О.П. Пространственно-временные закономерности развития современных процессов природно-антропогенной эрозии на Русской равнине. Казань, 2019.
6. Голосов В.Н., Жидкин А.П., Петелько А.И. и др. Полевая верификация эрозионных моделей на основе исследований малого водосбора в бассейне р. Воробжи (Курская область) // Почвоведение. 2022. № 10. https://doi. org/10.31857/S0032180X22100045
7. Грин А.М. Опыт стационарного изучения процессов стока и смыва // В кн.: Современные экзогенные процессы рельефообразования / Под ред. акад. И.М. Герасимова. М., 1970.
8. Добровольский Г.В., Урусевская И.С. География почв. М., 2004.
9. Жидкин А.П. Количественная оценка механической миграции вещества почв методом магнитного трассера. Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. М., 2010.
10. Жидкин А.П., Комиссаров М.А., Шамшурина Е.Н., Мищенко А.В. Эрозия почв на Среднерусской возвышенности (обзор) // Почвоведение. 2023. № 2. https://doi. org/10.31857/S0032180X22600901
11. Иванова Н.Н., Фомичева Д.В., Рухович Д.И. и др. Ретроспективный анализ истории земледельческого освоения и оценка темпов эрозии почв в бассейне р. Локна, Тульская область // Почвоведение. 2023. № 7. https://doi. org/10.31857/S0032180X22601475
12. Кошовский Т.С., Жидкин А.П., Геннадиев А.Н. и др. Диагностика, генезис и локализация педоседиментов в пределах малого водосбора (Среднерусская возвышенность) // Почвоведение. 2019. № 5. https://doi.org/10.1134/ S0032180X19050058
13. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки. М., 1992.
14. ЛитвинЛ.Ф. География эрозии почв сельскохозяйственных земель России. М., 2002.
15. ЛитвинЛ.Ф., Кирюхина З.П., Краснов С.Ф. и др. География динамики земледельческой эрозии почв Европейской территории России // Почвоведение. 2017. № 11. https://doi.org/10.7868/S0032180X17110089
16. Мальцев К.А., Ермолаев О.П. Потенциальные эрозионные потери почвы на пахотных землях Европейской части России // Почвоведение. 2019. № 12. https://doi. о^/10.1134^0032180Х19120104
17. Мильков Ф.Н., Гвоздецкий Н.А. Физическая география СССР. Общий обзор. Европейская часть СССР. Кавказ. М., 1976.
18. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные / Гос. ком. СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, Белорусское респ. упр. по гидрометеорологии и контролю природной среды. Калужская, Тульская, Тамбовская, Брянская, Липецкая, Орловская, Курская, Воронежская, Белгородская области. Л., 1990.
19. Чернышев Е.П. Тенденции изменения эрозии на территории Южной части Русской равнины // Вопросы антропогенных изменений водных ресурсов / Гл. ред. Н.И. Коронкевич. М., 1976.
20. Чернышев Е.П., Иванова Н.Б. Потери органических и минеральных веществ почвами центра и юга Русской равнины при снеготаянии // Почвоведение. 1993. № 2.
21. Цветков М.А. Изменение лесистости Европейской России с конца XVII столетия до 1914 года. М., 1957.
22. Mabit L., Bernard C., Lee Zhi Yi A. et al. Promoting the use of isotopic techniques to combat soil erosion: an overview of the key role played by the SWMCN Subprogramme of the Joint FAO/IAEA Division over the last 20 years // Land Degrad. Dev. 2018. Vol. 29.
23. Panagos P., Borrelli P., Meusburger K. et al. Global rainfall erosivity assessment based on high-temporal resolution rainfall records // Sci. Rep. 2017. Vol. 7(15).
24. Panin A.V., Walling D.E., Golosov V.N. The role of soil erosion and fluvial processes in the post-fallout redistribution of Chernobyl-derived caesium-137: a case study of the Lapki catchment, Central Russia // Geomorpholo-gy. 2001. Vol. 40, № 3-4. https://doi.org/10.1016/S0169-555X(01)00043-5
25. Verstraeten G., Poesen J. Factors controlling sediment yield from small intensively cultivated catchments in a temperate humid climate // Geomorphology. 2001. Vol. 40, № 1-2.
26. Zhidkin A.P., Gennadiev A.N., Fomicheva D.V. et al. Soil erosion models verification in a small catchment for different time windows with changing cropland boundary // Geoderma. 2023. Vol. 430.
Поступила в редакцию 16.02.2024 После доработки 01.04.2024 Принята к публикации 23.04.2024
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 3
ASSESSMENT OF CHANGES IN THE INTENSITY OF EROSION-ACCUMULATIVE PROCESSES IN SMALL WATERSHEDS OF THE MIDDLE RUSSIAN UPLANDS SINCE THE BEGINNING OF AGRICULTURAL DEVELOPMENT
E. N. Shamshurina, V. N. Golosov, A. R. Popova, E. A. Shinbergenov, A. P. Zhidkin
The dynamics of sedimentation in the bottoms of small catchments in the forest-steppe zone of the Central Russian Upland was assessed using the soil-morphological, radiocesium and magnetic tracer methods, which made it possible to calculate the rate of soil loss 1) since 1986, 2) since 1954, 3) since the launch and active operation of the railway, 4) since the mass plowing the entire catchment area. Two groups of small dry valleys have been identified: the catchment area of the first group includes tributaries of larger dry valleys, where the average rate of loss during the agricultural period is 2,1-2,4 t-ha-1 per year and exceeds modern ones (since 1986) by 0,6-0,7 t-ha-1 per year. The catchments of the second group include the sources of larger valleys, where the average rate of loss during the agricultural period is 0,6-0,9 t-ha-1 per year and less than modern ones (since 1986) by 0.3-0.8 t-ha-1 per year. The maximum rates within all catchments were observed in the period 1954-1986, which is associated with soil compaction by heavy agricultural machinery, as well as the contribution of snowmelt runoff, which was regular for this period.
Keywords: soil flushing, sediment accumulation, magnetic tracer method, radiocesium method, soil morphological method, stratozem.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Шамшурина Евгения Николаевна, канд. биол. наук, науч. сотр. НИЛ эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Голосов Валентин Николаевич, докт. геогр. наук, вед. науч. сотр. НИЛ эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Попова Алина Римовна, лаборант-исследователь лаборатории эрозии почв Почвенного института имени В.В. Докучаева, e-mail: [email protected]
Шынбергенов Ерлан Алимжанович, канд. геогр. наук, стажер НИЛ эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, ст. преп. Кызылординского университета имени Коркыт Ата, e-mail: [email protected]
Жидкин Андрей Петрович, канд. геогр. наук, вед. науч. сотр., заведующий лабораторией эрозии почв Почвенного института имени В.В. Докучаева, e-mail: [email protected]
© Shamshurina E.N., Golosov V.N., Popova A.R., Shinbergenov E.A., Zhidkin A.P., 2024
