CC BY
79
ВЫДЕЛЕНИЕ СМЫТЫХ ПОЧВ ВОДОСБОРНОГО БАССЕЙНА НА ОСНОВЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
Александр Федорович Путилин
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630099, г. Новосибирск, ул. Советская 18, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, тел. 222-55-21, e-mail:
Аркадий Михайлович Шкаруба
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108. г. Новосибирск, доктор биологических наук, профессор кафедры экономики землеустройства и недвижимости,тел. 210-95-87, e-mail: kaf. [email protected]
Показано, что цифровая модель рельефа, созданная на основе ГИС-технологий, позволяет разделить площади водосборов по углам наклона склонов и выделить почвы различной степени смытости с точной привязкой к местности.
Ключевые слова: водосборный бассейн, цифровая модель рельефа, ГИС-технологии, смытые почвы.
ALLOCATION OF WASHED SOILS OF CATCHMENT BASIN ON THE BASIS OF GISTECHNOLOGIES
Alexander F. Putilin
Institute of Soil Science and Agrochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630099, Novosibirsk, street Soviet 18, Dr. Sci.Biol., the senior scientific employee, ph. 222-55-21, e-mail: [email protected]
Arkadiy M. Shkaruba
The Siberian State Geodetic Academy, 630108. Novosibirsk, Dr. Sci.Biol., the professor of faculty of economy of land management and the real estate, ph. 210-95-87, e-mail: [email protected]
It is shown that the digital model of a relief created on the basis of GIS-technologies is allows to separate the catchments areas on angles of inclination of slopes and to allocate soil of a various degree of washing an exact binding to region.
Key words: catchments basin, digital model of a relief, GIS-technologies, washed of soil.
Сохранение плодородия почв является актуальной задачей современности, и в дальнейшем ее значение будет возрастать. Это обусловлено широким развитием эрозионных процессов и увеличением площади деградированных почв, что вызывает ряд острых проблем сохранения почвенного плодородия и снижения урожайности сельскохозяйственных культур. Для применения специальных почвозащитных севооборотов и комплекса противоэрозионных мероприятий необходимо определение точного местоположения смытых почв на обрабатываемых склонах водосборных бассейнов.
Обрабатываемые земли лесостепной зоны юго-востока Новосибирской области имеют достаточно высокое горизонтальное и вертикальное расчленение. Около половины пашни имеют уклон свыше одного градуса, на которых активно развиваются процессы водной эрозии почв. Основными
факторами развития водной эрозии в Сибири являются высокие запасы воды в снеге, глубокое и сильное промерзание почв, короткий период весеннего снеготаяние, обусловливающие формирование большого объема поверхностного стока. Основной годовой смыв почв (75-80%) происходит во время весеннего снеготаяния. Летний смыв почв происходит не ежегодно и носит подчинительный характер.
Размывающее эрозионное воздействие поверхностного стока определяется величиной живого сечения водного потока и его скоростью, которая зависит от угла наклона склона. Исследованиями установлено, что скорость водного потока пропорциональна углу наклона склона (при прочих равных условиях). Следовательно, на первый план выдвигается задача выделения склонов различной крутизны в пределах водосборной площади.
В целом водосбор представляет собой совокупность элементарных поверхностей имеющих различный уклон и ориентировку в пространстве. Специфика расположения этих поверхностей, заключается в строгой закономерности их пространственно-временного расположения, которая обеспечивает концентрацию всех вещественных потоков к главному тальвегу водосбора и в дальнейшем их движение к замыкающему створу водосборного бассейна. Такое построение поверхности водосборного бассейна предопределено историей формирования выработки в геологическом субстрате всех водосборных бассейнов, независимо от их размеров и конфигурации. Кроме этого водосборные бассейны разного порядка имеют строгую иерархию соподчинения и ряд специфических особенностей [1].
Рельеф долин рек юго-востока Новосибирской области приобрел современные очертания к началу голоцена. Выработка водосборных бассейнов рек происходила в рыхлых отложениях среднего плейстоцена различного генезиса под эрозионно-денудационным воздействием поверхностных вод, эоловых процессов и гравитации. Под воздействием атмосферных осадков и общей экзогенной составляющей на рыхлые отложения на протяжении длительного периода времени сформировался расчлененный рельеф водосборных бассейнов с почвенно-растительным покровом. В настоящее время естественный ландшафтный комплекс находится в устойчивом динамическом равновесии, в котором протекают медленные эволюционные геологические процессы денудации.
Сельскохозяйственное освоение больших территорий в Новосибирской области вызвало кардинальное изменение и перераспределение водного баланса территории в сторону увеличения поверхностного стока и широкое развитие водной эрозии почв. Так, из 3910 тыс. га пашни в 1989 г. было деградировано 202,4 тыс. га - из них слабосмытых 174,1, средне- и сильносмытых 28,3 тыс. га [2]. За 20 прошедших лет (2009 г.) процессы водной эрозии продолжали интенсивно развиваться, и площадь слабосмытых почв составила 211,54 тыс. га, среднесмытых 31,97 тыс. га и сильносмытых 1.85 тыс. га. Всего деградировано 245,36 тыс. га [3]. Таким образом, общая площадь смытых почв в области за 20 лет увеличилась на 42,96 тыс. га. Необходимо отметить, что слабо, средне и -сильносмытые почвы практически невозможно выделить в чистом виде в
расчлененных лесостепных ландшафтах, в силу специфического выноса почвенных частиц водным потоком. Поэтому речь может идти о выделении ареалов эродированных почв, состоящих из комплексов почв разной степени смытости, включающих и фрагменты
несмытых почв [4]. В связи с этим в комплекс слабоэродированных почв включают: 30-70% слабосмытых и не более 15% среднесмытых почв; в комплекс среднеэродированных почв 15-40% средне и -сильноэродированных почв; комплексы сильноэродированных почв состоят на 60% из средне- и сильноэродированных почв [5]. Исходя из вышесказанного, авторы под используемыми терминами слабо, средне и -сильносмытыми почвами подразумевают комплексы эродированных почв.
Исследованиями эрозионных процессов, как в европейской части России, так и в Сибири, установлена прямая зависимость степени смытости почв и угла наклона склонов земной поверхности. Выявлено, что сильно и -среднесмытые почвы расположены на наиболее крутых обрабатываемых склонах [4, 6].
Водораздельные пространства с уклонами до 1°, в большинстве случаев, заняты неэродированными зональными полнопрофильными почвами. Поверхностный сток талых и ливневых вод, формирующийся на этих почвах, медленно стекает в направлении более крутых участков склона. Передвижение поверхностных вод на таких площадях поверхности носит плащеобразный поверхностный вид и имеет преимущественно ламинарный характер. Незначительный уклон водораздельных склонов не позволяет стекающей воде приобрести скорость необходимую для размыва почв. В отдельных случаях, при уклонах в 1°, наблюдается незначительное локальное перемещение вниз по склону тонких почвенных частиц. Вынос почвенной массы в этом случае крайне незначителен и по оценке разных исследователей составляет первые десятки кг с га за год.
К пологим склонам водоразделов непосредственно примыкают склоны с уклонами 1-3° , которые занимают основную часть пахотного клина обрабатываемых наклонных площадей. Эти склоны принимают часть поверхностного стока с вышележащих, приводораздельных площадей. Здесь же формируется большая часть стекающих талых и ливневых вод. На увеличивающихся уклонах поверхности склонов происходит увеличение скорости поверхностного стока до размывающих величин. Водные потоки имеют микроструйчатый и струйчатый вид, и основной вынос почв происходит в сформировавшихся микроруслах. В результате размыва и выноса почв с этих частей склонов, здесь формируются слабосмытые почвы, которые занимают около 86% площади всех смытых почв.
Склоновые земли с уклонами 3-5° занимают меньшую площадь пашни, и являются пограничным звеном пашни с наибольшим уклоном. На эти части склонов поступает поверхностный сток формирующийся, как на приводораздельных склонах, так и на вышележащих склонах с уклонами до 3°. Кроме этого здесь формируется собственный поверхностный сток. Как правило, распаханные склоны с уклонами 3-5° изрезаны системой ложбин стока разного порядка, а микросклоны ложбин имеют собственную систему микроструйчатых
размывов. Основной вынос почвенной массы происходит по тальвегам ложбин стока и нередко достигает плужной подошвы. Ежегодный смыв почв по тальвегам ложбин стока и последующая вспашка и запашка этих эрозионных борозд, приводят к формированию средне и сильносмытых почв. В полевых условиях почвы такой степени деградации хорошо диагностируются при свежей распашке, по характерной бурой окраске на общем темном фоне обработанных склонов. В площадном отношении средне и сильносмытые почвы занимают совместно около 14% от общей площади смытых почв.
Выделение ареалов смытых почв в полевых условиях производят путем визуального описания почвенных разрезов, отбора образцов почв. Уменьшение мощности гумусового горизонта является основным показателем деградированности почвенного покрова. Важным моментом этих работ является выбор эталона не смытых почв. Как правило, за эталон, берут почвы водоразделов или не обрабатываемые почвы склона, одного гипсометрического уровня и желательно одной экспозиции. Последующая обработка образцов и полученные данные по запасу гумуса и полевые данные о мощности гумусового горизонта позволяют окончательно провести разбраковку почвенных ареалов по степени смытости почв.
Таким образом, площади водосборов разделяются по углам наклона склонов на несколько пространственных ареалов (полос-ступеней), которым соответствуют элювиальные, трансэлювиальные и трансаккумулятивные ландшафты, которым соответствует разная степень деградации почв.
Формирование ландшафтов обусловлено комплексным влиянием физикогеографических и гидрогеологических условий, свойств почвообразующих пород, типов растительности и антропогенеза. Уничтожение естественных ценозов повлекло за собой существенное перераспределение водного баланса, выразившегося в значительном увеличении поверхностного стока талых и ливневых вод.
Степень смытости почв и уклон распаханных склонов имеют прямую корреляционную зависимость. Выделение точного местоположения почв с различной степенью смытости на расчлененных лесостепных ландшафтах приобрело реальную возможность только при водосборно-бассейновом подходе к решению этой проблемы, использованием ГИС-технологий и созданием цифровой модели рельефа (ЦМР). Создание ЦМР позволяет произвести выделение водосборных бассейнов разного порядка и расчленение их водосборной площади на склоны различной крутизны имеющих различную степень деградации. В результате каждый ареал деградированных почв имеет точное пространственное местоположение и координатную привязку на водосборной площади речного бассейна и его взаимосвязь с миграционными вещественными потоками с выше и ниже- расположенными почвенными ареалами.
Итогом работы является создание почвенно-эрозионной карты крупного масштаба для сельскохозяйственных организаций. Полевое почвенноэрозионное обследование конкретного водосбора, даже при соблюдении всех необходимых условий инструкции почвенного картирования, не позволяет
обследовать каждый ареал смытых почв, особенно при сильно и средне-расчлененном рельефе. Поэтому ареалы почв различной степени смытости произвольно объединяли в один ареал смытых почв. Однако современное сельскохозяйственное производство требует более четкого картографического выделения ареалов почв разной степени смытости.
Отработка методических вопросов использования ГИС-технологий, для выделения местоположения ареалов смытых почв на водосборном бассейне, была проведена нами при почвенно-эрозионном обследовании водосбора лога Топкий реки Ирмень, с заложением опорных разрезов и отбором образцов. В процессе полевых работ были выделены (по мощности гумусового горизонта) ареалы слабо и средне смытых почв. Анализ данных почв на конкретном водосборе по запасам гумуса различной степени деградации позволил подтвердить приуроченность степени их смытости и склонам определенной крутизны.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хортон Р.Е. Эрозионное развитие рек и водосборов. - М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1948.- 158 с.
2. Реймхе В.В., Танасиенко А.А., Ковалева С.Р., Путилин А.Ф., Рейнгард Я.Р.
Эрозионные процессы и пути создания эрозионноустойчивых сельскохозяйственных ландшафтов //Основы использования и охраны почв Западной Сибири. - Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1989. - С.52- 96.
3. Хмелев В. А., Танасиенко А. А. Земельные ресурсы Новосибирской области и пути их рационального использования. - Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2009. 346 с.
4. Кузнецов М. С., Глазунов Г. П. Эрозия и охрана почв:- М.: Изда-во МГУ, Изд. «Колос С», 2004. - 352 с.
5. Бахирев Г.И. Эрозионноопасные земли Могилевской области БССР и их защита от эрозии: Автореф. дис ... канд. биол. наук.- Жодино, 1974.- 31 с.
6. Орлов А. Д. Эрозия и эрозионноопасные земли Западной Сибири.- Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983. - 207 с.
© А. Ф. Путилин, А.М. Шкаруба, 2012
