Противоэрозийные мероприятия

Заключение

Охрана почвенного покрова от деградации, в первую очередь от эрозионных процессов, — одна из важнейших экологических проблем, с которыми человечеству придется иметь дело в XXI веке. Успешное решение этой проблемы возможно лишь на основе глубокого всестороннего изучения причин и условий возникновения эрозии почв и разработки научных основ охраны и рационального использования земельных ресурсов. Решать эти проблемы призвано новое научное направление почвоведения — эрозиоведение.

Развитие эрозиоведения как науки прежде всего зависит от разработки ее теоретических основ. Рассмотрим перспективы исследований в выделенных ранее (см. гл. 1) четырех основных направлениях разработки теоретических основ эрозиоведения.

В области теории единого эрозионно-аккумулятивного процесса требует первоочередной разработки проблема аккумуляции эродированного материала. До сих пор исследователи основное внимание уделяли процессу отрыва частиц почвы, тогда как стадии их транспорта и отложения оставались как бы в тени. Сейчас совершенно ясно, что аккумуляция почвы в ряде случаев столь же вредна как и ее разрушение, особенно в связи с перемещением с продуктами смыва и выдувания экологически опасных веществ — радионуклидов, гербицидов, пестицидов, соединений тяжелых металлов и др.

Известно, что частицы данного размера выпадают из потока, когда его скорость становится меньше незаиляющей. Количество выпавших наносов пропорционально разности между размывающей способностью потока при максимальной скорости движения воды по склону и транспортирующей способностью — при минимальной. Для рек и крупных каналов транспортирующая способность потока, характеризуемая с количественной стороны предельным расходом наносов, определяется расчетным путем отдельно для влекомых (донных) и взвешенных наносов. Если для расчета донных наносов предложен ряд теоретически обоснованных формул (Великанова, Гончарова, Шамова и др.), то для расчета взвешенных наносов таковых пока нет. Применимость же к склоновым потокам малой глубины эмпирических формул, предложенных для крупных водотоков (Замарина и др.), еще не показана.

Далека от разрешения и проблема аккумуляции эоловых наносов. Трудности анализа и прогноза эоловых отложений связаны в первую очередь с нестационарностью воздушных потоков, вызывающих ветровую эрозию почв. Эти потоки отличаются происхождением (внутримассовые, фронтальные, местные, вихревые) и, следовательно, свойствами, определяющими их транспортирующую способность (скоростью, продолжительностью и направлением ветра, интенсивностью турбулентности, влажностью воздуха), а также временем существования и масштабами. В случае ветровой эрозии почв вертикальный масштаб двухфазного потока соизмерим с горизонтальным, который в зависимости от местных условий может изменяться от десятков и сотен метров до сотен и тысяч километров.

В области исследования особенностей формирования и движения взвесенесущих потоков сформировались условия для внесения поправок в метод расчета одного из основных параметров потока — его средней скорости. Следует отметить, что в разработанных к настоящему времени моделях размывающей и транспортирующей способности потока используется метод расчета, основанный на уравнениях равномерного установившегося движения потока чистой воды (уравнения Шези, Маннинга и др.). Однако известно, что на самом деле при дождях и снеготаянии течение нельзя считать ни равномерным, ни установившимся, а поток является взвесенесущим. Еще Р.Е. Хортон, а затем Н.И. Маккавеев отмечали волновой характер склонового стока, что, безусловно, имеет большое значение для развития эрозионных процессов. Кроме того, в настоящее время имеются данные, показывающие, что закономерности движения взвесенесущих потоков отличаются от законов механики чистой жидкости (Нигма-тулин, 1978), что также не учитывается до сих пор в моделях эрозии почв.

В области теории противоэрозионной стойкости почв наиболее важной задачей является разработка способа учета турбулизи-руюшего воздействия дождевых капель на поток воды, приводящего к понижению размывающей скорости при совместном действии потока и капель дождя. Сейчас это воздействие учитывается, в первом приближении, эмпирическим коэффициентом. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования по изучению пульсации скоростей в потоке для получения физически более обоснованного показателя этого влияния. Большое значение для познания механизма противоэрозионной стойкости почв имеет изучение неоднородности свойств почв (особенно в период весеннего снеготаяния). Сейчас изучено изменение во времени водопрочности структуры почвы и ее противоэрозионной стойкости лишь при орошении, тогда как закономерности изменения этих показателей при дождях и снеготаянии еще не выяснены. Не меньшее значение имеет их изменчивость в пространстве. То же самое относится и к водопроницаемости почв. Определенные перспективы заложены в применении вероятностного подхода к расчету размывающей скорости потока, развитого в работах Ц.Е.Мирцхулавы. Этот подход несомненно позволит повысить точность прогноза смыва и надежность рекомендуемых противоэрозионных мероприятий.

В области теории противодефляционной стойкости почв необходимы дальнейшие исследования, направленные на разработку методики учета влияния растительности, пожнивных остатков, мульчирующих и структурообразующих материалов, а также противоэрозионного нанорельефа. Важное значение имеет накопление экспериментального материала по пространственному и временному варьированию противодефляционной стойкости почв разного генезиса.

Завершающим среди перечисленных в гл. 1 направлений развития научных основ эрозиоведения является создание теоретически и экспериментально обоснованных моделей эрозии почв. Наименее разработана проблема создания такой модели применительно к смыву почвы при весеннем снеготаянии. Известные в настоящее время модели эрозии почв при снеготаянии чаще всего имеют чисто эмпирический характер. Это модели Г.П. Сурмача, Н.Н. Бобровицкой, В.Д. Иванова и М.И. Лопырева, вариант модели USLE для северо-западных районов США, страдающих от эрозии в период весеннего снеготаяния, а также новые модели, разрабатываемые в рамках программы WEPP (Young et. al, 1989). В скандинавских странах разрабатывается модель SOIL/ CREAMS, эрозионная часть которой представляет собой модифицированную USLE (Botterweg, 1994). В то же время в России достигнуты большие успехи в исследовании так называемой «термоэрозии», под которой понимается одновременное тепловое и механическое воздействие водных потоков на породы зоны вечной мерзлоты (Ершов, 1982). Анализ результатов исследований в области термоэрозии, учет ряда особенностей смыва почв при снеготаянии, а также использование законов механики многофазных систем для описания взаимодействия потоков талой воды с оттаявшей почвой дали возможность разработать теоретически обоснованную модель эрозии почв в весенний период, рассмотреную в п. 7.3, однако ее верификация еще не закончена.

Разработанные к настоящему времени математические модели ветровой эрозии почв дают либо относительную оценку про-тивоэрозионных приемов (Красношеков, 1984; Спирин, 1987), либо однозначный ответ об их эффективности или неэффективности (Куртенер, Усков, 1988), либо возможные потери почвы от ветровой эрозии в условиях применения противоэрозионных мероприятий (Шиятый, 1976; Долгилевич, Васильев, Сажин, 1981; Семенов, 1988; Ларионов, 1993). Эти модели позволяют решать задачи оценки эффективности противодефляционных мероприятий или их систем с разной степенью точности. Все они нуждаются в дальнейшем экспериментальном и теоретическом обосновании и в адаптации к новым почвозащитным технологиям. В этом же направлении продолжается совершенствование новой версии американской системы прогнозирования ветровой эрозии почв — WEPS (Hagen, 1991). Перспективен также новый теоретический подход к анализу процесса ветровой эрозии почв, основанный на использовании законов механики многофазных сред, развитый в работах Г.П. Глазунова и В.М. Гендугова (2001, 2003).

В области разработки почвозащитных систем земледелия наиболее важным является перевод ее на ландшафтную основу (Каштанов, Щербаков, Швебс и др., 1993; Кирюшин, 1993, 1996). Дальнейшее совершенствование систем земледелия должно идти по пути углубления технологической дифференциации и максимального использования присущих природному ландшафту свойств саморегуляции и самоорганизации. На региональном уровне проектирования почвозащитных систем земледелия можно использовать в качестве основы мелко- и среднемасштабные ландшафтные карты и карты физико-географического районирования отдельных регионов страны. На локальном уровне необходимы крупномасштабные ландшафтные карты, на которых выделены урочища и подурочища (Волкова, Жучкова, Николаев, 1990).

Следует отметить, что проектирование отдельных противоэрозионных приемов и их комплексов и раньше фактически велось с учетом ландшафта. Так, предложенное А.С. Козменко выделение эрозионных земельных фондов проводится на уровне ландшафтов, местностей, урочищ и подурочиш, а более дробное деление территории на ряд категорий (по Соболеву и др.), как правило, на уровне подурочиш.

Ландшафтный подход позволяет избежать крупных ошибок при проектировании, в частности исключить случаи объединения в одном поле разнородных участков или неоправданного разделения границами угодий или полей однородных природных комплексов. Поскольку ландшафтных карт крупного масштаба пока мало, следует использовать крупномасштабные почвенные карты.

Сочетание географического (ландшафтного) подхода к разработке систем земледелия с гидрологическими, гидравлическими и аэромеханическими методами расчета отдельных их элементов, базирующимися на теоретически обоснованных моделях эрозионных процессов, должно стать одним из основных направлений исследований в области защиты почв от эрозии.

Необходимым условием реализации этой задачи является возможность получения надежных экспериментальных данных по распространению и интенсивности эрозии почв в разных регионах, экологической и экономической эффективности отдельных противоэрозионных приемов и технологий, их комплексов и почвозащитных систем земледелия в целом. В связи с этим возникает необходимость разработки концепции почвенно-эрозионного мониторинга как составной части государственной программы мониторинга земель России.

В ее основе должна лежать идея периодического обновления результатов почвенной съемки, материалов дистанционного зондирования, а также наблюдений за стоком поверхностных вод, смывом и выдуванием почвы на экспериментальных площадках и в замыкающих створах малых водосборов на фоне многолетних опытов по эффективности почвозащитных систем земледелия. При этом основным критерием должны быть не только агрономические характеристики, но и показатели экологические (сокращение смыва, сдувания почв, потерь ее от разрушения оврагами, от заноса и заболачивания пойм, уменьшение интенсивности заиления и загрязнения рек и водоемов, повышение качества вод, воздуха и ряд других показателей).

Создание концепции развития почвенно-эрозионных исследований будет способствовать разработке научных основ экологически сбалансированного использования почв России.