3. Граница динамического равновесия между эрозией почв и скоростью очвообразования

3.1. Теоретическое обоснование

Почвообразование и эрозия почв – диаметрально противоположные процессы, представляющие сущность современного диалектического развития почв на склонах и их плодородия.

В недалеком прошлом, когда господствовала естественная расти­тельность, явление эрозии почв [Заславский, 1979] практически отсутствовало как на равнине, так и на склонах. В этом случае естественная мощность сфор­мировавшегося гумусового горизонта почв (Н_е) на равнине может быть выражена функцией от времени и скорости естественного почвообразо­вания (V_еп)

Н_е = V_еп· t_e , (1)

где t_e - соответствующее число лет.

C учетом незначительной (минимальной) скорости естественной эро­зии на склонах мощность сформировавшегося гумусового горизонта почв на cклонах можно представить как

(2)

Постепенное сведение естественного растительного покрова и разви­тие земледелия сначала на равнине характеризует качественно новый этап культурного почвообразовательного процесса. Его отличительная особенность заключается в резком изменении гидротермического режи­ма почв, физико-химических и биохимических процессов, количествен­ном и качественном изменении живой фазы почв, что в конечном итоге приводит к возрастанию скорости культурного почвообразовательного процесса (V_кп). С учетом времени культурного почвообразования (t_к) современная мощность гумусового горизонта почв (Н_е) в плакорных (равнинных) условиях может быть представлена как

Н_с = V_епt_е + V_кпt_к . (3)

При прочих равных условиях (экспозиция и т. д.) современная мощ­ность гумусового горизонта почв на пахотных склонах с учетом уско­ренной эрозии почв (V_уэ) определится выражением вида

Н_с = (V_еп – V_еэ) t_e + (V_кп – V_уэ) t_к . (4)

Из выражения (1) следует, что с уменьшением скорости почвообра­зования и возраста почв естественная мощность гумусового горизонта будет соответственно уменьшаться. При постоянном значении одного из двух факторов более медленные изменения естественной мощности гуму­сового горизонта почв будут пропорциональны изменениям скорости естественного почвообразования (V_еп = cоnst) или же возраста почв (t_e = const).

Аналогичные изменения естественной мощности гумусового гори­зонта почв будут происходить при наличии сплошного растительного покрова и на склонах. Однако, как следует из выражения (2), они бу­дут подвергнуты соответствующим изменениям под влиянием скорости естественной эрозии почв. При этом следует иметь в виду, что в усло­виях сплошного растительного покрова, повышенной влагоемкости и водопроницаемости почв, наличия плотной дернины и растительной под­стилки условия плоскостного смыва почв на склонах практически от­сутствуют. Наблюдается преимущественно линейный размыв почв в нижней части склона в местах концентрации стока и нарушения расти­тельного покрова (дернины) дикими животными и человеком, что при­водило к образованию промоин и оврагов по совершенно иным (русло­вым) процессам, подчиняющимся другим законам гидравлики и гидро­динамики потоков. Таким образом, можно утверждать, что на склонах, сплошь покрытых естественной растительностью, плоскостной смыв почвы прак­тически отсутствует и, следовательно, скорость естественной эрозии почв практически равна нулю. Это утверждение тем более справедли­во, если иметь в виду самую верхнюю приводораздельную часть склона, о которой речь пойдет ниже.

С началом сельскохозяйственного освоения склоновых земель, как это видно из выражения (3), естественное почвообразование сменяется культурным, точнее, на естественную скорость почвообразования оказы­вает влияние культурный почвообразовательный процесс, характери­зующийся другой скоростью почвообразования. В силу указанных причин скорость культурного почвообразования будет выше естественного. Наглядным доказательством является меньшая мощность гумусо­вого горизонта целинных черноземов Стрелецкой степи по сравнению с аналогичными рядом расположенными черноземами в колхозе «Боль­шевик» и на территории Курской областной сельскохозяйственной опыт­ной станции (Адерихин, Иванов, 1972).

Принимая V_кп > V_еп, из выражения (3) следует, что с увеличением времени сельскохозяйственного использования мощность гумусового го­ризонта почв в равнинных условиях будет больше по отношению к ана­логичным целинным почвам. Последнее имеет важное научное и прак­тическое значение. Зная изменение, мощности гумусового горизонта почв (_∆Н) между целинными и используемыми черноземами, за известный интервал времени (t_к) можно определить скорость культурного почво­образования (V_кп) по формуле (5)

(5)

Например, скорость культурного почвообразования, основанная на из­менении мощности гумусового горизонта почв и их физико-химических свойств, по профилю почвы для чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого Курской с.-х. опытной станции, по нашим экспериментальным данным равна ≈5-6 т/га в год.

Скорость естественного почвообразования может быть определена отношением мощности гумусового горизонта целинных (естественных) черноземов (Н_е) к абсолютному возрасту почв (t_е), т. е.

(6)

Видимо, необходимо условиться о целесообразности совершенно четкого разграничения двух принципиально различных понятий, которыми являются скорости естественного и культурного поч­вообразования. Часто, когда говорят о скорости почвообразования, трудно понять, о какой скорости идет речь – естественной или культур­ной, или же о той и другой одновременно, что едва ли совместимо.

Рассмотрим более внимательно выражение (4), характеризующее изменение современной мощности гумусового горизонта почв на пахот­ных склонах, которое одновременно является и теоретическим обосно­ванием границы динамического равновесия между эрозией почв и ско­ростью культурного почвообразования в самой верхней приводораздельной части склона. Ранее мы уже отмечали, что скорость (интенсив­ность) естественной эрозии на склонах при наличии сплошного расти­тельного покрова стремится к нулю, а в самой верхней его части V_еэ = 0. Поэтому применительно к верхней части склона выражение (4) можно записать таким образом:

H_c =V_eп t_e +(V_кп –V_уэ)t_k . (7)

Если левое слагаемое (V_eп t_e) представляет естественную (первоздан­ную) мощность гумусового горизонта почв на склонах до начала их ин­тенсивного сельскохозяйственного освоения, то второе (правое) слагае­мое представляет разность между скоростью культурного почвообразо­вания, которая для данной почвы и соответствующих одинаковых усло­вий является величиной постоянной (V_кп =const), и интенсивностью уско­ренной эрозии почв (V_уэ), которая является переменной величиной. При этом интенсивность эрозии почв будет возрастать пропорционально энергии стекающей массы талых вод с увеличением длины и крутизны линии стока (Рожков, Иванов, 1973) от нуля до какой-то определенной величины. Фактиче­ски же дело обстоит сложнее.

Начальный процесс формирования поверхностного стока талых вод и смыва почв со склонов можно представить в виде нескольких стадий. На выровненных пахотных зем­лях с небольшими блюдцеобразными микропонижениями (водо­раздельное плато) сток талых вод и смыв почвы практически отсут­ствуют. Но так как процесс эрозии почв разви­вается постепенно и последовательно в пространстве и во времени, то каждая из этих стадий характеризуется территориальной зоной, внут­ри которой будут происходить соответствующие изменения.

Первая стадия процесса эрозии почв характеризуется на­чалом формирования поверхностного стока талых вод и устойчивого ми­нимального смыва почв. Началом формирования поверхностного стока является наличие даже незначительного одностороннего уклона в сто­рону основного падения склона. Конечной фазой процесса является со­стояние, когда энергия движущейся воды по склону достигнет критиче­ских значений, превышающих способность почвы противостоять разру­шающему действию стекающей воды. Для первой стадии характерно от­сутствие или же наличие минимального смыва почв. Ее можно характе­ризовать также зоной отсутствия эрозии. Если для условий ливневой эрозии выделение такой зоны, исходя из практических соображений, не­целесообразно (Швебс, 1981), то для условий стока талых вод при наличии снеж­ного покрова, выполняющего также определенную почвозащитную функ­цию, выделение такой зоны необходимо. Нижнюю границу зоны отсут­ствия эрозии можно определить по критическим скоростям потоков в микроручейковой сети или же по мутности стекающей воды, что и опре­деляет устойчивость данной почвы к водной эрозии. Этим как раз и объясняется наличие на приводораздельных склонах несмытых почв.

Вторая стадия процесса эрозии почв характеризуется ее компенсаци­ей скоростью культурного почвообразования. Ее можно охарактеризо­вать зоной компенсируемой эрозии. Нижняя граница ее может быть определена по изменению мощности гумусового горизонта почв на склонах, по интенсивности смыва почв или же по длине линии стока при соответствующих значениях крутизны и превышения в верхней приводораздельной части склона. При этом следует иметь в виду, что в среднем для компенсируемой зоны скорость почвообразования в 2 раза выше скорости эрозии почв; последняя равна ≈2 т/га в год.

Третья стадия процесса эрозии почв характеризуется некомпенси­руемыми потерями и представляет собой зону некомпенсируемой эро­зии почв. Ее нижними границами являются гидрографическая сеть и различного рода искусственные или естественные преграды. Ее целесо­образно классифицировать более подробно в соответствии со шкалой интенсивности смыва почв: до 5; 5-12; 12-20; и более 20 т/га (Иванов и др., 1983).

Мы подробно рассмотрели три стадии процесса эрозии не только для углубленного понимания сущности самого процесса, но и для того, что­бы получить более отчетливое представление о зоне компенсируемой (возобновляемой) эрозии. Из уравнения (7) следует, что современная мощность гумусового горизонта почв на пахотных склонах внутри са­мой зоны будет практически равна естественной мощности при условии, если V_кп>V_уэ. Можно записать, что при V_кп>V_уэ → Н_с>Н_е.

В случае, если скорость культурного почвообразования будет меньше интенсивности ускоренной эрозии, то современная мощность гумусового горизонта почв будет меньше естественной (исходной), т. е. При V_кп<V_уэ → Н_с<Н_е. И, наконец, при V_кп=V_уэ → Н_с=Н_е.

Последнее выражение представляет состояние динамического равно­весия между ускоренной эрозией почв и скоростью культурного почво­образования в верхней части пахотных склонов, имеющее, по нашему мнению, важное научное и практическое значение, что и послужило основой выполнения специальных исследований.