6.3. Теоретическое и экспериментальное обоснование показателей противоэрозионной стойкости и эродируемости почв

Интенсивность плоскостного смыва почв и линейного размыва почвогрунтов талыми и ливневыми водами на склонах при прочих равных условиях в значительной степени определяется их свойствами по отно­шению к воде. В этом направлении проведены многочисленные исследо­вания, однако многие вопросы до настоящего времени остаются недоста­точно выясненными и нуждаются в дальнейшем уточнении и конкрети­зации.

В оценке свойств почв, характеризующих их отношение к водной эро­зии, существуют различные методические подходы. Так, метод Виленского основан на разрушении почвенных агрегатов падающими каплями воды, метод Андрианова–Качинского учитывает скорость расплывания комков в неподвижной воде, метод Саввинова позволяет учитывать ко­личество водопрочных агрегатов путем просеивания их в воде через сито; на этом же принципе основаны его модификации – вариант Вершинина и Ревута и вариант Бакшеева. Все эти методы позволяют производить количественную оценку водопрочности почвенных агрегатов, на основа­нии которой судят об устойчивости почв к водной эрозии.

Некоторые исследователи (Дегтяренко, 1975; Слободяник, 1977) водопрочность почвенных агрега­тов отождествляют с понятием противоэрозионной устойчивости почв и о последней судят по прямым показателям определения водопрочности агрегатов. Такой подход является упрощенным и сравнительно условным. К оценке противоэрозионной устойчивости почв с использова­нием методов Виленского и Андрианова–Качинского можно подойти лишь с учетом удельного веса структурных агрегатов определенного размера, на что совершенно справедливо указывал М.Н. Заславский (1979). Сознавая это, другие исследователи (Бураковская, 1961; Джанпеисов, 1970; Попова,1967) наряду с использованием методов Виленского и Андрианова – Качинского для объективного суждения об устойчивости почв к водной эрозии использовали дополни­тельные методы, например, метод С.С.Соболева и С.И.Пономаревой (1945), метод Саввинова или же проводили определение смыва почв в эрозионных ги­дролотках (Захаров, Дегтяренко, 1938; Воронин, Кузнецов, 1970; Григорьев, Кузнецов, 1974; Кузнецов, 1981; Иванов, Косцов, 1983).

Известны и другие способы определения устойчивости почв к водной эрозии. Эрозионную прочность почв оценивают путем размыва струёй воды образца почвы, заключенного в трубку (Бастраков, 1972). О противоэрозионной устойчивости почв в идентичных условиях судят по величине ее смыва (Бурыкин, Сулима, 1973; Сулима, 1976). Пытались оп­ределять ее в динамике с учетом характера проективного покрытия, энер­гии осадков и свойств почв (Агаев, Магеррамов, I976). Предлагалось характеризовать показа­тель смываемости почв (Вознесенский, Арцруни, 1938) на основе учета дисперсности и агрегатности почв, химического состава (Джанпеисов, 1970; Попова, 1967).

Важной характеристикой устойчивости почв к водной эрозии являет­ся определение критических неразмывающих скоростей потоков воды (Мирцхулава, 1970; Кузнецов, Иорганский, 1979). К сожалению, из-за исключительной динамичности скоростей движения воды в изменчивой макро- и микроручейковой сети на пахот­ных склонах и ряда других причин указанный метод не нашел практиче­ского применения в прогнозах плоскостной эрозии. Характеризуют ус­тойчивость почв к водной эрозии и по величинам смыва почв на стоковых площадках непосредственно в природных условиях или же с применени­ем методов искусственного дождевания. Известны также и другие мето­ды оценки устойчивости почв к водной эрозии. Например, устойчивость почв к эрозии предлагалось характеризовать их водопроницаемостью (Бурыкин, 1971; Назаров, 1974). Предлагалось также характеризовать удельный смыв почвы так называемым эрозионным коэффициентом, представляющим собой коли­чество смытой почвы на единицу крутизны и слоя жидкого стока (Поляков, 1948; Кузник, 1962; Фролов, 1964) и т. д. Предпринималась попытка и с нашей стороны охарактеризовать показатели эродируемости почв (Иванов, 1975; 1978) и устойчивости почв к водной эро­зии (Иванов, Косцов, 1983).

Однако отсутствие единого системного подхода к оценке свойств почв, характеризующих их отноше­ние к водной эрозии, и многообразие различных методов породило множество терминов, харак­теризующих, казалось бы, одно и то же их свойство. Их можно разде­лить на две группы. Термины «противоэрозионная устойчивость», «противоэрозионная стойкость», «устойчивость почв к эрозия», «сопротивляе­мость смыву», «устойчивость против смыва» и т.д. характеризуют раз­личную способность почв противостоять разрушающему воздействию во­ды. Терминами «эродируемость почв», «податливость смыву», «эрозион­ная неустойчивость», «смываемость», «способность к смыву», «удельный смыв почвы» и т. д. характеризуется как бы свойство почв, противопо­ложное их устойчивости к водной эрозии. В дальнейшем для краткости мы будем пользоваться термином «противоэрозионная устойчивость (стойкость) почв», который рекомендует М.Н.Заславский (1979) и термином «эродируемость (смываемость) почв», которым широко пользовался В.Б.Гуссак (1959).

Иногда между этими понятиями не проводится какой-либо резкой грани и нередко о противоэрозионной стойкости почв судят на основе показателей эродируемости почв и, наоборот, об эродируемости почв су­дят на основе показателей, характеризующих противоэрозионную стой­кость. Часто они отождествляются между собой, противопоставляются друг другу или же сравниваются, относительно чего на соответствующих форумах, порой, разгораются страстные дискуссии, причиной которых является, по нашему мнению, неупорядоченность и отсутствие четких оп­ределений терминов, раскрывающих физическую сущность и целевое назначение каждого из них.

Исходя из представлений о том, что водная эрозия есть результат совокупного взаимодействия гидрометеорологического, геоморфологиче­ского, почвенного, растительного и антропогенного факторов в динамич­ных природных условиях, наибольший практический интерес представ­ляют такие интегральные показатели эродируемости почв, которые отра­жали бы эти внешние условия, и в первую очередь наиболее динамичный гидрометеорологический фактор. Так как гидрометеорологический и гео­морфологический факторы определяют меру энергетического воздейст­вия воды на почву и реальную величину ее смыва с конкретных склонов, то применительно к условиям стока талых вод нами было предложено (Иванов, 1975; 1978) определять показатель эродируемости почв отношением количе­ства смытой почвы с единицы площади к работе стекающей массы воды с этой же площади, с использованием материалов наблюдений на сто­ковых площадках в естественных природных условиях по формуле

,

где Q – показатель эродируемости почв, г/Дж; Р – вес смытой почвы с единицы площади, г; т – объем (масса) сточной воды с этой же площа­ди, л (кг); g – ускорение силы тяжести, 9,8 м/с²; L – длина линии стока, м; α – крутизна склона в градусах.

Отличительные особенности и преимущества изложенного метода в определении показателя эродируемости почв состоят в следующем. Во-первых, в его основу заложен совершенно ясный физи­ческий (энергетический) смысл. Во-вторых, данный подход позволяет систематизировать уже накопленный сравнительно разнород­ный экспериментальный материал наблюдений на стоковых площадках в естественных условиях, с различной длиной, крутизной склона и мас­сой стекающей воды с единицы площади. В-третьих, в этом показателе находят свое интегральное зональное отражение такие гидрометеороло­гические условия, как величина поверхностного стока, динамика влаж­ности и температуры почв, формирование снежного покрова, интенсив­ность водоотдачи (снеготаяния), влияние ледяной корки и водопроницае­мости почв, почвозащитная функция снежного покрова и т. д. В-четвер­тых, с помощью этого показателя возможен переход в расчетах смыва почв от модельных стоковых площадок на склонах к элементарным водосборам через средневзвешенные длину линии стока и уклон с учетом других его особенностей – формы, экспозиции, защищенности и т. д. Ана­логичный подход в определении показателей эродируемости почв имеет место и в работах американских исследователей (Wischmeier, Mannering, 1969).

В связи с изложенным представляется перспективным придать термину «эродируемость почв» экологическую направленность, максималь­но отражающую природные условия внешней среды. Эродируемость (смываемость) почв – реальная способность ее агрегатов и элементар­ных частиц под действием энергии движущейся воды отделяться от об­щей почвенной массы, переходить в растворимое, взвешенное или вле­комое состояние и перемещаться вместе с водой вниз по склону в кон­кретных естественных условиях. Данное определение в равной мере от­носится и к условиям ливневой эрозии с той лишь разницей, что при определении показателя эродируемости почв может быть принята такая мера энергетического воздействия дождя, с которой достигается наилуч­шая корреляционная связь с фактическими показателями смыва почв со склонов.

Противоэрозионная стойкость почв обусловлена сугубо специфиче­ским внутренним содержанием и свойствами составных ее компонентов в их совокупной взаимосвязи, которая может существенно изменяться под влиянием внешней среды. Противоэрозионная стойкость почв отражает ее потенциальную возможность (способ­ность) противостоять или смываться под воздействием энергии движущей­ся воды, которая может быть определена путем имитации процесса эрозии в стандартных искусственных условиях внешней среды и исполь­зована для сравнительной характеристики между собой различных почв, а так же как один из показателей в расчетах интенсивности смыва почв. В данном случае о противоэрозионной стойкости почв можно судить на основе прямых или косвенных показателей – свойств почв, мутности или скорости потока, величины смыва почв и т. д.

При таком определении противоэрозионной стойкости допускается утверждение о том, что чем выше противоэрози­онная стойкость почв, тем ниже их потенциальная способность смывать­ся и наоборот. Однако совершенно недопустимо сравнивать, противопо­ставлять или отождествлять между собой понятия и показатели противоэрозионной стойкости и эродируемости почв. В этом, пожалуй, и за­ключается основная причина их различия.

Противоэрозионная стойкость (устойчивость) почв характеризуется потенциальной способностью противостоять энергетическому воздейст­вию движущейся воды в стандартных искусственных условиях внешней среды, имитирующих процесс водной эрозии, определяется внутренней природой самих почв и выражается показателями количества смытой почвы, приходящейся на единицу энергии воды, а также отражающими их физико-химическую природу и косвенно через критические скорости потоков, мутность, величину смыва и т.д. Абсолютные показатели противоэрозионной стойкости почв используют для их сравнительной харак­теристики между собой, а их относительные значения – в расчетах смы­ва почв в качестве поправочных коэффициентов к показателю эродируемости почв.

Опытами на эрозионном гидролотке нами показана принципиальная возможность характеризовать противоэрозионную стойкость физико-хи­мическими свойствами пахотного слоя почв (Иванов, Косцов, 1983) через интегральный по­казатель, учитывающий эти свойства, который определяется по формуле

Р = (0,01 МС + 10К + К_ск) – (Н + R₂O₃),

где Р – комплексный (интегральный) относительный показатель, харак­теризующий противоэрозионную стойкость пахотного слоя почв; М – со­держание микроагрегатов размером >0,01 мм, %; С – степень насыщен­ности почв основаниями, %; К – относительный гранулометрический по­казатель структурности почв по Вадюниной, представляющий отноше­ние суммарного содержания ила и мелкой пыли к количеству средней и крупной пыли при гранулометрическом анализе почв; К_ск – содержа­ние диспергирующих солей или свободных карбонатов засоленных и кар­бонатных почв с соответствующими коэффициентами при них (К), Н – содержание гумуса, %; R₂O₃ - суммарное содержание полуторных окис­лов (А1₂О₃+Fе₂О₃), %.

Между комплексными показателями противоэрозионной стойкости почв и величинами смыва почв в эрозионном гидролотке нами выявлена доста­точно надежная корреляционная связь. Ее относительные значения мо­гут быть использованы в качестве вспомогательных относительных ха­рактеристик к основным показателям эродируемости почв на уровне ре­гиональных типов или подтипов в расчетах интенсивности плоскостного смыва.

Рассмотрим результаты обобщенных экспериментальных данных [16] для определения эродируемости почв по материалам наблюдений за стоком талых вод и смывом почвы с зяби на временных стоковых пло­щадках в естественных условиях внешней среды по их основным типам (табл. 1) и подтипам (табл. 2). Показатели эродируемости почв возра­стают с севера на юг в соответствии с широтным (зональным) их рас­пределением от дерново-сильноподзолистых до светло-каштановых почв. Однако из этого вовсе не следует вывод о том, что противоэрозионная устойчивость почв возрастает в обратном на­правлении – с юга на север.

Закономерность увеличения или уменьшения эродируемости почв в широтном направлении обусловлена главным образом влиянием гидро­метеорологического фактора, имеющего по основным показателям (ра­диация, температура, осадки, снегонакопление, интенсивность снеготая­ния, величина поверхностного стока и т. д.) четко выраженную широт­ную изменчивость. Характер широтного изменения эродируемости почв объясняется также условиями формирования стока воды и смыва почв и методическими особенностями определения показателя эродируемо­сти почв.

Табл. 1. Показатели эродируемости почв на зяби за время весеннего паводка

Тип почвы	Гранулометрический состав	Q, г/Дж	Кол-во стоковых площадок	Ошибка средней	Точность определения, %
Дерново-подзоли­стые	Средне- и легкосуглини­стые	0,10	110	0,03	12
Серые лесные	Среднесуглинистые	0,34	418	0,03	9
Черноземные	Тяжелосуглинистые	0,89	354	0,08	9
Каштановые	Легкосуглинистые	1,32	84	0,15	11

Так, снегонакопление и запасы воды в снеге перед началом снеготая­ния возрастают с юга на север, а интенсивность снеготаяния – с севера на юг. В южном направлении уменьшается величина поверхностного склонового стока талых вод (Рязанцев, 1981). Следует иметь также в виду, что мут­ность стекающих талых вод со склонов резко возрастает с момента по­явления проталин.

Табл.2. Средние показатели эродируемости почв на зяби за время весеннего