close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Автономов Валерий Алексеевич. Применение дистанционных и полевых методов при изучении антропогенного преобразования склонов

код для вставки
АННОТАЦИЯ
Объем работы 92 стр. В том числе иллюстраций 38, таблиц 2 использованных
источников 47.
Ключевые слова: цезий-137, эрозия, смыв, космический снимок, радиоцезиевый
метод, ручьи, колеи, экспериментальный участок.
Объект исследования – ручьи антропогенного происхождения. Предмет
исследования – эрозионная активность ручьев антропогенного происхождения. Цель
исследования – количественно оценить смыв почвы в ручьях, сформировавшихся
вдоль колей от автотранспорта. Задачи исследования: провести радиологический
анализ почвы в колеях, выявить влияние экспозиции склона на эрозионную активность
ручьев антропогенного происхождения (сформировавшихся в колеях). Выявлено: на
склоне южной экспозиции смыв почвы в тальвеге ручья, сформировавшегося в колее
весной 2017 года, в 50% случаев превысил 17 т/га год. На склоне северной экспозиции
смыв почвы в тальвеге ручья превысил 17 т/га год лишь в 24% случаев. На склоне
северной экспозиции величина смыва почвы в тальвеге ручья, приуроченного к колее,
меньше, чем на рядом расположенной ненарушенной
поверхности. Причина: в
условиях постепенного таяния снега на склоне северной экспозиции почва
«оплывает», и в днище колеи формируются локальные «островки» намытой почвы.
Теоретическое значение и новизна исследования: впервые было обнаружено и
объяснено явление снижения смыва почвы (на склоне северной экспозиции) в тальвеге
ручья, сформировавшегося в колее от автотранспорта по сравнению с рядом
расположенной
ненарушенной
необходимости
проведения
поверхностью
дополнительных
склона.
Сделано
крупномасштабных
заключение
о
исследований
эрозионной деятельности эрозионных форм на распахиваемых склонах. Практическое
значение исследования состоит в том, что позволяет давать рекомендации по учету в
расчетах смыва почвы на распахиваемых склонах той части смыва почвы, которая
формируется в пределах природно-антропогенных эрозионных форм.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………………..3
Глава 1 Дистанционные методы при изучении почв……………………..…5
Глава 2 Радиоцезиевый метод изучения смыва почвы…………………….31
2.1. Радиоцезиевый метод и его возможности для изучения
смыва почвы за конкретное эрозионное событие…………...………46
Глава 3 Природно-антропогенные формы рельефа и их роль в смыве почвы (на
примере экспериментального участка)………………………………....59
Заключение……………………………………………………………………84
Список литературы…………………………………………………..……….86
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях меняющегося увлажнения, когда зимний сезон на
Европейской
равнине
характеризуется
чередованием
морозных
периодов
и
оттепельных, изменяется и роль эрозионных форм, участвующих в преобразовании
рельефа распахиваемых склонов. По-прежнему основными артериями стока и путями
смыва почвы на полях выступают ложбины. Однако, наряду с древними ложбинами
стока, в эрозионный процесс вовлекаются и эрозионные формы антропогенного
происхождения. Знать роль эрозионных форм антропогенного происхождения в смыве
плодородного слоя почвы необходимо для правильного (сбалансированного) ведения
хозяйственной деятельности на распахиваемых землях.
Объект исследования – ручьи антропогенного происхождения. Предмет
исследования – эрозионная активность ручьев антропогенного происхождения.
Цель настоящей работы – установить величину смыва почвы в элементах
эрозионной сети антропогенного происхождения и сравнить эту величину со смывом
почвы на ненарушенной склоновой поверхности.
Для достижения цели в настоящей работе были поставлены и решены три
основные задачи. Первая - исследовать (с помощью дистанционных методов) степень
постоянства современных ручьев, обязанных своим происхождением колеям от
автотранспорта. Вторая – оценить с помощью радиоцезиевого метода смыв в тальвегах
ручьев, сформированных весной в колеях от автотранспорта и дать оценку
интенсивности эрозионной деятельности ручьев по сравнению с ненарушенной
поверхностью распахиваемого склона. Третья – оценить влияние экспозиции на
величину смыва почвы в колеях от автотранспорта.
Основные
методы
исследования
–
полевые
визуальные
наблюдения,
дистанционные методы, радиоцезиевый метод, статистические методы, ГИС -анализ.
Теоретическое значение исследования заключается в том, что впервые для
исследуемых серых лесных почв распахиваемых склонов в бассейне верхней Оки была
поставлена и решена задача сравнения смыва почвы (рассчитанного радиоцезиевым
методом) в колеях от автотранспорта и на рядом расположенной ненарушенной
поверхности распахиваемого склона. Также впервые для изучаемой территории
проведено исследование влияния экспозиции склона на смыв почвы в колеях от
автотранспорта. Практическое значение исследования состоит в том, что позволит дать
предварительные рекомендации по учету в расчетах смыва почвы на распахиваемых
склонах той его части, которая формируется в пределах эрозионных форм природноантропогенного происхождения.
ГЛАВА 1 ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПОЧВ
Применение аэрокосмических методов
Использование аэрокосмических снимков значительно облегчает почвенное
картографирование, делает его существенно более детальным. Работы по составлению
почвенно-эрозионных карт на основе аэрокосмических снимков проводят, как правило,
в три этапа. На первом, предполевом этапе исследователи собирают и анализируют
литературные и картографические материалы, а также анализируют материалы аэро или космической съемки для изучаемой территории. В результате этих работ
выбирают ключевые участки для полевых исследований. На втором, полевом, этапе,
составляются подробные почвенно-эрозионные карты ключевых (опорных) участков.
На третьем этапе - формируются таблицы и картотеки дешифровочных признаков. На
основе этих признаков и составлеются методом экстраполяции почвенно-эрозионная
карта.
Согласно теории стратиграфии, к дешифровочиым признакам объекта относятся
следующие: форма, размер, тон (цвет), рисунок (текстура) изображения и др.
(Андроников, 1979. Методические рекомендации, 1986) [5, 42]. На снимках временная
ручейковая сеть, овраги, участки смытых почв имеют плавные извилистые формы.
Гидротехнические противоэрозионные сооружения (террасы, водозадерживающие
валы, лотки для сброса воды) и лесополосы на снимках видны как прямолинейные
участки, сопряженные плавными кривыми. Размеры отображаемых на снимках
объектов, зависят, главным образом, от масштаба съемки и отражательной
способности их поверхности. Возможности дешифрирования этих объектов зависят от
разрешающей способности сетчатки человеческого глаза. Она составляет примерно 0,1
мм. Податливость почвенного покрова эрозии четко выявляется по цвету (тону) и
рисунку изображения. Дефлированные (подверженные ветровой эрозии) почвы имеют
более светлый тон, для них характерны развитые микроформы эолового рельефа.
Смытые почвы представлены на снимках также в более светлых тонах, а намытые - в
темных (рис.1.1).
Рис.1.1. Днища ложбин темные (намытые почвы), микроводоразделы между
ложбинами – светлые (смытые почвы)
С увеличением степени смытости тон снимка, как правило, становится более
светлым, однако слабосмытые почвы визуально практически невозможно отличить от
несмытых. Для установления мощности гумусового горизонта используют графики
связи оптической плотности аэронегатива и мощности гумусового горизонта.
Оптическую плотность аэронегатива устанавливают микрофотометрированием, а
мощность гумусового горизонта определяют непосредственным измерением в
полевых условиях. В настоящее время по имеющимся графикам связи можно
различать маломощные, средне- и сильносмытые почвы с мощностью гумусового
горизонта 30-40 см (в зависимости от типа почвы) и несмьггые и слабосмытые почвы с
мощностью гумусового горизонта более 50 см.
Эродированные и дефлированные почвы на снимке как правило имеют
пятнистую текстуру. Дополнительным дешифровочным признаком смытых почв
является приуроченность их к достаточно крутым участкам склонов, которые легко
выделяются при стереоскопическом изучении снимков или при наложении на снимок
топографической карты (рис.1.2).
Рис. 1.2. Участки с вероятным распространением смытых почв расположены в
пределах склона с крутизной 4-5 градусов. Они изображены на космическом снимке
светлым цветом. Желтые пунсоны показывают на точки, в которых удельная
активность цезия-137 низка (менее 100 Бк/кг при фоновой активности около 180 Бк/кг)
По данным аэрофотосъемки в ряде случаев можно не только определить степень
смытости почвы, но и величину смытого материала. Если мутность временных водных
потоков во время снеготаяния весной превышала 20-100 кг/м3, то значения
коэффициентов интегральной яркости изображений сформированных ими русел и
конусов выноса обычно выше, чем у почв склона без конусов выноса. Такие русла и
конусы выноса достаточно легко опознаются на аэрофотоснимках. Если мощность
отложений составляет 0,2-0,3 м то по аэрофотоснимкам такая мощность как правило
стереоскопически не воспринимается. Ее необходимо определять в полевых условиях
на
характерных
конусах
выноса,
или
по
материалам
наземной
стереофотограмметрической съемки.
Данные аэрофотоснимков вместе с данными наземных обследований можно
использовать не только для определения степени смытости почв или для определения
количества смытого материала, но и для выявления зон активной эрозии. Особенно
ценными такие снимки являются для целей размещения защитных полос лесных
насаждений,
а
также
для
размещения
противоэрозионных
гидротехнических
сооружений.
На аэрофотоснимках хорошо видны также овраги, можно даже различить тадию
их развития. Промоины дешифрируются как правило по более светлой окраске и
вытянутой форме. Стадия врезания висячего оврага дешифрируется как правило по
извилистой, четко очерченной линии бровки оврага и более светлой окраске склонов
по сравнению с прилегающими участками. Для стадии выработки продольного
профиля равновесия оврага характерна несколько более темная окраска склонов и
меньшая их крутизна, которая хорошо воспринимаемая стереоскопически. Стадия
затухания роста оврага выделяется как правило по более плавной, чем в предыдущих
стадиях
развития
оврага,
линии
бровки,
большей
ее
ширине
и
наличию
растительности, которая придает более темный фон изображению откосов и дна
оврага.
По аэрофотоснимкам, полученным в разные периоды, можно судить о скорости
роста оврагов и датировке тектонических событий. Для этого на аэрофотоснимке
вблизи оврага выбирают как правило четко выделяющиеся опорные точки (это могут
быть пересечение дорог, дома, отдельно стоящие деревья и др.). Прирост оврага
определяют, как правило, измеряя расстояние между положением вершины оврага при
первой и последующей аэрофотосъемках. Разделив прирост оврага на длительность
периода (время) между съемками, получают скорость роста оврага. Следует однако
иметь в виду, что короткие овраги не всегда видны на космических снимках.
Например,
на
космических
снимках
масштаба
1:30000
достоверно
можно
дешифрировать овраги, длина которых превышает 30-40 м, а на снимках масштаба
1:100000 -100 м (Рожков и др., 1987) [5, 42].
Дешифрирование открытых почв по прямым признакам
Прямые дешифровочные признаки почв
Различные почвы могут распознаваться по космическим снимкам по прямым
дешифровочным признакам отнюдь не всегда, а только лишь на распаханных землях или
полях со всходами зерновых и пропашных культур высотой не более 10-20 см, а также на
слабо покрытых растительностью территориях (при проективном покрытии территории до
10-15%). Однако (это надо иметь в виду) на снимках находит отображение лишь верхний
горизонт почвы, а на его изображение (вид) в момент съемки сильное влияние оказывает
состояние почвы, прежде всего ее влажность. Это (влажность, в частности) осложняет
определение типов, подтипов и разновидностей почв по прямым признакам даже в тех
случаях, когда на снимках изображаются распаханные земли.
Поверхностные горизонты различных почв (что естественно) могут отличаться по
окраске, структуре, характеру поверхности, механическому составу, влажности. Структура
и характер поверхности, которые могут находить отображение на крупномасштабных
аэроснимках, на космических снимках, как правило (ввиду большой их генерализованности),
не проявляются.
Специфическая окраска большинства типов почв нашла отражение и в их названиях.
Это — серые лесные, черноземы, каштановые, буроземы и т.п. Поэтому окраска
поверхностного горизонта почв, которая отображается на аэрофотоснимках, может служить
основным (прямым) дешифровочным признаком определенного типа почв. Однако из
космоса редко получают снимки с естественной цветопередачей, ввиду чего реальный цвет
почв (в этом случае) теряет диагностическое значение, а основное значение приобретает
яркость, тон изображения почв. Тон изображения разных почв на панхроматических
снимках может меняться от белого при изображении сухих солончаков и песков и почти
белого тона пустынных почв — серо-бурых, сероземов, до почти черного тона
изображения черноземных почв.
На черно-белых снимках тон изображения почв определяется их отражательной
способностью.
Отражательная
способность
почв
в
свою
очередь
зависит
от
минералогического и органического состава почв. Как указывалось выше, гумусовые
вещества, а также окислы железа снижают общую яркость почв, а вот кремнезем, карбонаты
и хлориды увеличивают яркость. Именно поэтому черноземы, которые отличаются
большим содержанием гумуса, изображаются на снимках темными тонами, а солончаки
из-за выцветов легко растворимых солей (это могут быть хлориды, сульфаты) — очень
светлыми. Поскольку в большинстве случаев яркость изображения почв на снимках
зависит от содержания гумуса в поверхностном слое почвы, то по этому признаку
различаются почвы с разным процентным содержанием гумуса (в пределах от 0,5 до 6%).
Кривые спектральной яркости почв образуют своеобразный «веер». Наиболее четко по тону
(цвету) изображения разделяются почвы южной части лесной, лесостепной и северной
части степной зон. Эти почвы к тому же чаще отображаются на снимках в распаханном
виде. Четко по тону изображения разделяются также почвы сухостепной и полупустынной
зон. Для черноземов типичных и обыкновенных характерен темно-серый, почти черный
тон. Каштановые почвы и темно-серые, а также серые, светло-серые лесные
изображаются серым и светло-серым тоном. Солончаки изображаются ярким светлым
тоном. Подробная характеристика тона изображения почв степной зоны приведена в
таблице 1.1 Примером района, где как бы происходит сочленение лесной, лесостепной и
степной зон, может быть район в Центральном Татарстане. На весеннем снимке этой
территории с уже распаханными, но еще не занятыми посевами полями, различаются по
яркости изображения такие типы почв, как дерново-подзолистые, а также темно-серые,
серые лесные и черноземы.
На спектральную яркость почв влияет содержание в почвах окислов железа, гумуса,
а также гуматный состав гумуса. Это важно учитывать при применении наиболее
распространенных в космических исследованиях многозональных снимков. Для работы с
этими снимками необходимо знать спектральную отражательную способность почв.
На тон изображения почв на снимках влияет и влажность почв. Тон изображения
влажных почв в два-три раза темнее тона изображения сухих почв. В отдельных случаях
это помогает определить определенные типы почв. Например, в пределах лесной дерновоподзолистой зоны дерново-подзолистые почвы отличаются по тону от дерновоподзолисто-глеевых почв. Дерново-подзолистые почвы изображаются светлыми, светлосерыми тонами, дерново-подзолисто-глеевые — серыми. Более темная окраска дерновоподзолисто-глеевых почв обусловлена большей влажностью этих почв. Однако такое
диагностическое использование зависимости тона изображения от влажности почвы
удается достаточно редко, и в большинстве случаев влажность (как показатель состояния
почв в момент съемки) представляет собой своеобразный осложняющий фактор.
Влажность почв сама по себе может быть объектом исследования с использованием
космических снимков. В этом случае исследователя обычно интересует получение
количественных характеристик влажности.
Используются в этом случае уже не материалы съемки в видимом диапазоне, а
тепловая, микроволновая радиометрическая или радиолокационная съемки.
Из-за большой обзорности космических снимков, размер и форма почвенных
контуров, их соотношение, общий рисунок изображения становятся существенно более
значимыми признаками, чем на аэрофотоснимках. Существенно большие размеры
почвенных контуров, а также преобладающее распространение их характерны для
зональных почвенных типов, а существенно меньшие размеры характкрны для
разновидностей почв, обусловленных особыми условиями увлажнения, изменением
литологической
основы.
Размер
почвенных
контуров
является
признаком
дешифрирования разновидностей почв и в случаях, когда анализируемая почва
приурочена к определенным формам рельефа. Например, в пределах северного
Прикаспия (на общем фоне зональных светло-каштановых почв) выделяются луговые
почвы (осолоделые) закрытых лиманов. Они имеют крупные контуры. Выделяются и
лугово-каштановые почвы западин, которые приурочены к небольшим понижениям.
Таблица 1.1
Тон изображения основных почв степной зоны на черно-белых панхроматических
снимках (по Андроникову, 1979) [5]
Тон
Почвы
изображения
Белый
Солончаки с солевой коркой на поверхности почвы
Почти
белый
Солончаки корковые и мелкие при вспашке солонцового
горизонта;
солоди
при
вспашке
осолоделого
горизонта;
карбонатные перерытые черноземы и перерытые каштановые
Светлосерый
почвы
(сурчины); сильно эродированные черноземы и
Солонцы средние и глубокие при вспашке солонцового
горизонта; черноземы, а также каштановые эродированные
почвы; черноземы и каштановые песчаные, а также супесчаные
Серый
почвы; черноземы, а также каштановые маломощные щебнистые
Каштановые и светло-каштановые суглинистые почвы;
черноземы карбонатные высоковскипающие, а также остаточнокарбонатные;
Темносерый
черноземы
и
темно-каштановые
слабоэродированные почвы; лугово-черноземные, а также
Черноземы оподзоленные, а также выщелоченные,
типичные, обыкновенные, южные; темно-каштановые; луговоболотные; аллювиальные влажно-луговые, а также лугово-
Почти
черный
Черный
болотные при покрытии их влажной луговой растительностью
Лугово-черноземные, а также и лугово-каштановые почвы
ложбин и западин при их распашке
Черноземно-луговые, луговые почвы западин, а также
аллювиально-луговые
темноцветные
почвы
тяжелого
механического состава при их распашке
Одним из признаков определенных разновидностей почв служит и форма
почвенных контуров. Зональные почвы, как правило, не имеют характерной формы
контуров. Однако внутризональные разновидности почв, связанные с особенностями
рельефа, увлажнения, зачастую характеризуются специфической формой. Например, в
пределах зоны дерново-подзолистых почв встречаются характерные контуры болотных
почв. Они имеют округлую, овальную или продолговатую (вытянутую по логам)
форму. В зоне обыкновенных черноземов нередко отмечаются длинные извилистые
контуры лугово-черноземных почв (по днищам балок). Внутризональные варианты
почв, которые различаются по форме контуров, идентифицируются на космических
снимках, на которых видно следующее. Например, на полях (в районе Цимлянского
водохранилища) на общем фоне южных черноземов четко выделяются контуры
намытых почв в эрозионных потяжинах (различимые по вытянутой извилистой
форме). Совсем другая форма (округлая) характерна для контуров переувлажненных и
засоленных почв в западинах (в просадочных понижениях).
Форма почвенных контуров (с учетом общих зональных условий) может
указывать на направление почвообразовательного процесса. Например, в гумидных
(переувлажненных) условиях круглая форма почвенных контуров чаще всего
свидетельствует о наличии (или преобладании) болотного процесса, в аридных
условиях (засушливых) — о наличии солончакового или лугово-солончакового
процесса.
Сочетание, а также закономерное повторение контуров разных размеров и формы
образуют характерный рисунок изображения, характеризующийся определенной
структурой (или текстурой). Отображение текстуры, а также структуры и рисунка на
космических снимках (особенно с их большим охватом и генерализованностью
изображения), очень выразительно. Это что делает их ценным материалом при
изучении структуры почвенного покрова.
Прямые дешифровочные признаки на космических снимках часто позволяют
давать оценку механического состава почв. Различия механического состава лучше
всего выражены у почв малогумусных и плохо
выражены — у сильно
гумусированных. Среди подзолистых и дерново-подзолистых почв почвы песчаные
отличаются очень светлым тоном изображения, почвы супесчаные отличаются
несколько более темным, а почвы суглинистые характеризуются еще более темным
тоном. Дешифровочным признаком песчаных и супесчаных каштановых почв может
быть связанное с ветровым перераспределением их поверхностного слоя, приводящее
к развитию эоловых форм, образующихся в случае распашки территории.
И все же основным (прямым) дешифровочным признаком типа почв является
тон изображения. При работе с многозональными снимками основным (прямым)
дешифровочным признаком является тон изображения на снимках в разных зонах. Его
особенно удобно анализировать при компьютерном дешифрировании. В этом случае
возможно получение «разностных» изображений. Или же выполняется классификация по
спектральным признакам.
Базовой основой сопоставительного дешифрирования является сравнение кривых
спектрального образа исследуемых объектов (графиков яркости изображения объектов
дешифрирования на ряде зональных снимков). Для приведенного выше, например, случая
песков и солончаков графики демонстрируют не обычное для почв веерообразное
расхождение кривых без их пересечения, а, наоборот, значительное расхождение в голубой
зоне, а также смыкание кривых в красной зоне. Это обусловливает эффективность
сопоставительного дешифрирования. Подобный ход кривых объясняется (в данном
случае) тем, что пески имели не обычный (желтовато-белый) цвет, а яркий красноватожелтый цвет (в натуре). Именно
поэтому кривая их спектрального образа показала
минимум в голубой, а максимум - в красной зоне.
Итак, наибольшего эффекта от сопоставительного дешифрирования почв по
прямым признакам на серии зональных снимков следует ожидать лишь в случаях
значительных цветовых различий объектов дешифрирования (почв). К сожалению, такие
случаи (как и вообще изображение открытых, не замаскированных растительностью почв)
достаточно редки.
В основном же дешифрирование осуществляется по косвенным
признакам.
Дешифрирование почв по косвенным признакам. Роль рельефа, подстилающих пород,
растительности, характера сельскохозяйственного освоения территории
Существенно более важными, чем прямые признаки дешифрирования почв,
оказываются косвенные признаки на аэроснимках и в особенности космических снимках.
Это объясняется тем, что на них отображаются факторы почвообразования — рельеф,
растительность, подстилающие породы, хозяйственная деятельность человека. Следует
сказать, что анализ факторов почвообразования по снимкам всегда полнее, чем по
топографическим картам. Причем, границы, выявляемые при этом анализе, в большинстве
случаев при осуществлении минимальной проверки оказываются границами почвенных
контуров. Дешифрирование факторов почвообразования по космическим снимкам приводит
в конечном счете к выделению ландшафтных (физико-географических) единиц.
Рельеф. Этот фактор отнесен В. В. Докучаевым к одному из пяти ведущих факторов
почвообразования. Он оказывает влияние как на формирование почвенного профиля, типа
почв, так и на пространственное устройство почвенного покрова, его структуру. Влияние
рельефа проявляется прежде всего в перераспределении солнечной энергии, а также
атмосферной влаги по земной поверхности. Именно поэтому любое изменение рельефа
влечет за собой изменение почв (в пределах определенной почвенной зоны).
Рельеф
достаточно
полно
отображается
на
материалах
аэросъемки
при
стереоскопическом изучении снимков. Возможности космических фотоснимков в этом
аспекте до последних дней были ограниченными из-за определенного соотношения высоты
и базиса съемки, который позволяет выполнять стереонаблюдения только в горных районах
при невысокой точности стереоизмерений. В последние годы начали развиваться новые
методы цифровой конвергентной съемки высокого разрешения. Они предназначены для
выполнения высокоточных стереоизмерений. Подобные космические снимки могут стать
основой для стереоскопического дешифрирования. Пока же на наиболее распространенных
космических снимках с разрешением в десятки метров рельеф дешифрируется по косвенным
признакам. А именно, по рисунку водотоков, распределению растительности, форме
изображения границ сельскохозяйственных угодий. Участки горного рельефа на снимках
выдает светотеневая мозаика. По четкости границ между освещенными и затененными
склонами судят о степени расчленения, резкости или сглаженности форм рельефа.
Для разделения равнин на наклонные, вогнутые, волнистые существенно важное
значение имеет рисунок водотоков. Косвенным признаком для распознавания наклонных
равнин является наличие параллельных друг другу водотоков, которые прослеживаются на
больших расстояниях; в этом случае направление течения водотоков указывает на общий
уклон равнины. Вогнутые равнины идентифицируются по центростремительному рисунку
водотоков. Для волнистых равнин характерен рисунок водотоков древовидного вида.
Древовидные
водотоки
позволяют
водораздельными участками.
распознавать
склоны
и
понижения
между
Гривисто-ложбинный, увалистый, грядовый рельеф изображается неоднородностью
фототона, характерным чередованием протяженных элементов. Они отражаются в
светотеневой мозаике или в распределении растительности. Такие типы рельефа на
космических снимках с высокой степенью обзорности дешифрируются лучше, чем на
аэроснимках.
Холмистый
рельеф
на
космических
снимках
характеризуется
чередованием
сравнительно небольших светлых участков, со сглаженными очертаниями, с более
Рис. 1.3. Балочный эрозионный рельеф, выявляемый на сельскохозяйственно
освоенной территории. Снимок МСУ-С/Метеор-30
темными промежутками между ними. Вершины холмов имеют обычно более светлый тон
изображения, по сравнению со склонами и впадинами, и округлую или овальную
конфигурацию. В залесенной местности вершины холмов, склоны и впадины могут
различаться по породному составу насаждений и иметь обусловленные этим различия
тона
изображения.
О
неровностях
поверхности
на
территории,
занятой
сельскохозяйственными полями, можно судить по рисунку контуров, образованных
границами полей.
Эрозионный рельеф, системы балочного расчленения нередко подчеркиваются
сельскохозяйственной освоенностью территории. На снимках среднего разрешения
(100-300 м) на фоне сетчатой структуры изображения земледельческих массивов
балочная сеть выделяется благодаря светлому бесструктурному тону изображения
склонов балок с луговой растительностью (рис. 1.3). На снимках более высокого
разрешения (30-100 м) границы полей, распахиваемых до бровок склонов, четко
оконтуривают верхние склоны и бровки балок (рис. 1.4).
Рис. 1.4
Балочная сеть в районе Калачской возвышенности. Отображается
благодаря контрасту изображения распаханных полей и естественной растительности
на склонах балок. Снимок. Фрагмент МСУ-С/Метеор-30
Особенно четко выделяется балочная сеть в весеннее и осеннее время, при
максимальной распашке полей, еще не занятых всходами, когда они по тону
изображения резко контрастируют с естественной травянистой растительностью
склонов и днищ балок или балочными лесами. Формы же овражной эрозии на
космических снимках с разрешением в десятки метров не видны, они проявляются
лишь на снимках очень высокого разрешения.
При косвенном дешифрировании почв очень существенным оказывается
возможность определения по снимкам микрорельефа, который нередко находит
хорошее отображение благодаря избыточной увлажненности западин, раннему
развитию в них всходов сельскохозяйственных культур, неравномерности густоты
всходов, появлению солевых корок. Хорошо развитый микрорельеф отображается
пятнистым или полосчатым рисунком, по характеру которого можно судить о
происхождении микрорельефа (рис.1.5). На рис. 1.5 приведен фрагмент полигональноблочного
(западинного)
экспериментального участка.
микрорельефа
на
водораздельной
поверхности
Рис. 1.5. Фрагмент полигонально-блочного (западинного) микрорельефа на
водораздельной поверхности экспериментального участка.
Причины возникновения полигонально-блочного микрорельефа
Хотя территория, на которой в настоящее время экспериментальный участок, в
поздневалдайское
похолодание
находилась
достаточно
далеко
от
края
поздневалдайского ледникового покрова, но она являлась периферийной частью его
перигляциальной зоны и подвергалась действию процессов криогенеза. Поэтому на
рассматриваемой территории, видимо, палеокриогенные грунтовые структуры в
почвах имеют небольшую мощность. Расположены они были часто, и последующая
засыпка криогенных трещин лессовидным суглинком приводила к формированию над
трещинами понижения.
Анализ
картографического
материала
и
результатов
морфологических
исследований палеокриогенных признаков в почвенных профилях на блоке и в
межблочье (которые проводились, в частности, Овчинниковым на серых лесных
почвах [1]) позволил автору утверждать, что механизм формирования полигональноблочного микрорельефа на всей территории исследования связан с криогенным
растрескиванием почвообразующих пород в поздневалдайское время. В это время, по
мнению исследователя, на бывшей дневной поверхности регулярно, через 10-20 м,
формировались определенным образом зоны скопления (сгущения) языков-клиньев, в
которые с поверхности и бортов блоков засыпался лессовидный суглинок. Понижения
поверхности практически во всех местах сгущения этих клиньев сохранились на
современной дневной поверхности. В результате на месте сгущения этих языковклиньев формировались межблочные понижения, разделяющие крупные полигоны.
Таким образом, наблюдаемый сегодня на территории экспериментального участка
полигонально-блочный микрорельеф сформировался в позднем плейстоцене (в один из
минимумов валдайского похолодания), что подтверждает его реликтовость.
Опираясь на литературный анализ автор исследования пришел к выводу, что в
среднем и позднем дриасе около 12-11 тыс. лет назад имели место рецидивы
(возвращения) палеокриогенеза, которые могли зафиксироваться в профиле и серых
лесных почв и черноземов. Наиболее сильное возвращение к палеокриогенным
условиям произошло в позднем дриасе около 11,0-10,2 тыс. лет назад, когда, как
предполагает исследователь, первые гумусированные горизонты современного
чернозема (и серых лесных почв) уже могли сформироваться. Эти горизонты и могли
подвергнуться криогенному растрескиванию в указанное похолодание.
Таким образом, как следует из приведенного анализа, снимки позволяют выявить
характер
рельефа,
определить
его
типы
и
формы.
Далее
исследователь,
дешифрирующий почвенный покров (в пределах определенной почвенной зоны),
должен, учитывая влияние рельефа на процесс почвообразования, интерпретировать
(объяснить) развитие тех или иных разновидностей почв в условиях разного увлажнения и
прогревания,
(обеспечиваемого
рельефом).
То
есть
практически
он
выполняет
индикационное пространственное прогнозирование.
Почвообразующие
дешифрирования.
растительностью,
породы
Поверхность
но
и
представляют
собой
почвообразующих
почвами.
своеобразный
пород
Непосредственное
скрыта
отображение
объект
не
на
для
только
снимках
почвообразующие породы имеют лишь в высокогорных, пустынных и крайних полярных
районах (в случае отсутствия снежного покрова). Например, сочетание осадочных пород на
поверхности африканских плато с песчаными отложениями по днищам сухих долин (сухие
долины называются вади) четко выявляется на снимках в Юго-Западной Африке. При
дешифрировании
почвообразующих
почвообразующих
пород,
пород
механический
исследователя
состав
и
границы
интересует
между
генезис
различными
встречающимися почвообразующими породами. В большинстве случаев почвообразующими
породами для равнин являются молодые четвертичные образования. Их происхождение и
развитие связано с формированием рельефа. Именно поэтому генетические категории
четвертичных отложений определяются дешифрированием соответствующих элементов
рельефа, а также их сочетаний. Многие генетические типы четвертичных отложений
(особенно характерные для горных районов) — гравитационные образования (это могут
быть оползни, оплывины, обвалы, осыпи, лавинно-селевые конусы выноса), делювиальные,
а также элювиальные отложения отображаются лишь при условии очень высокого
разрешения снимков. Такие отложения
надежно дешифрируются на материалах
аэрофотосъемки (аэрофотоснимках), но обычно весьма слабо отражаются на космических
снимках. Появление современных материалов космической съемки сверхвысокого,
субметрового
разрешения
существенно
расширяют
перспективы
использования
космических снимков для изучения подобных объектов.
Надо отметить, что хорошо отображаются на космических снимках пролювиальные
отложения. Они имеют широкое пространственное распространение в аридных районах.
Пролювиальные отложения образуются путем смыва временными потоками дисперсных
частиц из элювиальных и делювиальных толщ. Откладываются эти отложения на пологих
нижних частях склонов. Светло-серый тон изображения, а также струйчатый рисунок мелких
промоин, пересекающих контуры этих отложений (они, как правило, вытянуты вдоль
подножия склонов) обеспечивают их надежное дешифрирование.
Аллювиальные отложения крупных речных долин, то есть современные пойменные
отложения и отложения нижних надпойменных террас выделяются по характерному
«сегментному» рисунку. На рисунке чередуются светлые и темные концентрические дуговые
полосы (как бы веер). Эти полосы образованы блужданием водотоков. Такой рисунок
наиболее четко выражен на поймах, а на первых надпойменных террасах рисунок можно
сказать снивелирован. Интересно заметить, что в рельефе «веера блуждания»
морфологически могут быть и не выражены. Однако, благодаря смене увлажнения, смене
литологии (чередованию песчаных и илистых отложений) они четко выделяются на
снимках по явным различиям приуроченной к ним растительности.
Среди ледниковых отложений следует отметить конечно-моренные отложения.
Они отличаются развитием своеобразного моренного мелкохолмистого рельефа. При
этом, холмы и гряды чередуются с понижениями разного размера и формы, которые
заняты озерами, болотами. При этом образуется сложный пятнистый «кружевной»
рисунок из переплетающихся темных и светлых пятен.
Эоловые образования, которые наиболее широко распространены в пустынностепной и пустынной зонах (где пески являются основной почвообразующей породой),
дешифрируются по характерному эоловому рельефу. Этот рельеф образуется при
перевевании песков. Основные формы рельефа это наличие барханов, дюн, бугров,
гряд различных размеров. Все они ориентированы по направлению господствующих
ветров, поэтому хорошо дешифрируются по рисунку изображения. Эоловые песчаные
отложения, которые закреплены растительностью, в лесной и лесостепной зонах как
правило заняты сосновыми лесами. Сочетание песчаных бугров или дюн с борами
представляет – это один из достоверных признаков эоловых отложений в
перечисленных зонах.
Косвенные признаки дешифрирования почв, рассмотренные нами (рельеф и
почвообразующие
породы)
—
являются
по
сути
не
индикационными,
а
прогностическими признаками. Эти признаки побуждают почвоведа прогнозировать
развитие определенного процесса и определенного типа почв в изучаемых (данных)
условиях почвообразования.
Растительность — еще один, следующий, косвенный дешифровочный признак
— также имеет прогностическое значение. Например, при наблюдаемой смене
вертикальных растительных поясов в горах безусловно следует понимать, что имеет
место и изменение соответствующих им типов почв. Например, на космическом
снимке района Центрального Кавказа в Приэльбрусья вслед за нивально-гляциальным
поясом (со скалами и осыпями), где по понятным причинам почвенно-растительный покров
отсутствует, а сам пояс будет изображен на снимке серо-фиолетовыми тонами, появляются
горные тундры. Горные тундры, имеющие на снимке желтовато-фиолетовые оттенки, будут
идентифицировать горно-тундровые почвы (подбуры). Горно-тундровые почвы (подбуры)
сменяются горно-луговыми (дерновыми альфегумусовыми) почвами альпийских и
субальпийских лугов. Луга и почвы альпийских лугов изобразятся светло-зеленым цветом.
Переход далее к горно-лесным бурыми почвами (буроземам) березовых криволесий будет
сопровождаться на снимке участками, которые имеют ярко-зеленый цвет). Сосновые леса
будут иметь темно-зеленый цвет. Точно так же в районе развития, например, Бэровских
бугров (в дельте Волги) полупустынная растительность на вершинах бугров (она
изображается светлым желтоватым тоном), сменяется солончаковыми лугами (имеют
розовый цвет на снимке) или зарослями тростника в понижениях между лугами (тростники
именуют ильменями) и, соответственно, сменой на красно-фиолетовый цвет изображения. Все
это указывает на чередование бурых пустынно-степных почв с лугово-солончаковыми
почвами, а также болотными почвами ильменных понижений.
Растительность,
помимо
того,
может
быть
использована
не
только
как
прогностический, но и как индикационный признак. Это поисходит благодаря хорошо
изученной связи между характером почв и определенным типом растительности, а также
видов растений.
Использование связи между характеристиками растительности и почвами при
косвенном дешифрировании почв имеет важное значение для территорий с первичным
естественным растительным покровом. На освоенных, а также на подвергавшихся
воздействию человека участках индикационная роль растительности уменьшается. Так,
например, вторичные мелколиственные леса, зачастую встречающиеся в пределах подзон
средней и южной тайги, а также в зоне лиственных лесов, имеют широкий диапазон
приуроченности к разным почвам, поэтому их изображение мало пригодно для косвенного
дешифрирования почв. Вместе с тем, в первичных лесах породный состав и тип леса имеют
тесную связь с почвами. В этом случае для дешифрирования используют специально
разработанные индикационные таблицы такой связи, которая выявляется при полевых
исследованиях.
Основы индикационного дешифрирования были разработаны
Викторовым С.В.,
Востоковой Е.А., Вышивкиным Д.Д. (1962) [5,42] применительно к растительности аридных
территорий. Разрабатывались признаки для использования растительности в качестве
индикатора при геологическом и гидрогеологическом дешифрировании. Необходимо было
по растительности судить о глубине залегания и минерализации грунтовых вод. Виноградов
Б.В. (1984) [5] рассматривал растительность как индикатор не только генетических
типов почв, но и отдельных свойств этих почв, а именно, плодородия, засоления,
механического состава.
Основные признаки, используемые при дешифрировании растительности при
использовании космических снимков, — это тон изображения, яркость. Наиболее
надежно растительный покров дешифрируется по спектральной яркости. В этом
случае
используются
многозональные
снимки.
Особенно
хорошо
походит
дешифрирование при сопоставлении снимков в красной и ближней инфракрасной
зонах. Структура изображения, которая учитывается при работе с аэрофотоснимками,
где она позволяет разделять основные лесообразующие породы, позволяет судить о
размерах крон, сомкнутости древостоев. Все это на космических снимках из-за
генерализации изображения теряет свое значение. Ведущая роль в этом случае
отдается
яркостным
спектральным
признакам.
Они
позволяют
разделять
лишайниковые, моховые, травянистые тундры, хвойные и лиственные леса, гидрофильную
и гидрофобную растительность степей и полупустынь. Очевидно, что сочетания
различных типов растительности, структура растительного покрова отражают структуру
почвенного покрова.
Для
распознавания
свойств
почв
существенное
значение
имеет
также
дешифрирование культурной растительности. При этом, учитывают особенности
состояния посевов сельскохозяйственных культур, отражающего качество почв, их
плодородие, а также, разумеется, структуру почвенного покрова. Как обнаружено
исследователями, на ранних фазах развития посевов растительность не скрывает, а,
наоборот, подчеркивает особенности распределения и структуры почвенного покрова. В
качестве примера может служить отображение пятнистости почвенного покрова на
предгорных равнинах Западного Алтая. Эта пятнистость связана с развитием
суффозионных микрозападин. Она хорошо просматривается на снимках с орбитальной
станции Салют. Дифференциация почв здесь проявляется, как правило, лучше не на
паровых полях, но на полях с посевами. Объясняется это тем, что всходы лучше
развиваются в более увлажненных микрозападинах, чем на плакорах.
Многочисленный опыт картографирования почв в различных природных зонах
показал, что к числу дешифровочных признаков почв относятся и признаки,
идентифицирующие хозяйственное использование территории. Так, например, в лесной
зоне пахотные земли приурочены, как правило, к определенным типам почв. Например, в
Мещере пахотные земли приурочены к темно-серым лесным почвам. Они вклиниваются в
занятые лесами массивы со светло-серыми лесными и подзолистыми почвами. В степной зоне
(где фактически все почвы распаханы) признаком наличия почвенных границ может
служить изменение размеров и нарезки полей. Так, например, для лугово-черноземных
почв по долинам рек и балок на юге европейской части страны наблюдается характерное
вклинивание мелкоконтурных полей огородных культур и кормовых севооборотов в мозаику
крупных прямоугольников полей зерновых на плакорах с зональными черноземными или
каштановыми почвами.
Роль дешифровочных признаков играют также и типы ведения сельского хозяйства.
Они обычно складываются с учетом естественных свойств земель. Так,
например,
почвозащитные противодефляционные севообороты с полосной системой размещения
посевов, которые опознаются на космических снимках, индентифицируют
в степях
Казахстана легкие по механическому составу почвы (супесчаные, легкосуглинистые).
Типичные зональные парозерновые севообороты, напротив, как правило, приурочены к
суглинистым и тяжелосуглинистым почвам. Например, на южных склонах хребта
Тарбагатай и северных склонах Джунгарского Алатау при анализе размещения пахотных
угодий точно «отбиваются» на космических снимках те участки степных низкогорий,
которые перекрыты лессовым плащом. Они характеризуются хорошо развитыми
каштановыми почвами. В то же время нераспаханные массивы земель низкогорий, которые
используются под пастбища, индентифицируют кустарниковые степи (с каменистощебенчатыми малоразвитыми горными дерново-степными почвами).
Опыт дешифрирования космических снимков показывает, что, несмотря на то, что
смена большинства зональных типов почв прослеживается на снимках равнинных районов
с трудом, вместе с тем внутризональные вариации почвенного покрова (которые
обусловлены изменением условий рельефа, увлажнения, засоления и т. п.) отражаются
очень хорошо. Поэтому на космических снимках как правило хорошо выражена структура
почвенного покрова, его комплексность.
Выше рассмотрены разные факторы почвообразования, которые выступают как
индикаторы при косвенном дешифрировании почв. В реальной
же обстановке
осуществляется их комплексный анализ с учетом всего ландшафтного рисунка, как
естественного, так и агроландшафтного. Поэтому можно говорить о ландшафтном
индикационном дешифрировании почв как практически основном методе их изучения и
картографирования по космическим снимкам.
Дешифрирование почв в лесостепной зоне
Лесостепная зона с серыми и темно-серыми лесными почвами отличается от лесной
значительно большей распаханностью (сельскохозяйственные земли занимают здесь до 8090%
территории).
Поэтому
здесь
в
существенно
большей
мере
возможно
дешифрирование по прямым признакам (по тону или по цвету изображения почв на
распаханных полях). Тон и цвет изображения в свою очередь зависит от содержания
гумуса, механического состава и влажности почвы, иногда от степени оподзоленности или
оглеенности. Эти характеристики часто меняются на небольших расстояниях (при
незначительных изменениях условий рельефа или почвообразующих пород). Это
обусловливает пестрый пятнистый или полосчатый рисунок изображения. Светлые пятна
характерны для супесчаных, песчаных почв с очагами дефляции, темные полосы — для
тяжелосуглинистых.
Изменение содержания гумуса от 1-1,5% у подзолистых почв к 3-4% у светло-серых
лесных, 4—5% у серых лесных, 5—6% у темно-серых лесных и более 6% у черноземов
оказывается важнейшим фактором, который позволяет при массовой распашке территории
определять по снимкам границы зональных почв, которые в других природных зонах
обычно не дешифрируются.
Например, если анализировать космический
можно видеть, что он
снимок Центральной Татарии, то
охватывает участок стыка трех зон. На правобережье Камы
распространены хвойные леса с дерново-подзолистыми почвами. Здесь участки полей
изобразились светлым, почти белым тоном. На левом берегу Верхне-Камского
водохранилища увалы в междуречье притоков Камы (рек Зая и Шешмы) были заняты в
прошлом широколиственными лесами. Сегодня леса почти полностью уничтожены, их
участки сохранились местами лишь на гребнях водоразделов. На полях этого района тон
изображения меняется от светло-серого в приводораздельных частях (где развиты светлосерые лесные почвы) к серому (соответствующему серым лесным почвам на склонах) и
к темно-серому тону изображения полей (в нижних придолинных частях склонов и на
речных террасах), где распространены темно-серые лесные почвы. Вклинивающиеся на
рассматриваемую территорию по левобережью реки Шешмы языки степных ландшафтов с
черноземами обыкновенными, как правило, четко выделяются темным, почти черным
тоном изображения распаханных полей. Таким образом, можно сделать вывод, что все
разнообразие почв данного района, расположенного на стыке трех почвенно-
растительных зон, находит отображение в тоне изображения на космическом снимке, что
позволяет достаточно достоверно определять границы этих зон и составлять по
результатам дешифрирования почвенную карту.
Другой пример можно привести по пограничному району Мещерской низменности и
Окско-Цнинской равнины. Этот район находится также на стыке лесной, лесостепной и
степной зон. Лесная зона с дерново-подзолистыми почвами идентифицируется здесь
сохранившимися лесами. Территории лесостепи и степи на территории практически
полностью распаханы. В северной (в прошлом лесостепной части, с преимущественно
темно-серыми лесными почвами) преобладает серый тон изображения. В южной, степной
—
темно-серый,
почти
черный
тон,
который
соответствует
распространению
черноземных почв. Граница между почвами по снимку прослеживается достаточно четко.
Чего можно ожидать при использовании в дешифрировании почв Орловской
области. Для Орловской области (как видно из карты почвенных разностей)
характерно разнообразие почв (рис. 1.6). Это несомненно должно найти отражение на
космических снимках сверхвысокого разрешения. Следует, однако, отметить, что работ
по дешифрированию почв Орловской области нам не удалось найти.
Рисунок 1.6. Карта почв Орловской области
Однако мы предполагаем, что эта работа будет проведена, и результаты
ожидаются очень интересными, так как на территории области почвы очень
разнообразны.
На Рисунке 1.6 также видно, что почвы Орловской области имеют разную
эрозионную
устойчивость
(поскольку
представлены
разными
типами).
Это
свидетельствует о разных темпах смыва почвы в пределах водосборов, расположенных
в различных почвенно-климатических условиях.
Вывод. Использование материалов аэрофотосъемки, а также
космические
снимки являются необходимыми (но не достаточными) условиями эффективного
изучения условий формирования и эрозионного преобразования почв распахиваемых
склонов. Эти методы должны быть дополнены полевыми исследованиями. Одним из
интенсивно развивающихся в последние годы в мире является радиоцезиевый метод
изучения эрозионного преобразования рельефа и почв.
ГЛАВА 2. РАДИОЦЕЗИЕВЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ СМЫВА ПОЧВЫ
Эрозия почвы и оценка ее последующего смыва и аккумуляции является
серьезно обсуждаемой проблемой во всем мире. Исследования мирового сообщества
ученых показали, радиоактивный изотоп цезий-137 может быть использован для
изучения эрозии почвы и осадочных отложений в различных ландшафтах. По
утверждению ученых [6, 17] метод, использующий в качестве индикатора эрозионных
процессов цезий-137, является практически единственным методом, который может
быть использован, если необходим быстрый, сравнительно малозатратный, способ
измерения потерь почвы в точке измерения. Использование радиоцезиевого метода для
изучения
эрозии
и
отложения
наносов
в
пределах
ландшафта,
позволяет
исследователям получать уникальную информацию о процессах на изучаемой
территории. Эти знания могут помочь разрабатывать методы планирования
мероприятий по сохранению качества природных комплексов. С бурным развитием
энергозатратных технологий все больше будет строиться АЭС. В связи с этим, будет
возрастать риск возникновения чрезвычайных ситуаций подобных Чернобыльской
аварии
1986 года. Поэтому сегодня
как никогда необходимо развивать и
совершенствовать методы и приемы, использующие радиоизотопы в качестве
маркеров процессов, протекающих в почве.
16 июля 1945 года в 12-30 часов по Гринвичу были впервые начаты испытания
ядерного оружия (рис. 2.1). В результате в природную среду были выброшены
искусственные радионуклиды. За прошедшие 70 с лишним лет с момента первого
испытания много исследований было проведено. Много исследований предстоит еще
провести.
Рис. 2.1. Количество ядерных испытаний с 1945 года по 1998 год
Краткий обзор методов изучения эрозионных процессов на пахотных
склонах
Эрозия почв, как уже упоминалось, представляет собой один из наиболее
интенсивных экзогенных процессов на территориях равнин в умеренных широтах.
Это обусловливает необходимость ее (эрозии) учета как в прикладных, так и в
фундаментальных исследованиях (эрозия - один из ведущих составляющих
денудации суши). В то же время, с эрозией связан ряд негативных последствий для
окружающей среды, а также и экономики территорий. Это могу быть прямые
последствия (например, деградация плодородных свойств почвы, а также снижение
продуктивности сельскохозяйственных культур). Это могут быть косвенные
последствия (например, заиление водоемов, отмирание верховьев, а то и самих
малых рек, перенос и накопление загрязняющих веществ). С вышеуказанными
фактами
связана
актуальность
любых
(прикладных
и
фундаментальных)
исследований эрозии почв. Зачем и каковы задачи этих исследований? Исследования
ставят своими основными задачами прогноз, профилактику и разработку
противоэрозионных мероприятий. Общим же требованием к исследованиям
процессов перераспределения почвы на сельскохозяйственных землях является
возможность получения количественных оценок средних темпов перераспределения
почвы. Важна также оценка пространственной и временной вариабельности смыва и
аккумуляции почвы.
Сегодня разработан ряд методов изучения проявления, темпов и последствий
эрозионно-аккумулятивных процессов на распахиваемых склонах. Наиболее
распространенными из них являются методы, в которых производятся
замеры
водороин и почвенно-морфологический метод. В последние годы все шире
используется метод радиоактивной метки с использованием изотопа цезия-137
(137Cs) [6, 10, 11, 17]. С конца 60-х годов в США достаточно успешно
разрабатывается эмпирическая модель расчета темпов смыва почвы. Она основана
на использовании данных, полученных в экспериментах на стоковых площадках.
Разработано Универсальное уравнение эрозии почв (Universal Soil Loss Equation,
USLE) и его модификации [12, 13, 41]. Сотрудниками НИЛ эрозии почв и русловых
процессов географического факультета МГУ под руководством Г.А. Ларионова
осуществлена адаптация этой модели для использования в условиях РФ [12, 13].
Методы маркеров являются одними из наиболее развивающихся методов
оценки темпов смыва-аккумуляции почвы. Выделяют 2 подгруппы методов. Первая
подгруппа позволяет проводить мониторинг текущих процессов эрозии. В этой
подгруппе в качестве меток используются оксиды редкоземельных элементов (Zhang et
al., 2003) и короткоживущие радионуклиды (Walling et al., 1999). Вторая группа
методов позволяет ретроспективно восстанавливать эрозионные события за разные
временные периоды, применяя долгоживущие радионуклиды (табл. 2.1). Используются
также техногенные метки, например, сферические магнитные частицы (Геннадиев и
др., 2005; Olson and Jones, 2005) [10, 11, 17].
Наиболее правильно детальную картину перераспределения наносов можно
получить при применении так называемого интегрального подхода. Он предполагает
применение ряда методов для оценки темпов перераспределения наносов (Sogon et al.,
1999; Walling et al., 2001a; Walling etal., 2001b; Collins et al., 2001;Walling et al., 2006)
[10, 11, 17]. Применение интегрального подхода открывает большие возможности для
решения различных задач по оценке динамики смыва и аккумуляции почвы в пределах
разномасштабных геоморфологических объектов.
Таблица 2.1. Радиоизотопы, используемые для изучения эрозионно-аккумулятивных
процессов
Радионуклид
соотношени
36
Cl
14С
226Ra, 40K,
210PbEX
137Cs
134Cs
7
Be
Решаемые задачи
третичный – четвертичный
четвертичный
позднеплейстоценовый
-226Ra –
100-120 лет
с 1954 г. или с 1986 г. (эрозия),
неск. лет
неск. месяцев
оценка темпов
оценка темпов эрозии
оценка
оценка темпов
эрозии,
аккумуляции,
Цезий-137. Происхождение, особенности выпадения, поведение в почвах и
наносах
Массовое распространение
137
Сs (период полураспада 30,2 года) связано с
проведением ядерных взрывов в атмосфере в период с 40-х по 80-е годы (глобальные
выпадения) или с авариями. Пики выпадений
137
Сs глобального происхождения
приходились на 1958 и 1963-1964 гг. (Израэль, 1996) [10, 11, 17]. (рис.2.1).
После аварии на Чернобыльской АЭС интенсивное выпадение
137
Сs в зонах с
высоким уровнем радиоактивного загрязнения происходило в течение 2-х недель. В
большинстве случаев максимум загрязнения связан с 1, а возможно, с 2-мя случаями
выпадения дождей (Израэль и др., 1996) [10, 11, 17].. Таким образом, большая часть
чернобыльских выпадений пришлась на период окончания весенней вспашки (Линник,
2009) [10, 11, 17]..
Особенности цезия-137, позволяющие применять его к изучению эрозионных
процессов
Цезий-137 быстро и прочно сорбируется мелкодисперсными почвенными
частицами. Это позволяет использовать его в качестве радиоактивной метки для
оценки перераспределения наносов в различных звеньях флювиальной сети.
Исследователи указывают, что необходимо учитывать влияние гранулометрического
состава на сорбцию (закрепление) радионуклидов почвами и отложениями (Не,
Walling, 1996, Коробова и др., 2007). Также отмечается повышенная подвижность
137
Cs
в кислых и заболоченных почвах (Павлоцкая, 1974, Квасникова, 2005) [10, 11, 17]..
На примере карты содержания илистых частиц в почвах Орловской области (рис.
1.8) можно сделать заключение о том, что цезий-137 будет по-разному сорбироваться
почвами в разных районах области.
Из рисунка 2.2 можно заключить, что илистыми частицами максимально
обогащены почвы черноземные. Они занимают восточную и юго-восточную части
области. Известно, что чем больше содержание илистых частиц в почве, тем,
естественно, более она сопротивляется размыву (почва более эрозионно устойчива)
[18].
Таким образом, смыв почвы и, следовательно, доставка наносов в балки и реки,
должны различаться по территории области. Выяснить различия в особенностях
перераспределения наносов в верхних звеньях флювиальной сети можно, как
подсказывает логика, по результатам анализа намыва почвы на склонах долин рек,
протекающих в разных районах области. Как упоминалось выше, эти различия будут
определяться, в первую очередь, особенностями внутригодового распределения
выпадения осадков, температурным режимом, противоэрозионной устойчивостью
анализируемых грунтов, особенностями расчленения рельефа и особенностями
положения пашни относительно долинной сети.
Рисунок 2.2. Содержание илистых частиц в почвах Орловской области
Интенсивность перераспределения наносов в верхних звеньях флю-виальной
сети зависит, очевидно, в первую очередь, от количества внутригодового выпадения
осадков, температурного режима, противоэрозионной устойчивости подстилающих
грунтов. Важно учитывать, как уже упоминалось, особенности расчленения рельефа и
положение распахиваемых склонов
относительно долинно-балочной сети. Как
утверждают исследователи «…анализ взаимодействия факторов, определяющих
процессы деградации, а также и заиления малых рек, показывает, что процесс
деградации является обязательным условием для заиления малых рек, но не
наоборот».
Особенности противоэрозионной устойчивости грунтов на территории
Орловской
области
как
условие,
определяющее
процесс
эрозионного
преобразования поверхности распахиваемых склонов
Для
количественной
оценки
темпов
смыва-аккумуляции
при
помощи
радиоактивных меток необходимо знать плотность загрязнения радионуклида в
почвах опорных площадок. Также необходимо знать и его статистический разброс
(оцениваемый показателями изменчивости или вариабельности). Опорные площадки
должны представлять собой геоморфологически стабильные участки. На них не
должно происходить латеральное перемещение почвенного материала (Handbook…,
2002). В работе Жуковой, 2010 [10] анализируются данные, собранные автором по
опробованию опорных площадок, расположенных в различных по природным
условиям районах ЕТР (от Московской области до Ставропольского края).
Коэффициент вариации опорных значений удельного запаса
137
Сs, как утверждается в
ряде исследований, не должен превышать 20%. Автор отметила, что «…на площадке,
расположенной в Ставрополье, вариабельность чернобыльского
137
Сs составляет более
30%».
Использование радиоизотопов в качестве маркеров позволяет решать большое
количество геоморфологических задач по оценке перераспределения наносов. Это
следующие задачи: «…1. оценка динамики эрозионно-аккумулятивных процессов на
склонах различной конфигурации; 2. выявление баланса наносов на малых водосборах
(масштаба в том числе ложбин); 3. изучение динамики перераспределения наносов в
днищах долин и балок различного порядка; 4. оценка долевого вклада различных
денудационных процессов в суммарный сток наносов в реку или заиление прудов
(водохранилищ)».
При крупномасштабных исследованиях на распахиваемых склонах, в пределах
склоновых водосборов или бассейнов долин рек первых порядков (то есть малых рек)
проводится детальное крупномасштабное геоморфологическое картирование. Оно
включает выделение элементов рельефа с различной направленностью экзогенных
процессов (и стабильных в историческом масштабе времени). Это, например, древние
ложбины. При этом учитываются как типы землепользования, так и размещение
селитебных территорий, а также и транспортных коммуникаций Дополнительно
составляются карты типов склонов, типов уклонов и длин склонов, Они
служат
основой для размещения точек отбора проб. Отбираться колонка грунта должна до
глубины, обычно превышающей глубину проникновения атмосферного радионуклида в
почву.
Спектрометрическое определение содержания излучающих радионуклидов в
почвах включает в себя в том числе
ряд стандартных операций. Это подготовка
образцов, измерение активности гамма-спектрометром, необходимые аналитические
расчеты. Аналитические расчеты подробно описаны в соответствующих методических
руководствах.
Полученные в результате значения содержания радиоизотопов в точках отбора
могут быть пересчитаны в темпы перераспределения наносов при помощи так
называемых калибровочных моделей (Walling and He, 1999a) [6, 10, 11, 17]. К
процессам, описываемым этими калибровочными моделями в зоне распашки, по
данным различных авторов, относятся: «…выпадения радионуклида, радиоактивный
распад
радионуклида,
перемешивание
верхнего
слоя
почвы
при
распашке,
горизонтальное перераспределение слоя почвы при поверхностном стоке воды и при
вспашке». Возможно также описание вовлечения подпахотного горизонта в обработку
(на эродируемых элементах рельефа в результате поверхностного смыва). Для учета
влияния изменяющихся во времени метеорологических и агрономических факторов на
интенсивность эрозии в моделях авторы методов предлагают ряд эмпирических
коэффициентов, отражающих влияние этих факторов на темпы смыва. Однако собрать
полную информацию о влияющих факторах часто невозможно.
Хорошо работает метод, позволяющий оценить интенсивность накопления
наносов на склонах и днищах долин. Это можно сделать на основе анализа изменения
содержания радиоизотопа по глубине (Walling et al., 1992) [6, 10, 11, 17].
Следует отметить, что исследование процессов смыва-аккумуляции на
склоновых землях имеет большое практическое значение. Он позволяет получить
количественные
оценки
перераспределением
почвы
изменения
на
плодородия
почв,
сельскохозяйственных
связанного
землях.
с
Оценка
пространственной и межгодовой изменчивости этих процессов позволяет более
корректно оценить их темпы. Это важно, чтобы принять адекватные меры к
стабилизации ситуации в меняющихся условиях увлажнения.
Имеются разрозненные авторские данные по величинам смыва почв за
отдельные ливни или периоды снеготаяния в разных природных и хозяйственных
условиях. Интерпретацию таких материалов необходимо проводить с учетом размеров
водосбора. Известно, что величина смыва обратно пропорциональна водосборной
площади. Объясняется это тем, что значительная часть смываемой почвы не доходит
до базиса эрозии. Она откладывается по пути на нижних частях склонов, в балках, на
пойме, а также в лесах, лесополосах, на лугах. В большие реки попадает (по данным
исследователей) лишь около 1% смываемого материала. До малых рек и водоемов
доходит не более 3-5% смываемого материала. Поэтому с малого водосбора площадью
5-10 га потери почвы будут (при прочих равных условиях) в десятки раз больше, чем с
водосбора площадью более 100 км².
Результаты, полученные исследователями в 40-50-е годы в Центральночерноземной области в пределах Среднерусской возвышенности, говорят о том, что
средняя годовая скорость смыва почвы в этот период составляла около 7 т/га.
Колебания составили от 4 до 11 т/га. Средний многолетней смыв почвы, например, в
опольях Брянской обл. (возвышенных равнинах с серыми лесными почвами)
составляет (по данным исследований) 5 т/га, а непосредственно с эродируемых
участков пашни - около 13 т/га в год и даже 15-20 т/га. Для дерново-подзолистых и
серых лесных почв Мордовии в литературе приводятся величины среднего смыва от 2
до 4 т/га в год.
Методы
расчета
смыва
с
пахотных
земель,
использующие
многолетние параметры гидрометеорологических условий, не вполне
средние
корректно
описывают условия протекания эрозионных событий за конкретный временной
отрезок. В работе Бастракова, 1993 [2] для определения значений среднегодового
слоя ливневого стока Нл «…используются сведения о слое воды в снеге,
интенсивности снеготаяния и о слое ливневых осадков, полученные сотрудниками
Института географии АН под руководством С.И.Сильверстова (Районирование…,
1965)
[2].
То
есть
мы
видим,
что
фактически
автор
использует
гидрометеорологические данные, осредненные за период до 1965 года. Видимо, это
не совсем правильно в настоящих условиях, когда происходят изменения в
показателях климата, которые не поддаются корректному объяснению. Известно, что
сегодня считается нормой статистическая характеристика метеорологического
параметра, рассчитанного за 30 лет. Таким образом ученые пытаются учесть
изменение увлажнения в последние десятилетия.
Анализ коэффициентов стока, проведенный Трофимец Л.Н. (Трофимец, 2015)
[27], показал, что условия весеннего стока существенно изменились. В таблице 2.2
приведены данные о средних многолетних значениях коэффициента поверхностного
стока талых вод с зяби и уплотненной пашни. При этом, следует сказать, что
авторами использованы материалы, полученные на Новосильской зональной
агролесомелиоративной опытной станции им. А.С.Козьменко. До 1990 года – это
данные
Барабанова А.Т., Сурмача Г.П., после 1990 г. – данные Петелько Н.Е.,
Петелько А.И., Тубольцева Е.Я., Ивановой В.А., Богачевой О.В., Борца В.П.,
Гаршинева Е.А..
Из таблицы 2.2
становится очевидным, что условия формирования
поверхностного стока претерпели весьма существенные изменения.
Запасы воды в снеге на зяби в 1965-1986 г.г. увеличились по сравнению с
1959-64 г.г. на 13%. В 1987 – 2009 г.г. они сократились на 14,4%. То есть можно
утверждать, что изменения в запасах воды в снеге фактически остались
неизменными. Во всяком случае величина этих изменений находится в пределах
ошибки расчета. Совсем иная картина наблюдается при анализе коэффициентов
талого поверхностного стока. Налицо есть явная тенденция снижения коэффициента
поверхностного стока. Если за период 1965 -1986 г.г. коэффициент поверхностного
стока с зяби в среднем за период уменьшился на 53% или в 2,12 раз (по сравнению с
периодом 1959-1964), то в 1987-2009 г.г. он сократился уже на 83% или в 5,9 раз. В
2004-2007
годы
поверхностный
сток
(и,
соответственно,
коэффициент
поверхностного стока) снизился практически до нуля.
Таблица 2.2
Сравнительные данные о коэффициенте стока с зяби и уплотненной пашни за
периоды до 1965 г., 1966-1986 г.г., 1987-2009, 2004-2017 г.г.
пе
риод
959965987004-
1
1
1
2
Зя
бь
апасы
5,5
08
1,7
3
З
С
ток,
мм
9
54,
1 7
26,
8 7
7,6
8
0
Уплотненная пашня
Коэф
З
С
фициент
апасы
ток,
0,53
93
7
0,0 34,
0,25
11
7
0,09
81, 9
13,
6
1
0
10
0,8
2
8
Коэф
фициент
0,74
0,33
0,17
0,02
Примечание: все показатели – осреднены за указанные периоды
Такая же тенденция отмечается и для поверхностного стока с зяби. Если в
1965-1986 г.г. поверхностный талый сток с зяби сократился по сравнению с
периодом 1959-1964 г.г. в 2,05 раз, то в 1987 -2009 г.г. он сократился уже в 7,2 раз. В
2004 – 2017 г.г. сток с зяби – нулевой.
Сток с уплотненной пашни также существенно уменьшился. И на
уплотненной пашне отмечена ситуация, сходная с зябью: запасы воды в снеге за
1964-1986 г.г. стали больше чем в 1959-1964 г.г. на 25,8%. За период 1986-2009 г.г.
запасы воды в снеге несколько уменьшились (на 12,3%). То есть, мы видим, что так
же как и в случае с зябью – налицо - практически мало меняющиеся условия
формирования снегозапасов. Однако поверхностный талый сток сократился и на
уплотненной пашне. В 1964-1986 г.г. по сравнению с 1959-1964 г.г.он сократился в
2,01 раз; в 1987-2017 г.г. – в 5,4 раз. Коэффициент стока с уплотненной пашни
снизился в 2,2 раз в 1964-1986 г.г. по сравнению с 1959-1986 г.г.; в 1987 -20017 г.г.
коэффициент стока с уплотненной пашни сократился в сравнении с периодом 19591964 г.г. уже в 4,35 раз. В 2004-20017 г.г. поверхностный сток с уплотненной пашни
(средний за период) снизился до 1 мм, а коэффициент стока – до нуля.
При этом только в двух из шести лет сток с уплотненной пашни был отличен
от нуля. Это отмечено в 2003 году, когда сток достиг 33 мм и в 2005, когда сток
составил 5,3 мм.
Ранее (Трофимец, 2009) [26] было показано, что в многоводные (по осадкам)
годы в последние десятилетия наметилась тенденция смещения повторяемости
интенсивных осадков (с количеством осадков не менее 10 мм в сутки) с июля на
сентябрь. То есть, вполне вероятно можно ожидать компенсации снижения
интенсивности смыва от талых снеговых вод ее ростом за счет больших осадков
летнее-осеннего
периода.
Во
всяком
случае,
дополнительных исследований с целью сравнения
необходимо
проведение
результатов расчета смыва,
полученных с использованием разных методик, разработанных на основе средних
многолетних данных, с результатами расчета смыва за конкретные периоды лет с
разным увлажнением.
Из вышеприведенного анализа следует вывод, что результаты расчета смыва
по методам, включающим средние многолетние параметры влагообеспеченности
(рассчитанные за период до 1964 года), должны быть откорректированы с учетом
произошедших изменений в условиях формирования поверхностного стока.
Из
последних
работ,
посвященных
сравнительному
анализу
смыва,
рассчитанного по разным методам, следует обратить внимание на работу
Кузнецовой, Беляева и др., 2008. В контексте квалификационной работы это
исследование представляет особый интерес, так как исследование, проведено на
материалах, полученных в бассейне реки Зуши (то есть на территории Орловской
области) сотрудниками НИЛ (лаборатории эрозии почв и русловых процессов) МГУ.
В работе Кузнецовой, Беляева, 2008 [3, 11] приводятся результаты сравнения
методов расчета смыва по методике Ларионова, почвенно- морфологическому
методу и радиоцезиевому методу. Авторы анализируют ряд методов: методы
замеров водороин, почвенно-морфологический метод, метод радиоактивной метки (с
использованием изотопа цезия-137).
Следует подчеркнуть, что в исследованиях водной эрозии почв, где рельеф
играет особо важную роль, разрабатывалось немало серьезных моделей. С конца 60х годов в США весьма успешно разрабатывается эмпирическая модель расчета
темпов плоскостного и мелкоструйчатого смыва почвы. Она основана на
использовании данных, полученных при экспериментах на стандартных стоковых
площадках. Результат разработок - получение универсального уравнения эрозии
почв
вида E=R×K×LS×C×P, где
E есть средняя потеря почв, R – фактор
интенсивности дождя, K – почвенный фактор, LS – фактор рельефа (фактор длины
склона в USLE), C – фактор растительного покрова и P – фактор превентивных
практик. Научно-исследовательская группа сотрудников НИЛ эрозии почв и
русловых процессов географического факультета МГУ под руководством Г.А.
Ларионова в 1993 адаптировали эту модель для использования в условиях России.
Следует
подчеркнуть,
что
в
1991
году
была
осознана
физическая
бессмысленность длины склона (этот параметр входит в уравнение USLE). Было
предложено заменить фактор LS (зависящий от крутизны и длины склона) на
площадь сбора. Площадь сбора (в гидрологии – площадь водосбора) имеет ясный
гидрологический смысл. Новое уравнение стало известно как RUSLE. В нем LS=
A× MCAn ×GFm , где MCA – площадь сбора, GF – фактор крутизны склонов (синус
крутизны), A, m, N – некие числа (эмпирические коэффициенты). Модель RUSLE ,
как показали исследования, лучше отражает повреждение почв концентрированным
водным потоком. Дальнейшие исследования показали, что область применимости
RUSLE также весьма ограничена. Эта модель применима лишь к участкам размером
не более 100 метров без существенной кривизны склона и без значимого осаждения
наносов.
Спустя два года после исследований российских ученых (Шарый, Степанов,
1991) [23, 41]по выявлению смысла горизонтальной кривизны, смысл кривизны и
сама эта кривизна (под названием «тангенциальная»), были переоткрыты (по
утверждению Шарого) американскими учеными. Американские исследователи
ввели ее вместе с вертикальной кривизной и ориентацией склонов в новые модели
эрозии, такие как USPED SIMME, 1997 или WEPP,2000. Эти модели позволили
анализировать более сложные территории.
Большая трудоемкость и дороговизна отбора и анализа образцов почвы делает
совершенно нереальными измерения в сотнях тысяч точек, необходимых для
построения матрицы характеристик ландшафта. В таких случаях используют
индикационные, внешние по отношению к почве, характеристики. Это могут быть
такие характеристики как рельеф, растровые измерения электропроводности почв.
Из этих данных наиболее информативным является рельеф. Он является одним из
факторов преобразования поверхности земли.
Индикационный принцип состоит в следующем. «Если некоторое свойство
почв (или растительности) хорошо коррелирует
можно
прогнозировать
прямо
по
рельефу».
с рельефом, то его (свойство)
Интенсивные
исследования
индикационных подходов за рубежом привели к появлению новых направлений в
агрохимии и почвоведении.
Каждый из перечисленных методов имеет как преимущества, так и
существенные ограничения.
Например, сравним метод водороин и почвенно-морфологический. Временной
диапазон получаемых оценок темпов перемещения материала варьирует от одного
снеготаяния
или
ливня
сельскохозяйственного
(для
освоения
метода
(для
водороин)
до
всего
периода
почвенно-морфологического
метода).
Поскольку перераспределение почвы на обрабатываемых склонах происходит
очевидно вследствие совместного действия нескольких процессов – плоскостного и
мелкоструйчатого смыва, а также линейной эрозии, дефляции, механического
перемещения почвы пахотными орудиями, то
возможности
перечисленных
выше
методов.
важно чётко представлять
Кроме
того,
все
методы
характеризуются разной точностью, а также и возможностью пространственной
экстраполяции полученных результатов.
Как правило, традиционно, большинство исследований эрозии почв на
сельскохозяйственных землях проводится с использованием одного – двух методов.
Использование разными исследователями различных подходов (при практическом
отсутствии оценок их сопоставимости) существенно осложняет сравнение и
обобщение
результатов.
Сравнительная
оценка
методов
количественного
определения интенсивности различных эрозионно-аккумулятивных процессов для
оценки точности и диапазона возможного использования требует их совместного
применения в одном исследовании.
В 2008 году были проведены работы по сравнительной оценке разных
методов. Ниже приводятся результаты этих исследований по материалам статьи
Кузнецовой, Беляева, и др., 2008 [3, 11]. Основной задачей работы исследователей
являлось
изучение
перераспределения
темпов
почвы
на
и
пространственно-временной
пахотном
склоне
неоднородности
несколькими
(комплексом)
независимыми методами. Использовалось четыре метода: непосредственное
измерение объемов эрозии и аккумуляции (НИО), радиоцезиевый метод (РМ),
почвенно-морфологический метод (ПММ), эмпирико-математические расчетные
модели (ЭММ).
Метод прямого определения (измерения) объемов эрозии и аккумуляции.
Суть метода – в измерения морфометрических параметров эрозионных врезов и
объема аккумулятивных тел для вычисления величины водной эрозии и аккумуляции
за одно эрозионное событие. При этом, поперек склона (перпендикулярно линиям
тока)
должна
закладываться
серия
микронивелировочных
профилей.
Они
закладываются на равном расстоянии друг от друга. Вдоль профилей необходимо
замерять ширину и глубину струйчатых размывов. Также должны замеряться размеры
и
мощность
аккумулятивных
тел.
Одновременно
необходимо
зарисовывать
расположение эрозионной сети и имеющихся аккумулятивных тел на склоне. Темпы
смыва, а также
и аккумуляции материала вычисляются, опираясь на измеренные
средние объемы эрозионных и аккумулятивных микроформ рельефа, а также площади
исследуемого участка склона и определенной на момент измерений (подчеркнем, это
важно) средней плотности пахотного горизонта. Исследователями была сделана
проверка точности метода на основании сравнения с измерениями мутности воды в
замыкающих створах склоновых водотоков. Она показала, что ошибка, как правило,
не превышает 20-25% (в сторону занижения). Причина ошибки, главным образом, невозможность замерить каждую борозду. Невозможность учесть смыв, проходящий
без образования четко выраженных линейных форм. Трудно замерить также
переотложение материала (в виде тонких слойков).
Авторами
анализируемого
исследования
(проведенного
сотрудниками
лаборатории НИЛ МГУ) заложено было 8 микронивелировочных профилей примерно
в 100 м друг от друга. Также измерения были проведены вдоль нижней границы
пашни.
Там
наблюдается
наибольшая
густота
микроручейковой
сети
(что
подтверждают и наши исследования (рис. 2.3)).
Там же имеются относительно крупные аккумулятивные конусы (см. рис. 2.3).
Дополнительно исследователями измерялись параметры всех визуально выявляемых
участков отложения наносов на склоне.
Вывод. Непосредственными измерениями занижается величина смыва почвы
примерно на 20-25% по причине невозможности измерить все микроконусы
аккумуляции и объемы водороин.
2.1. РАДИОЦЕЗИЕВЫЙ МЕТОД И ЕГО ВОМОЖНОСТИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
СМЫВА ПОЧВЫ ЗА КОНКРЕТНОЕ ЭРОЗИОННОЕ СОБЫТИЕ
Радиоцезиевый метод предполагает использование содержащегося в почве
радиоактивного изотопа цезия-137 (137Cs, период полураспада 30,2 года) в качестве
индикатора смыва и аккумуляции. Также он используется для микростратиграфии
аккумулятивных отложений.
Изотоп
137
Cs – искусственный. Он выпадает на поверхность в основном с
атмосферными осадками. Попадая на поверхность,
137
Cs быстро и химически
достаточно устойчиво сорбируется глинистыми минералами тонких фракций
почвенных частиц. В дальнейшем он перемещается только вместе с ними. Это
свойство цезия-137 позволяет использовать его в качестве индикатора процессов
перераспределения почвы (смыва и аккумуляции). В результате сравнения удельного
запаса изотопа в исследуемой точке с фоновым запасом (определенным на
геоморфологически стабильном участке), характеризующем первоначальный уровень
выпадения
достаточно
137
Cs из атмосферы (так называемым эталонным значением), можно
правильно
оценить
интенсивность
перераспределения
почвы
и
направленность этого процесса. Метод позволяет дать интегральную оценку
перемещения материала. Он фактически суммирует вклад таких процессов, как
плоскостной и мелкоструйчатый смыв, а также механическое перемещение почвы
сельскохозяйственными орудиями. Ветровая эрозия тоже учитывается, но она, как
правило, на засеянных зерновыми склонах невелика (в условиях средней полосы).
Рис. 2.3. Сеть ручьев и аккумулятивные тела в нижней части распахиваемого
склона (устьевая часть ложбины). Справа – места послойного отбора проб почвы
(диаграмма распределения цезия-137 по глубине приведена на рис. 2.5).
Для перехода от относительных величин изменения запаса изотопа в измеренных
точках к оценке величины средних темпов перераспределения почвы разработано
множество так называемых калибровочных зависимостей. Они в разной степени
учитывают особенности выпадения и далее перемещения
137
Cs [6, 10, 11, 17].
Особенности применения этого метода, его преимущества и его ограничения, а также
методика полевых и лабораторных работ детально рассмотрены в целом ряде
публикаций. Этот обзор мы не приводим в работе.
Отбор образцов на радиоцезиевый анализ учеными МГУ производился на
территории
Орловской
области
в
августе
2003
года.
Работы
проводились
непосредственно после того, как на склоне (в бассейне реки Зуши) сформировалась
сеть эрозионных борозд.
Следует обратить внимание, что интенсивные осадки сформировали сеть
эрозионных борозд в августе. То есть в месяце, когда озимые убраны, поле вспахано
под новый сев. Второе, на что мы обратили внимание, что интенсивные осадки
проходили осенью. В статье Трофимец и др., 2009 [26] был сделан вывод, что в
последние годы период с интенсивными осадками (слой их превышает 10 мм)
сместился с июня-июля на август.
Приведем выдержки из статьи Трофимец и др, 2009:
«…Таблица 2.3
Обеспеченность (%) годовых сумм осадков (Орел) в многолетнем ряду
1
9
9
0
г
3
8
1
9
9
1
г
2
4
1
9
9
2
г
7
1
1
9
9
3
г
4
8
1
9
9
4
г
7
2
1
9
9
5
г
2
1
1
9
9
6
г
6
1
1
9
9
7
г
1
6
1
9
9
8
г
8
1
9
9
9
г
4
3
2
0
0
0
г
5
1
2
0
0
1
г
1
4
2
0
0
2
г
3
3
2
0
0
3
г
1
8
2
0
0
4
г
2
3
Авторы обратили внимание на то, что произошла
2
0
0
5г
3
5
2
0
0
6
г
1
1
2
0
0
7
г
6
5
2
0
0
8
6
2
условий увлажнения в
последние годы. 2007 год оказался по осадкам в зоне средних (и выше средних)
обеспеченностей, то есть год можно отнести к годам недостаточного увлажнения. То
же характерно и для 2008 года».
Следует напомнить, что средними условиями считается обеспеченность, близкая
к 50%. Засушливыми считаются условия увлажнения, находящиеся в зоне
обеспеченностей более 50%. Высокая увлажненность – это когда обеспеченность
годовой суммы осадков менее 50%.
В той же работе приводится таблица с процентом повторяемости осадков
высокой интенсивности (более 10мм):
Таблица 2.4
Среднее число дней с количеством осадков ≥10 мм за месяц (Орел)
≥10 (среднее
2000
2001
2002
2007
месяц многолетнее) (51%) (14%) (33%) (65%)
год
1
0,2
0
0
0
1
2
0,1
0
1
3
2
3
0,5
0
1
0
1
4
0,7
0
0
0
0
5
1,6
1
2
3
0
6
2
1
2
1
1
7
2,7
4
3
1
3
8
1,9
1
2
0
1
9
1,3
4
3
7
2
10
1
0
2
3
1
11
0,8
0
1
1
2
12
0,7
1
0
1
0
12
17
20
14
14
Вывод, который авторы сделали на основании анализа таблицы, следующий. «В
многоводные годы число дней с осадками ≥ 10 мм возрастает (до 20 – 25). В годы,
средние по водности, число дней с осадками ≥ 10 мм – остается в пределах нормы или
даже несколько меньше (12 – 14 дней). Этим объясняется тот факт, что в 2007 и 2008
годы (обеспеченность годовой суммы осадков в которых составляет, соответственно,
65% и 62%, то есть годовая сумма осадков близкая к норме или несколько менее
нормы. То есть года 2007 и 2008 по осадкам могут квалифицироваться как года
недостаточного увлажнения. В такие годы число дней с осадками ≥ 10 мм снизилось
до нормы».
Особенно важным является следующий вывод. «Месяцем с наибольшим числом
дней с осадками ≥ 10мм в последние многоводные
годы может быть признан
сентябрь и в меньшей степени июль (в среднем многолетнем разрезе таким месяцем
был июль). Повторяемость ситуации в сентябре в многоводные годы выросла в 3-6
раз. К слову сказать, этот вывод свидетельствует о возросшей в многоводные годы
опасности активизации эрозионных процессов (поля убраны, почва уже не скреплена
корневой системой растений, смыв с пашни активизируется именно в случае
выпадения интенсивных дождей в такие периоды.). Эти выводы не относятся к 2007 и
2008 годам. Эти годы, как уже упоминалось, могут быть оценены как средние по
водности. А в средние по водности годы повторяемость сильных осадков, как следует
из таблицы, приходится на июль. Если в июле поля уже убраны, то есть почва не
защищена от смыва растительностью, то и в июле и августе следует ожидать
активизацию эрозионных процессов».
В 2003 году (многоводном по осадкам) исследователи МГУ наблюдали
глубокие эрозионные борозды в августе. Поля убраны, ливни «сделали свою
эрозионную работу» на поле, испещренном бороздами от боронования.
Точки отбора исследователи МГУ расположили перпендикулярно тальвегу
основной эрозионной борозды.
На каждом профилем ими была отобрана группа из трех интегральных образцов.
Одна группа образцов была отобрана из днища основной эрозионной борозды (за
исключением самого верхнего профиля). Два оставшиеся отбирались с визуально
незатронутых рассматриваемым эрозионным событием участков (с микрогребней и из
понижений между ними, оставшихся после боронования поля).
Отбор авторы работы производили стальным цилиндрическим пробоотборником
диаметром 8,2 см в один укол до глубины, превышающей мощность пахотного
горизонта (до 30 см).
В точке, расположенной в пределах аккумулятивного шлейфа (непосредственно
выше напаши) дополнительно тем же пробоотборником отбирались слои 30-50 и 5060 см, чтобы обнаружить и учесть
возможное погребение части аккумулятивного
горизонта наносами.
Дополнительно из двух аккумулятивных тел отбирались отдельно только свежие
наносы (с квадрата площадью 20х20 и 15х15 см соответственно). Цель отбора определить возможные отличия концентрации
горизонте.
В
случае
обнаружения
137
Cs от наблюдаемой в пахотном
отличий
это
свидетельствовало
бы
о
гранулометрической избирательности эрозии и о транспорте частиц различной
крупности. Послойные образцы отбирались из разреза, выбранного в качестве
эталонного. Эталонный разрез был расположен на плоском водораздельном участке
непосредственно выше исследуемого склона. Послойный отбор проб почвы
производился, до глубины 50 см через каждые 5 см (с квадрата площадью 20х20 см).
Измерения активности изотопа авторами проводились в Институте глобального
климата и геоэкологии РАН.
Необходимо заметить, что использованная в исследовании 2003 года в бассейне
реки Зуши методика отбора интегральных образцов на пашне существенно отличалась
от применявшейся авторами ранее в ряде подобных исследований. Ранее в одном
образце авторами смешивался материал, отобранный в два укола пробоотборника
(один в понижении, другой в повышении микрорельефа пашни). Цель такого отбора
проб
почвы
-
получить
осредненное
значение
и
исключить
влияни
микровариабельности запасов цезия-137.
В
описываемом
исследовании
авторы
пытались
оценить
с
помощью
радиоцезиевого метода не только средние темпы перераспределения почвы за весь
период присутствия изотопа. Авторы хотели оценить также влияние конкретного
эрозионного события. Поэтому важно было определить, существуют ли значимые
различия запаса 137Cs между различными элементами микрорельефа. Какие результаты
были получены учеными МГУ в 2003 году при исследовании радиоцезиевым методом
темпов смыва почвы на распахиваемом склоне? Поскольку район исследований был
расположен в зоне сильного чернобыльского загрязнения, то запасы чернобыльского
цезия-137 составила 30 кБк/м². Запасы «бомбового» цезия составили 2,5-3,0 кБк/м2 .
Бомбовыми выпадениями авторы исследования, естественно, пренебрегли (они малы).
Величина бомбового запаса (по данным авторов) находится в пределах ошибки метода
(±10%). Период времени был выбран от начала выпадения (аварии на ЧАЭС) до
момента опробования, то есть период расчета смыва, принят равным 17 годам (19862003 гг.).
Авторы исследовали несколько геоморфологически стабильных участков в
окрестностях изучаемого склона. За опорное значение для расчетов темпов эрозионноаккумулятивных процессов была принята величина запаса
137
Cs (37944 Бк/м2). При
этом авторы условились считать, что опорный разрез характеризует выпадение
радионуклида
в
пределах
всего
исследуемого
участка
склона.
Анализ
метеорологических данных позволил установить, что в период с 26.04. (авария ЧАЭС)
по 05.06.1986 на изучаемой территории не наблюдалось стокообразующих осадков. За
стокообразующие принимаются осадки более 10 мм. Ввиду того, что большая часть
137
Cs чернобыльского происхождения выпала в течение первого месяца после аварии,
то было принято считать, что отсутствовало влияние и
поверхностного стока на
первоначальное распределение запаса изотопа.
Сравнение измеренных величин концентрации изотопа в свежих наносах (59,5 и
71,3 Бк/кг) с диапазоном значений, полученных для интегральных образцов из
пахотного горизонта (48,1-91,5 Бк/кг), показывает отсутствие значимых отличий
(разница 11,4-21,2 Бк/кг – очень маленькая, в пределах 20-30%). Это свидетельствует о
несущественном проявлении так называемой гранулометрической избирательности
эрозии (т.е. преимущественного выноса частиц более тонких фракций, чем на опорном
участке). Этот вывод справедлив, правда, лишь для наблюдавшегося авторами ливня.
Таким образом, сделан был вывод о том, что при переходе от величин запаса
137
Cs к
количественным показателям темпов эрозионно-аккумулятивных процессов нет
существенной необходимости учитывать их «гранулометрическую избирательность».
В нижней половине склона, по наблюдениям авторов исследования, в тальвеге
эрозионной борозды наблюдаются более низкие значения запаса цезия-137, чем на
микроводоразделах. Это, естественно, показывает величину смыва почвы по борозде
за один ливень. Однако на отдельном нивелировочном профиле авторы измерили запас
цезия-137, который в борозде превысил запас на незатронутых смывом участках. По
мнению авторов, это может быть обусловлено увеличенной мощностью почвенного
слоя в зоне аккумуляции, т.е. присутствием погребенного в результате аккумуляции
пахотного горизонта. Совершенно естественным объяснением авторов было то, что
точка пробоотбора в эрозионной борозде оказалась расположена в зоне с чередование
эрозии (участок борозд в днище ложбины) и аккумуляции (ее формирование связано с
заполнением
борозд
материалом
пахотного
горизонта
с
прилегающих
микроводоразделов в результате смыва или механического сноса пахотными
орудиями). Авторы также предположили, что в наиболее глубоких из ранее
погребенных борозд мог сохраниться материал пахотного горизонта, «захороненного»
вскоре после аварии на ЧАЭС, соответственно, с более высокими концентрациями
цезия-137.
Запас цезия-137 на микрогребнях, по данным авторов, по всей длине склона
превышал запас в микропонижениях. По нашему мнению это объясняется тем, что
авторы приурочивали точки пробоотбора в микропонижениях к тальвегу борозды
эрозии.
В верхней части склона, отметили авторы, эти различия были слабее выражены.
По мере же продвижения к подножию склона ситуация менялась. Авторы отметили,
что запасы изотопа в микропонижениях в этом же направлении (к подножию склона)
приближались к запасам в днище основной эрозионной борозды, что свидетельствует
об увеличении интенсивности смыва.
Для перехода от относительных величин запаса цезия-137 в точках опробования
к
средним
темпам
перераспределения
почвы
авторами
исследования
были
использованы относительно простые калибровочные зависимости – так называемая
пропорциональная, а так же и простая масс-балансовая модели. Сравнение двух
методик показало, что денудации поверхности, рассчитанные по простой массбалансовой модели, во всех точках превысили полученные по пропорциональной
модели. Это, по мнению авторов, связано с тем, что простая масс-балансовая модель
учитывает уменьшение во времени концентрации изотопа в пахотном горизонте точки
за счет подпашки не содержащего цезия-137 материала из нижележащего горизонта. В
пропорциональной же модели принимается допущение о постоянстве во времени
концентрации цезия-137 в пахотном горизонте.
Самые важные выводы авторов, по нашему мнению, сводятся к следующему.
Максимальные темпы смыва характеризуют борозды, средние темпы смыва –
микропонижения между гребнями боронования, самые низкие темпы смыва –
гребни. Авторы предположили, что разница между измеренными запасами изотопа в
точках на микрогребнях и в тальвеге эрозионной борозды, а также
и
микропонижениях прямо пропорциональна выносу материала из последних за один
рассматриваемый ливень. Тогда величина смыва за ливень для всей эизучаемой
эрозионной системы может быть составлен из следующих составляющих. Смыв из
основной эрозионной борозды может быть оценена в 10,2 т/га (вынос материала из
эрозионных борозд) плюс 8,6 т/га (вынос материала из микропонижений от
боронования), т.е. 18,8 т/га в пересчете на всю площадь рассмотренного
микроводосбора (4,2 га). Авторы подчеркивают, что приведенные величины имеют
весьма приблизительный характер и точность их оценить невозможно, поскольку они
получены всего по 5 измерениям. Однако, авторы делаю важный для нас вывод.
Очевидна потенциальная возможность применения
137
Cs для количественной оценки
перераспределения почвы даже за одно эрозионное событие. Это, по мнению авторов,
позволит расширить диапазон применения метода.
В целом (и это важно отметить), анализ распределения запасов изотопа в
изученных
образцах
и
результатов
расчетов
средних
темпов
эрозионно-
аккумулятивных процессов за последние 17 лет по калибровочным моделям показали
очень
значительные
потери
цезия-137
(и,
следовательно,
почвы)
непродолжительное время. Это может быть объяснено, по мнению авторов,
за
либо
действительно имевшим место усилением интенсивности эрозионно-аккумулятивных
процессов в этот период, либо погрешностями определения запаса цезия-137. Ошибки
могут быть обусловлены с условиями отбора проб и использованием нестандартной
методики. В частности, по мнению авторов, отбор проб непосредственно после
боронования (что важно отметить, при неуплотненной верхней части пахотного
горизонта) мог привести к занижению запаса цезия-137. Это обусловлено временным
увеличением мощности слоя почвы, содержащего изотоп (до превышающей 30 см), в
особенности на микрогребнях. Авторы также считают, что при отборе проб в один
укол возможно влияние микровариабельности запаса изотопа в пахотном горизонте.
Она, в первую очередь, зависит от степени увлажненности верхней части почвенного
профиля во время проведения механической обработки.
Другим возможным источником ошибки, по мнению авторов, является
использование одной величины эталонного запаса цезия-137 при расчетах для всего
склона. Чернобыльские выпадения характеризовались значительной пространственной
неравномерностью.
Поэтому
нельзя
исключить
возможность
существования
значительного пространственного тренда первоначального выпадения изотопа (то есть
роста или наоборот уменьшения выпадения радионуклида). Авторы утверждают, что
величина первоначального запаса чернобыльского цезия должна возрастать на северозапад, в сторону так называемого «Плавского цезиевого пятна». В этом случае, по
мнению авторов, для расчета темпов эрозионно-аккумулятивных процессов в нижней
части исследуемого склона следовало бы брать более низкую величину эталонного
запаса, чем полученную по опорному участку на водоразделе. При таком подходе,
вероятно, рассчитанные по калибровочным моделям темпы смыва на большей части
склона оказались бы более низкими.
В контексте настоящей работы нужно сделать важный вывод. Развитие
радиоцезиевого метода должно идти в направлении уточнения методов определения
опорного (фонового) значения цезия-137. И уточнение это необходимо осуществлять,
принимая во внимание тот факт, что выпадение чернобыльского цезия-137 было
неравномерным. Вполне вероятно, что на осаждение загрязненных радиоцезием
атмосферных осадков влияла шероховатость подстилающей поверхности. То есть, над
более «всхолмленными» участками могли быть большие по радиоактивности
выпадения. Или, например, при подъеме по распаханному склону воздушного потока
из-за турбулентности над вспаханной поверхностью в нижней части склона могли
быть большие выпадения. И так далее…
В работе Трофимец и др., 2010 говорится «:…Исследования, проведенные в
Воронежской лесотехнической академии (Михина и др, 2010) показали, что снижение
скорости ветрового потока происходит на заветренной (термин авторов) стороне
лесонасаждений (продуваемой конструкции) на расстоянии 5Н (где Н – высота
деревьев) на 64,3%. На расстоянии 2Н снижение скорости ветрового потока
происходит на 43,7%. На участке 10…20Н скорость ветрового потока составляет 51,1
– 65,2% от контроля.
Для настоящих исследований важны эти выводы потому, что подтверждают наше
предположение о главной причине увеличения активности цезия-137 на расстоянии
130-140 метров от лесонасаждений. Эта причина заключается в
«увеличении
пылевыпадений в связи с максимальным снижением скорости ветрового потока». То
есть, даже если причина увеличения радиоактивности на подветренной стороне
оврагобалочной лесополосы не связана со снижением скорости ветрового потока и,
соответственно, с увеличением объема выпадений радионуклида, а объясняется
другими причинами (их еще следует изучить), но сам факт наблюдаемой повышенной
радиоактивности почвы на определенном участке склона свидетельствует о
необходимости дополнительных исследований по проблеме корректного установления
опорного (фонового) значения удельной активности цезия-137.
Возможно также, что в августе 1986 года интенсивные ливни на невспаханной
поверхности могли обусловить смыв поверхностного слоя почвы, загрязненного
радиоцезием. Возможно, эта почва была захоронена в нишах и тальвегах,
сформированных в лессовых породах. На рис. 2.5 показан пик радиоактивности,
«заглубленный» в устье распахиваемой ложбины на 18 см с активностью, соизмеримой
с радиоактивностью почвы на естественном склоне. Это говорит в пользу
предположения, что пик на диаграмме – почва 1986 года. На водоразделе сегодня
радиоактивность почвы ниже 200 Бк/кг. Объясняется это выносом с урожаем части
радиоактивности за период с 1986 года. Попадание почвы с радиоактивностью выше
300 в точку пробоотбора, возможно, из-за ее «подтока» в связи с проявлением так
называемого лессового псевдокарста.
Согласно имеющимся метеоданным, интенсивные ливневые дожди наблюдались
по всей северной части Орловской области в последней декаде августа 1986 г.
Наиболее сильный ливень прошел 26.08.1986, когда выпало 25-35 мм осадков
(метеостанции Мценск и Орел). В том случае, если анализируемое поле в тот момент
было уже убрано, но еще не перепахано, смыв почвы, и, очевидно, потери запаса
цезия-137 могли быть значительными.
И если мы берем радиоактивное загрязнение почвы на опорном участке с уже
смытыми почвами (за этот ливень в августе 1986 года), то мы изначально уже
фактически увеличиваем величину смыва почвы. В пользу этого предположения
говорит тот факт, что в балках-водоприемниках послойный отбор проб почвы через 2
см показал, что на некоторой глубине погребен слой почвы с большой
радиоактивностью (больше той, что наблюдается на распаханном водоразделе).
Возможно, что тот самый слой радиоактивно загрязненной почвы, смытый во время
августовского ливня 1986 года, погребен в принимающей балке.
А возможно смытая в 1986 году загрязненная радиоцезием почва через норки
грызунов проникла вглубь, и в условиях лессовых пород (подстилающие породы в
Орловской области – лессовые породы) сформировала слой почвы с повышенным
радиоактивным загрязнением. Этот слой, который находится глубже пахотного
горизонта и глубже основной массы корней растений, практически снижает свою
радиоактивность только вследствие естественного распада цезия-137 (нет выноса с
урожаем части радиоактивности). Этот аспект еще не исследовался учеными. На рис.
2.4 приведена фотография, (сделанная в апреле 2017 года на экспериментальном
участке в бассейне реки Сухая Орлица). На ней - положение воронок и точек отбора
проб почвы по глубине на карте профильной кривизны и на космическом снимке и
диаграмма в точке 24153.
Воронки обнаружены в тальвеге ручья. На диаграмме на глубине 14 см виден
второй пик радиоактивности (возможно из-за подтока радиоактивной почвы по
подземным ходам грызунов) На рис. 2.5 показан пик радиоактивности в устьевой части
тальвега распахиваемой ложбины. Ложбина крупная. Являясь базисом эрозии для
склонов, она могла «заставить» радиоактивную почву в 1986 году по подземным
«лабиринтам» псевдокарста уйти в сторону. В последующие годы эта почва
«вернулась» в тальвег ложбины. Она возможно, и зафиксирована на глубине 18 см в
точке 4136 в 2013 году.
Рис. 2.4. Слева – норки грызунов и ручьи, «соединяющие» эти «микробазисы
эрозии». В центре - воронки – в тальвеге ручья (на карте профильной кривизны и на
космическом снимке). Справа – диаграмма для точки 2415.3. Второй пик радиоцезия на глубине 14 см
Балка Биофабрика 100.51
2010 г.
Распределение цезия-137 по глубине
цезий-137, Бк/кг
50
100
150
0-2
глубина, см
24-26
32-34
250
300
350
цезий-137, Бк/кг
0
6-8; 169,6
8-10
16-18
200
0-2; 151,9
16-18; 318,9
20-22; 104,8
30-32; 33,90
40-42
48-50
100
200
0-2
глубина, см
0
10-12
20-25
60-70
80-90;
15,3
25-30;
117,4
300
400
2-4;
346,6
4-6;
331,3
Рис. 2.5. Слева – на диаграмме пик радиоцезия в точке послойного отбора проб
почвы (устье ложбины и место обора проб помечено стрелкой на космическом снимке
справа) на глубине 18 см – 318,9 Бк/кг. В центре – на естественном склоне балки
активность цезия-137 на глубине 2-4см (346,5 Бк/кг) такая же, как в тальвеге ручья (на
глубине 18 см).
Иначе говоря, вопросов еще немало, что говорит в пользу перспективности
развития радиоцезиевого метода для изучения эрозионных процессов.
Вывод.
Радиоцезиевый метод требует своего усовершенствования. Использоваться он
сегодня должен в комплексе с традиционными методами. Вместе с тем, только этот
метод сегодня может дать максимально большую информацию при точечном изучении
эрозии как на естественных, так и на распахиваемых склонах. Именно поэтому во всем
мире он получает все большее распространение.
ГЛАВА 3. ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА И ИХ РОЛЬ В
СМЫВЕ ПОЧВЫ (НА ПРИМЕРЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО УЧАСТКА)
На картах масштаба 1:10000, используемых в практическом землепользовании,
отображается рельеф, сформировавшийся более 10000 лет тому назад, во время
последнего ледникового периода [1,4]. Сегодня на современной поверхности
распахиваемых склонов этот рельеф представлен ложбинами мезо - и микромасштаба,
межложбинными
межблочными
водоразделами
понижениями
-
(на
на
склонах),
блочными
водораздельной
повышениями
поверхности
(рис.
и
3.1).
Топографические карты крупного масштаба позволяют распознавать эти особенности
рельефа. Однако, крупномасштабные картографические построения в современном
землепользовании
сверхвысокого
пока
используются
разрешения
землепользовании.
также
крайне
редко
Аэрофотосъемка
редко.
Космические
применяются
сегодня
снимки
в
практическом
недоступна
большинству
землепользователей. По этим причинам в работах, связанных с оценкой почвенных
ресурсов для конкретных землепользований, имеющаяся в наличии информация
ограничивается той ее частью, которая может получена из карт масштаба 1:10000.
Не секрет, что современное антропогенное воздействие на распахиваемую
склоновую поверхность, осложненную ложбинными формами, «добавляет» к мозаике
эрозионных форм еще, по меньшей мере, две формы. Это – ручьи, действующие в
период талого или ливневого стока, и колеи от сельскохозяйственной техники (или
автотранспорта), оказывающие непосредственное влияние на формирование участков
смытых почв.
Колеи
от
сельскохозяйственной
техники
являются
первопричиной
возникновения неровностей в рельефе. Эти неровности дают начало ручьям,
действующим в период высокого стока. Известно, что после осенней уборки урожая
колеями бывает испещрена практически вся распахиваемая склоновая поверхность
(это отмечал автор весной и осенью неоднократно). Если после уборки урожая
осенний период характеризуется выпадением интенсивных осадков, то неровности
рельефа могут выступать причиной формирования ручейковой сети. Колеи перед
весенним таянием снега являются фактором, нарушающим целостность почвенного
покрова склона и непосредственно являющимися эрозионно - активными участками на
склоновой поверхности.
Эрозионная роль колей не может быть проигнорирована. Литературные данные
свидетельствуют о том, что и мышиные норки на полях зерновых культур в условиях
распространения
лессовых
пород,
несомненно,
создают
предпосылки
для
формирования эрозионных процессов в периоды высокого стока (рис.2.4).
В
настоящей работе
рассматривается
несколько
вариантов
применения
космических снимков к изучению эрозионных процессов на распахиваемых склонах.
Во-первых, анализируется возможность идентификации зон смыва и аккумуляции
почвы с помощью космических снимков сверхвысокого разрешения в тальвегах
древних ложбин стока.
Во-вторых,
исследуется
возможность
изучения
происхождения
ручьев
антропогенного происхождения с помощью космических снимков сверхвысокого
разрешения.
Идентификация зон смыва и аккумуляции почвы с помощью космических
снимков сверхвысокого разрешения в тальвегах древних ложбин стока.
На космических снимках высокого разрешения можно видеть изображение почв
разного тона и окраски.
Возможности дешифрирования любых природных объектов определяются
разрешающей способностью сетчатки человеческого глаза. Она составляет примерно
0,1 мм. Склонность почвенного покрова эрозии
обычно достаточно
четко
устанавливается по тону и рисунку изображения. Почвы, подверженные дефляции,
имеют более светлый тон, для них свойственны микроформы эолового рельефа.
Смытые почвы, что характерно, представлены на снимках в более светлых тонах, а
намытые почвы - в темных.
С увеличением степени смытости, очевидно, тон снимка становится более
светлым. Проблема в том, что слабосмытые почвы визуально очень сложно,
практически невозможно отличить от несмытых.
Светлый цвет изображения указывает на эрозионные борозды и на относительно
сухие участки почвы. Эту характеристику космических снимков использовали в
настоящей работе при изучении смыва и аккумуляции почвы в тальвегах эрозионных
форм (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Космический снимок экспериментального участка. Темные полосыложбины древнего происхождения. Светлые – межложбинные водоразделы.
Рис. 3.2. Топографическая карта, наложенная на космический снимок. Хорошо
видно, что карта отображает не все формы ложбинного рельефа вследствие мелкого
масштаба. Масштаб карты 1:25000.
При этом в качестве маркера смытости почв использовался цезий-137
чернобыльского происхождения. Индикационные свойства цезия-137 чернобыльского
происхождения
апробированы
неоднократно.
Хотя
нерешенных
проблем
использования метода еще достаточно, но все они связаны с точностью расчета смыва.
Они требуют дополнительных подробных исследований. Стоит упомянуть некоторые
из них. Первая - установление эталонного или фонового или опорного значения
удельной активности цезия-137. Не вызывает сомнений, что это значение должно
устанавливаться на таких участках склона, которые наименее подвержены смыву. Эти
участки, очевидно, должны быть расположены на основной водораздельной
поверхности или на микроводоразделах между ложбинами (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Элементы полигонально-блочного микрорельефа на водораздельной
поверхности – блоки и межблочные понижения (врезка справа в верхнем углу).
Размеры блоков – около 20-33 м. Размеры межблочий меньше – порядка 10 м.
Вторая нерешенная проблема метода также связана с назначением фонового
значения удельной активности цезия-137. Есть мнение, что вследствие вариабельности
выпадения радиоцезия в 1986 году формировались зоны загрязнения. Иначе говоря,
вполне вероятно, что на водораздельной поверхности может фоновая удельная
активность быть существенно выше, чем фоновая удельная активность у основания
распахиваемого склона или на соседнем склоне. При этом, использование фоновой
удельной активности, полученной у основания распахиваемого склона, для расчета
смыва на участке основания распахиваемого склона существенно уменьшит величину
смыва, нежели при использовании фоновой удельной активности на водораздельной
поверхности. Дело в том, что при сравнении измеренной в точке пробоотбора
удельной активности цезия-137 с фоновой удельной активностью разница будет
показывать уменьшение содержания радиоцезия в почве вследствие смыва почвы.
Глубина отбора пробы почвы 20 см. Но в случае смытой почвы, в эти 20 см попадет
подпахотный горизонт почвы, который не загрязнен был радиоцезием в 1986 году. Это
наглядно видно на рис. 3.4 и 3.5. На рисунке 3.4 видно, что на водоразделе при
попадании точки пробоотбора в тальвег понижения почва слабосмытая. Эту точку
нельзя принимать для определения фонового значения радиоцезия. Из 20 см пахотного
горизонта смыто по меньшей мере 4 см. На рис. 3.5. видно, что в тальвеге ложбины
тем более нельзя «искать» фоновое значение. На рисунке видно, что из 20 см почвы
радиоцезием загрязнены 10 см. Следовательно, с 1986 года в данной точке смыто по
меньшей мере 10 см пахотного слоя.
Рис. 3.4. В микропонижении смытая почва. Смыто как минимум 4см.
Распределение цезия-137 по глубине (дно
распахиваемой части ложбины т.102.5)
2010 г
цезий-137, Бк/кг
0
50
100
150
глубина, см
0-2
8-10
200
0-2; 148,5
8-10; 62,6
10-15; 5,1
25-30
45-50
65-70
Рис. 3.5. В точке, приуроченной к тальвегу распахиваемой ложбины, смыто
более 10см с 1986 года
Использование космических снимков к изучению эрозионных форм
рельефа природного происхождения (древних ложбин стока)
Применение
перераспределения
космических
снимков
цезия-137
настоящей
в
для
анализа
работе
пространственного
приводится
на
примере
распахиваемой части ложбины в пределах пахотного склона в правобережье реки
Сухая Орлица.
Отбор образцов почвы и радиологический анализ проводились в 2011 году. В мае
2011 года (после засушливого 2010 года) отбирались образцы почвы. Отбор образцов
производился пробоотборником диаметром 4 см и высотой 20 см в три укола с
глубины 0-20 см (глубина пахотного горизонта). При этом уколы производились вокруг
центральной точки (в радиусе 20 см²), координаты которой фиксировались с помощью
GPS- навигатора Garmin. Формировался смешанный образец почвы, отобранный в
пределах одной микроформы рельефа (в одном образце не смешивалась почва
понижения и выпуклого отрога). Радиологический анализ проводился в Центре
химизации и сельскохозяйственной радиологии «Орловский» на спектрометре Гаммаплюс. Координаты точек отбора проб, активность цезия-137 в точке заносились в
электронную базу данных. По этим данным строился векторный слой в программе
MapInfo.
Рис. 3.6 Тальвег распахиваемой части ложбины в виде извилистых русел, соединенных
между собой перемычками. Между точками 111.20 и 111.1 видны «меандры» по которым шел
размыв по правому и левому бортам тальвега распахиваемой части ложбины (рис. 3.4)
Рис. 3.7 На космическом снимке видно, что в зоне ниже точки бифуркациирадиоактивность почвы снижена в два раза. Это свидетельствует о размыве.
Если по светлой линии тальвега провести полилинию (рис. 3.8), то на
космическом снимке (в увеличенном масштабе) можно увидеть чередование зон смыва
и
намыва
(аккумуляции).
Именно
такой
волнообразный
режим
обусловил
вариабельность удельной активности цезия-137 в точках пробоотбора.
Из данных, приведенных на рис. 3.8 можно сделать заключение. Произошло,
вероятно, следующее. Насыщенный эродированным материалом поток достиг ранее
сформированное аккумулятивное тело (видно, что склоны, с которых происходил
смыв, характеризуются повышенной крутизной (3-5 градуса)). Энергии потока
оказалось достаточно, чтобы «пробить» преграду и образовать два рукава в обход этой
преграды. Вероятнее всего точки пробоотбора с низкой радиоактивностью почвы
«попали» в эрозионные борозды в днище распахиваемой части ложбины. Точки же с
относительно высокой радиоактивностью оказались в пределах аккумулятивного тела
(оно на космическом снимке более темного цвета (на рисунке аккумулятивное тело
находится внутри светлого контура, изображающего эрозионные борозды).
Вероятнее всего, точки пробоотбора в эрозионной борозде расположены в зоне,
«…характеризующейся чередованием эрозии (развитие эрозионных борозд в днище
ложбины) и аккумуляции (заполнение борозд материалом пахотного горизонта с
прилегающих микроводоразделов в результате смыва или механического сноса
пахотными орудиями)» (Кузнецова и др., 2005) [3, 11].
Для наглядности на рис. 3.8 приведены точки пробоотбора с повышенной
радиоактивностью почвы (синие точки) и пониженной (желтые). Видно, что синие
точки, как правило, расположены по обе стороны тальвега (он изображен желтой
полилинией).
Рис. 3. 8. Точки пробоотбора с повышенной радиоактивностью почвы (синего
цвета) располагаются по обе стороны от тальвега распахиваемой части ложбины.
Изолинии крутизны показывают ее изменение от 2° до 5°ю Стрелка указывает на зону
намыва (аккумуляции) ниже склона повышенной крутизны (4 – 5 градусов), которая и
определяет смыв почвы в тальвег и формирование
радиоактивности, изображаемой синими пунсонами
участка повышенной
При
этом,
обращает
на
себя
внимание
тот
факт,
что
повышенная
радиоактивность почвы отмечается ниже склонов повышенной крутизны (рис. 3.8).
Именно в этих условиях, вероятно, осуществляется смыв загрязненной радиоцезием
почвы в зону тальвега, где и формируется участок повышенной радиоактивности.
Таким образом, на примере тальвега ложбины мы увидели, какую существенную
информацию может дать космический снимок сверхвысокого разрешения при
интерпретации результатов, полученных радиоцезиевым методом.
Второй
аспект
проблемы
использования
космических
снимков
сверхвысокого разрешения - это изучение с помощью космических снимков
эрозионных форм антропогенного происхождения.
Антропогенное нарушение поверхности наблюдается на всех высотных
позициях распахиваемых склонов. Автор наблюдали весной 2017 года сухое русло
ручья, который сформировался, по-видимому, на месте следа от мотоцикла (рис. 3.9).
Можно заключить, что поля, расположенные между населенными пунктами, наиболее
подвержены риску образования ручейковой сети в весенний период, в том числе и на
водораздельной поверхности.
В современных условиях меняющегося увлажнения (зимний сезон на
Европейской
равнине
характеризуется
чередованием
морозных
периодов
и
оттепельных), когда зимой создаются условия для просачивания влаги в почву,
изменяется и роль ручьев, участвующих в преобразовании рельефа распахиваемых
склонов. Если основными артериями стока и путями смыва почвы на полях выступают
ложбины (как показано выше), то ручьи антропогенного происхождения сегодня также
вовлекаются в этот процесс. Ручьи, наряду с древними ложбинами стока, участвуя в
эрозионном процессе, также зависимы от метеоусловий периода формирования
высокого стока. Знать роль эрозионных форм антропогенного происхождения
необходимо для правильного («устойчивого») ведения хозяйственной деятельности на
распахиваемых территориях.
В настоящем разделе работе были поставлены и решены две задачи. Первая исследовать (с помощью космических снимков сверхвысокого разрешения) степень
постоянства современных ручьев, обязанных своим возникновением колеям от
автотранспорта. Вторая – рассчитать смыв почвы в ручьях, сформированных весной в
колеях на склонах северной и южной экспозиции. Важно также было оценить
интенсивность эрозионной деятельности ручьев по сравнению с ненарушенной
поверхностью
распахиваемого
склона.
Исследовалась
также
возможность
радиоцезиевого метода для определения величины смыва серой лесной почвы в
ручьях, сформированных благодаря колеям от автотранспорта.
В этой части работы приводятся результаты экспериментальных исследований
на распахиваемом склоне в бассейне реки Сухая Орлица. В исследованиях принимал
участи автор работы, который и нашел след от мотоцикла, послуживший поводом для
проведения настоящих исследований влияния антропогенных видов деятельности (в
данном случае, влияния колей от автотранспорта на формирование эрозионной сети
природно-антропогенного происхождения) (рис. 3. 9 – 3.10).
Рис. 3.9. Автор квалификационной работы в апреле 2017 года GPS – навигатором
фиксирует след от мотоцикла (на склоне северной экспозиции) для последующего
нанесения следа на слои ГИС и для последующего отбора проб почвы в тальвеге следа
и последующего радиологического анализа почвы
Рис. 3.10. След от мотоцикла, обнаруженный автором в апреле 2017г.
На рис. 3.11.1 приводится исторический снимок 2010 года. На снимке хорошо
виден, по-видимому, след от мотоцикла. Участвует ли этот вполне невинный след
мотоцикла в эрозионном процессе? И если участвует, то в какой мере колея от
мотоцикла нарушается эрозионное равновесие на распахиваемом склоне? Для ответа
на эти вопросы в апреле 2017 года было проведено исследование радиоцезиевым
методом на экспериментальном участке (рис. 3.11.2). Участок расположен на
распахиваемых склонах балки, впадающей в реку Сухая Орлица.
На рисунках видно, что даже направление предположительно колей от
мотоцикла похожее. В 2010 году житель ехал вдоль оврагобалочной лесополосы (на
склоне северной экспозиции) и поднимался по склону южной экспозиции в сторону
пруда.
Рис. 3.11.1. Исторический снимок 2010 года (июль). Метки показывают след от
мотоцикла. Видимо, из деревни Киреевка в деревню Лошаково по этому пути в 2010
году ездил житель какой-то из деревень
В 2017 году весной подобный след наблюдали 27 апреля (рис. 3.11.2). Житель
ехал уже не вдоль оврагобалочной лесополосы по склону северной экспозиции, а
съезжал прямо по полю перпендикулярно балке. Но суть осталась прежняя. Видимо,
по этому «проторенному» пути из деревни Киреевка в поселок Стрелецкий кто-то
ездит по делам. Меняется траектория пути, но то, что след от мотоцикла становится
причиной формирования ручья, осуществляющего эрозионную работу (то есть смыв
почвы), несомненно (рис. 3.11, 3.12). Видно, что след темный, достаточно глубокий,
такой, что влажность в колее стала выше, чем влажность почвы соседней поверхности
склона. Тальвег ручья, образовавшегося в колее весной 2017 года на склоне северной
экспозиции после половодья (27 апреля) хорошо различим (рис. 3.11.2).
Рис. 3.11.2. На космическом снимке слева (снимок доступен в Google Earth)
стрелка указывает на след от мотоцикла. Снимок 2010 года (июль месяц). Справа –
тальвег ручья, сформировавшегося в колее от мотоцикла (Снимок 27 апреля 2017
года). Этот след автор работы обнаружил в период проведения визуального
обследования участка в апреле 2017 года.
На склоне южной экспозиции след (27 апреля 2017 года) был едва различим и с
трудом (почти случайно) обнаружен (всходы озимой ржи на склоне южной экспозиции
существенно боле густые, чем на склоне северной экспозиции, что осложнило поиск
тальвега ручья) (рис. 3.12)
Для
того
чтобы
установить,
сколько
почвы
было
смыто
в
ручье,
сформировавшемся в колее от мотоцикла, 27 апреля была проведена GPS съемка и
отобраны пробы почвы. Эти пробы отбирались на радиологический анализ в тальвегах
ручьев на склонах как южной, так и северной экспозиций. Для определения смыва
почвы применили радиоцезиевый метод [3, 6, 10,11, 17].
Отобрано было отобрано по 30 точек в тальвегах ручьев на склоне как южной
так и северной экспозиции. Одновременно, параллельно тальвегу, в 30-ти точках были
отобраны пробы почвы на ненарушенной поверхности склона северной экспозиции
(вдоль катены). Катена (или ландшафтный профиль) была проложена параллельно
ручью, сформированному в колее на склоне северной экспозиции. Катена была
расположена на расстоянии 1,5 метра от тальвега ручья.
Рис. 3.12. След от мотоцикла на склоне южной экспозиции едва различим из-за
достаточно густых всходов озимых. Однако видно, что след пересекает борозды
распашки, по нему формировался в период высокого стока ручей. Смыв почвы в ручье
обусловил
визуально
хорошо
распознаваемое
углубление
на
распахиваемой
поверхности склона.
Радиоцезиевый метод позволяет устанавливать потерю (смыв) почвы за период с
1986 года в конкретной точке по измеренной удельной активности цезия-137
чернобыльского происхождения в пахотном горизонте 0-20 см. Радиологический
анализ проб почвы осуществлялся в Центре химизации и сельскохозяйственной
радиологии «Орловский» на УСК Гамма плюс.
Суть радиоцезиевого метода заключается в установлении в точке отбора проб
почвы величины слоя смытой почвы за период с 1986 года (по текущий год) по
значению удельной активности цезия-137 в почвенном образце. Смыв обусловливает
уменьшение радиоактивности почвы из-за «разбавления» загрязненного слоя более
чистым из нижерасположенных более глубоких слоев почвы (то есть ниже
современного пахотного горизонта 0-20 см). Расчет интенсивности смыва почвы по
значению ее удельной активности (с момента аварии на ЧАЭС, то есть с 1986 г.)
осуществляется по формуле (1):
(1)
где R- смыв, т/га год; B –плотность серой лесной почвы, 1100 кг/м³; Zp –
мощность пахотного горизонта (0,20 м); (t-tо) – период, прошедший с даты аварии до
даты отбора проб почвы; A - отношение активности цезия-137 в образце почвы (в
точке) к опорной (фоновой) активности. За фоновое (опорное значение) в нашем
случае была принята радиоактивность почвы на блочных повышениях водораздела 180
Бк/кг); 10 – коэффициент перехода к т/га [17].
Следует обратить внимание на существенное обстоятельство. Из рис. 3.10 и 3.11
видно, что колея 2010 года не совпадает с колеей 2017 года. Это обстоятельство имеет
весьма важное значение. Если след каждый год возникает на новом месте, то это
значит, что каждый год в этом новом месте будет возникать новая эрозионная борозда.
Если весь склон в конечном итоге будет испещрен колеями от мотоциклов (по меньшей
мере, но к ним могут присоединиться и автомашины), то практически на всех этих
участках следует рассматривать проблему исследования роли колей в эрозионном
преобразовании склоновой поверхности. Сегодня же мы фактически можем
утверждать, что данные по конкретной колее (обнаруженной в апреле-мае 2017 года)
позволяют давать оценку смыва почвы за один год в ручье, сформированном в колее в
конкретном году. В том случае, если
данные по смыву почвы в колее, будут
сопоставлены с метеоусловиями осени-весны анализируемого года, это позволит
оценить влияние метеоусловий года на формирование смыва почвы (обусловленного
антропогенными причинами) в текущем году.
Рис. 3.13. Склон северной экспозиции. Слева – удельная активность цезия-137,
измеренная в тальвеге ручья, сформировавшегося в колее, на карте профильной
кривизны. Справа – тальвег этого ручья. Снимок 27 апреля 2017 года.
Разумеется, необходимым, но не достаточным условием формирования ручья в
колее, являются метеоусловия. Дополнительно должен выдерживаться еще ряд
условий. След должен быть сформирован по уже перепаханной и засеянной озимыми
почве. Почва в момент формирования следа должны быть достаточно податливой
механическому воздействию (видно, что след достаточно глубокий, то есть поездка
осуществлялась по рыхлой почве, поддающейся структурному изменению вследствие
давления).
Рис. 3.14. Справа - удельная активность цезия-137 в тальвеге ручья,
сформированного в колее от мотоцикла на склоне южной экспозиции. 27 апреля 2017
года (космический снимок доступен в Google Earth). Справа – точки на фрагменте
карты профильной кривизны. Темные участки на карте профильной кривизны – зоны
вогнутой поверхности (аккумуляции) и, соответственно, отрицательных значений
профильной кривизны. Масштаб 1:25000.
Как видно из рис. 3.13 и 3.14, удельная активность цезия-137 в тальвеге ручья на
склоне северной экспозиции (рис. 3.11) находится в пределах 140-160 Бк/кг. На склоне
южной экспозиции преобладают значения удельной активности (рис. 3.14) 100-150
Бк/кг. О чем это говорит? Это говорит о том, что одно и то же воздействие на
поверхность
распахиваемого
склона
имеет
разные
последствия
для
почв,
расположенных на склонах разной экспозиции. Очевидно, что смыв почвы на склоне
южной экспозиции будет выше чем на склоне северной экспозиции.
Таким образом, смыв, рассчитанный по удельной активности цезия-137,
измеренной в тальвеге ручья 27 апреля 2017 года, позволяет сделать заключение об
условиях формирования смыва почвы в течение весеннего сезона в анализируемом
2017 году.
На склоне южной экспозиции более энергично протекали весенние
процессы (интенсивно таял снег, что сопровождалось интенсивной эрозионной
деятельностью ручья, сформированного в колее от мотоцикла на склоне южной
экспозиции). На склоне северной экспозиции, из-за того, что этот склон позже
прогревался, менее интенсивно поэтому формировались потоки, менее интенсивно
происходило
эрозионное
их
воздействие
на
поверхность
склона.
Смыв,
соответственно, был менее интенсивен нежели на склоне южной экспозиции.
Вместе с тем, было отмечено еще одно обстоятельство.
Радиологический анализ показал существенную вариабельность удельной
активности цезия-137 как на склоне южной (рис. 3.14), так и на склоне северной
экспозиции (рис. 2.13), которую можно объяснить сложной формой склона.
Для того, чтобы объяснить вариабельность активности цезия-137, было признано
необходимым воспользоваться картой профильной кривизны (рис. 3.13, 3.14, 3.15),
построенной Паниди Е.А. [27-38]. Было обнаружено, что на участках с профильной
кривизной, описываемой положительными значениями, (в этом случае на участках
кривизна характеризует выпуклые участки склона), смыв растет, и активность цезия137 уменьшается. И, наоборот, на участках с отрицательными значениями профильной
кривизны (это вогнутые участки, где происходит аккумуляция смытого материала)
активность цезия-137 увеличивается. Однако, вследствие формирования ручья в
искусственно созданном русле (колее), эта закономерность не везде является четко
выраженной.
Рис. 3.15. Фрагмент карты профильной кривизны. Склон северной и южной
экспозиции. Слева – удельная активность цезия-137, измеренная в тальвеге ручья,
сформировавшегося в колее, на карте профильной кривизны (склон северной
экспозиции). Справа – удельная активность цезия-137, измеренная в тальвеге ручья,
сформировавшегося в колее, на карте профильной кривизны (склон южной
экспозиции). Темные участки- зоны аккумуляции (знак профильной кривизны
отрицательный). Светлые участки – зоны смыва (знак профильной кривизны
положительный).
Анализ распределения цезия-137 в тальвегах ручьев, сформировавшихся весной
2017 года в колеях от мотоцикла на склоне северной экспозиции (рис. 3.13) и южной
экспозиции (рис.2.14), показал, что в тальвегах имеют место как сильно смытые
почвы, так и имеются участки несмытых почв и намытых. Есть участки, где удельная
активность цезия-137 превысила фоновое значение 180 Бк/кг (достигнув на отдельных
участках 188,8 Бк/кг). Эти участки практически можно считать участками с
несмытыми почвами.
Отбор точек, в которых смыв почвы превысит 17 тонн/ га год и анализ их
повторяемости позволил составить таблицу 3.1. Из таблицы можно заключить, что
смыв
почвы
велик
и
на
склоне
южной
экспозиции
(в
тальвеге
ручья,
сформировавшегося в колее) и на склоне северной экспозиции (в тальвеге ручья,
сформировавшегося в колее).
Также можно констатировать, что эрозионные системы антропогенного
происхождения активно преобразовывают распахиваемые склоны, смывая в год более
10 тонн с гектара.
Вместе с тем, была замечена определенная странная закономерность. О ней
также несколько слов следует сказать.
Таблица 3.1
Процент точек с величиной смыва почвы не менее 17 т/га год и максимальный
зарегистрированный смыв почвы в точках.
Ручей в колее на
Ручей в колее на
Катена на
склоне ю. э.
склоне с. э.
склоне с. э.
Максимал Макси
ьный
ма-
смыв
льный
почвы в
смыв
ручье на
почвы
склоне ю.
в
э., т/га
ручье
год с.э.
на
склон
е с. э.,
т/га
год
с.э.
50%
41,4%
65,5%
33
32
Максимальны
й смыв
почвы
на
ненарушенной
поверхн
ости на
склоне
с. э. ,
т/га год
32
В таблице приведены результаты расчета смыва почвы в колее от мотоцикла на
склонах южной и северной экспозиции, а также на ненарушенной поверхности склона
(вдоль катены). Из 90 точек (по 30 точек в пределах каждого из профилей) смыв почвы,
превышающий 17 т/га год, фиксируется более чем в 40 процентах случаев на каждом
из рассмотренных склонов и (что существенно важно отметить) – также
на
ненарушенной поверхности склона. По результатам измерений, в 89% случаев
фиксируются почвы разной степени смытости (от средне - смытых до смытых и
сильно - смытых).
Странный на первый взгляд факт, о котором мы поговорим ниже, все же нашел
объяснение при внимательном изучении структуры следа. Мы сочли целесообразным
показать этот след в укрупненном масштабе (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Колея от мотоцикла с «оплывшей» почвой в тальвеге
На рис. 3.16 видно, что след от мотоцикла заполнен оплывшей почвой. Она,
естественно, смывалась с более выпуклых бортов колеи и откладывалась в зоне
аккумуляции, в тальвеге. Именно поэтому мы отметили следующее.
В преобладающем большинстве случаев смыв в ручье, сформировавшемся в
колее на склоне северной экспозиции, оказался меньше чем смыв на ненарушенной
склоновой поверхности. Объяснить выявленную особенность можно тем, что в
условиях «оплывания» почвы на северном склоне (вследствие постепенного таяния
снега весной) уплотненная почва в днище колеи от автотранспорта выступает
локальной зоной аккумуляции смытого с соседних участков почвенного материала. На
склоне южной экспозиции по техническим причинам не были отобраны пробы почвы
рядом с тальвегом ручья, сформированного в колее от мотоцикла. Поэтому этот вопрос
требует дополнительного исследования. На склоне южной экспозиции процесс смыва
идет более интенсивно, нежели на склоне северной экспозиции. Причина более
интенсивной активности антропогенных эрозионных форм на южном склоне дружное таяние снега весной. Возможно, для склона южной экспозиции будет
выявлена другая закономерность. Во всяком случае, вывод, что в колее от мотоцикла
смыв почвы меньше чем на засеянной озимыми поверхности распахиваемого склона,
заставляет обратить особое внимание на это обстоятельство и по – возможности,
повторить эксперимент.
Вывод. Результаты экспериментальных исследований эрозионной активности
современных ручьев, формирующихся по колеям от автотранспорта и действующих в
период талого и ливневого стока на распахиваемых склонах, позволили заключить, что
на склоне как южной, так северной экспозиции и на ненарушенной поверхности
склона северной экспозиции максимальный смыв почвы достигает 30 т/га год и более.
На
склоне
южной
экспозиции
в
50%
случаев
смыв
в
тальвеге
ручья,
сформировавшегося в колее, превышает 17 т/га год. На склоне северной экспозиции
такой величины (более 17 т/га год) смыв достиг в 41,4% случаев.
В преобладающем большинстве случаев смыв в ручье, сформировавшемся в
колее на склоне северной экспозиции, оказался меньше чем смыв на ненарушенной
склоновой поверхности. Объяснить выявленную особенность можно тем, что в
условиях «оплывания» почвы на северном склоне (вследствие постепенного таяния
снега весной) уплотненная почва в днище колеи от автотранспорта выступает
локальной зоной аккумуляции смытого с соседних участков почвенного материала
В настоящее время космические снимки широко используются при изучении
почвенных свойств. Однако при изучении почвенных характеристик в крупном
масштабе (то есть при изучении почвенных характеристик распахиваемых склонов с
формами рельефа размером от нескольких метров до нескольких десятков метров)
наиболее точные данные можно получить по-прежнему с помощью практически
только топографической съемки крупного масштаба. Это дорогостоящее мероприятие.
Поэтому исследование возможностей дистанционного зондирования (в комплексе с
почвенной
съемкой)
остается
востребованным
при
изучении
пространственного распределения показателей плодородия почв.
особенностей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
результате
экспериментального
изучения
эрозионной
активности
современных ручьев, формирующихся по колеям от автотранспорта, получены
следующие выводы. Вдоль колей от автотранспорта формируются ручьи, которые с
разной степенью интенсивности проявляют свою эрозионную активность на склонах
южной и северной экспозиции. Анализ космических снимков позволил установить,
что колеи от автотранспорта (в данном случае от мотоцикла) просматривались на
снимках 2010 и 2017 г.г. То есть нарушение распахиваемой склоновой поверхности
колеями от автотранспорта является для изучаемой территории нередким явлением.
Это означает, что смыва почвы в пределах антропогенных эрозионных форм должен
быть оценен и учитываем при разработке схем землепользования.
Полевое
обследование весной 2017 года, позволило оценить радиоцезиевым методом смыв
почвы в тальвеге ручья, сформировавшегося в колее. Сравнение смыва почвы в колее
от автотранспорта на склоне южной и северной экспозиции показало следующее. На
склоне южной экспозиции смыв почвы в тальвеге ручья, который сформировался в
колее весной 2017 года, в 50% случаев превысил 17 т/га год. На склоне северной
экспозиции смыв почвы в тальвеге ручья превысил 17 т/га год всего лишь в 24%
случаев. То есть, колеи от автотранспорта интенсивнее нарушают поверхность
распахиваемого склона на южных склонах по сравнению с северными склонами.
Одновременно проведенное сравнение смыва почвы в тальвеге ручья,
сформировавшегося в колее на склоне северной экспозиции, и рядом, на
ненарушенной поверхности склона, показало, что величина смыва почвы в тальвеге
ручья, приуроченного к колее, как правило, меньше, чем на ненарушенной соседней
склоновой поверхности. Объяснить этот, на первый взгляд необъяснимый факт, можно
следующим. В условиях постепенного таяния снега на склоне северной экспозиции
почва постепенно «оплывает», и в днище колеи от автотранспорта оплывшая почва
формирует локальные «островки» намытой почвы. Иначе говоря, на склоне северной
экспозиции колея выступает как бы локальной зоной аккумуляции смываемого с
соседних участков почвенного материала. Причина же повышенного смыва почвы в
тальвегах эрозионных форм антропогенного происхождения
на склонах южной
экспозиции - дружное таяние снега весной, вызывающее формирование ручьев с
повышенной эрозионной активностью
Теоретическое значение исследования заключается в том, что впервые было
обнаружено и объяснено явление снижения смыва почвы (на склоне северной
экспозиции) в тальвеге ручья, сформировавшегося в колее от автотранспорта по
сравнению с рядом расположенной ненарушенной поверхностью склона. Это
позволяет сделать заключение о необходимости проведения дополнительных
крупномасштабных исследований эрозионной деятельности эрозионных форм как
природного, так и антропогенного происхождения.
Практическое значение исследования состоит в том, что позволяет давать
предварительные рекомендации по учету в расчетах смыва почвы на распахиваемых
склонах эрозионных форм природно-антропогенного происхождения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Алифанов В.М., Гугалинская Л.А., Овчинников А.Ю. Палеокриогенез и
разнообразие почв центра Восточно-Европейской равнины. М.: ГЕОС, 2010.
160 с.
2.
Бастраков Г.В. Эрозионная устойчивость рельефа и противоэрозионная
защита земель. - Брянск: Изд-во БГПИ, 1993, 260 с.
3.
Беляев
В.Р.
Влияние
изменений
природной
среды
на
эрозионно-
аккумулятивные процессы в овражно-балочной сети. //Автореферат канд.
дисс.: М., МГУ. 2004. - 24 с.
4.
Величко А.А., Морозова Т.Д., Бердников В.В. и др. Палегеографические
предпосылки дифференциации почвенного покрова и развитие эрозионных
процессов //Почвоведение. 1987. №10. С. 102-112.
5.
Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем / Б.В. Виноградов.
– М.: Наука, 1984. – 321 с.
6.
Голосов В.Н. Эрозионно-аккумулятивные процессы в речных бассейнах
освоенных равнин. М.: ГЕОС. 2006. 296 с.
7.
Долгополова Н.Н. Физическая и агрохимическая характеристика почв в
условиях Центрально-черноземного государственного заповедника. Труды
ЦЧГЗ, вып. 2. – М., Колос, 1979. 416 с.
8.
Думит Ж.А. Исследование морфологической структуры рельефа бассейна
р.Кубани на основе цифрового моделирования //Автореферат канд. дисс.:
Краснодар, 2009. - 24 с
9.
Еременко Е.А. Ложбинный мезорельеф центральных и южных районов
Восточно-Европейской равнины. Автореферат канд. дисс. Москва, 2009. 24 с.
10.
Жукова О.М. Динамика эрозионно-аккумулятивных процессов центра
Русской
равнины
на
основе
применения
радиоизотопных
методов.
Автореферат дисс. канд. геогр. наук. М.: Изд-во МГУ, 2010. 26 с.
11.
Кузнецова Ю.С., Беляев В.Р., Маркелов М.В., Иванова Н.Н. Анализ
пространственно-временной
неоднородности
эрозионно-аккумулятивных
процессов на пахотном склоне. (Часть 1) //Геоморфология, 2007, № 1. С.71-84.
12.
Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв. М.: Изд-во МГУ, 1993. 200 с.
13.
Ларионов Г.А. Разномасштабная оценка и картографирование природной
опасности эрозии почв. // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 12. - М.:
Изд-во МГУ, 2000, с. 49-62.
14.
Лиев Н.Ю. Радионуклид ;-40 в почве распахиваемого склона, осложненного
ложбинным микрорельефом. Материалы международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Географические исследования Евразии: история и современность»,
посвященной 160-летию экспедиции П. П. Семенова на Тянь-Шань в рамках
XII Большого географического фестиваля. – М.: Издательство «Перо», 2016. –
С. 40-45 с. [Электронное издание]
15.
Литвин
Н.Ф.
География
и
экологические
аспекты
эрозии
почв
сельскохозяйственной зоны России. Дисс. на соиск. докт геогр. наук. Москва,
2000. 327 с.
16.
Маккавеев Н.И. Эрозионные процессы на Русской равнине//Эрозия почв и
русловые процессы. Вып. 4. М.: Изд-во МГУ, 1974. С. 6 - 14.
17.
Маркелов М.В. Современные эрозионно-аккумулятивные процессы в верхних
звеньях гидрографической сети лесной и лесостепной зон. Автореферат канд.
дисс. Москва, 2004. 26 с.
18.
Марусова Е.А. Влияние природных и антропогенных факторов на свойства
пахотных серых лесных почв южного Подмосковья. Автореферат канд. дисс.,
М., 2005. 25 с.
19.
20.
Мириманян Х.П. Почвоведение. М., Изд-во «Колос», 1965. 343 с.
Муракаев Р.Р.
Структура временных и постоянных водотоков в речных
бассейнах центра ЕТР, Западной Сибири и западного Тянь-шаня. Автореферат
канд. дисс. Москва, 2012. 27 с.
21.
Наставления метеорологическим станциям и постам. Вып.12. Наблюдения за
радиоактивным загрязнением природной среды /Под ред. К.П. Махонько,
Л.:Гидрометеоиздат, 1982, 60 с.
22.
Петраков В.Е. Роль антропогенных элементов эрозионной сети в
преобразовании распахиваемых склонов. Материалы международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Географические исследования Евразии: история и современность»,
посвященной 160-летию экспедиции П. П. Семенова на Тянь-Шань в рамках
XII Большого географического фестиваля. – М.: Издательство «Перо», 2016. –
С. 50-54 с. [Электронное издание]
23.
Степанов И.Н. Пространство и время в науке о почвах. Недокучаевское
почвоведение. М.: Наука, 2003. 400 с.
24.
Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. – Л.:Гидрометеоиздат. 1976. – 254
с.
25.
Тимофеев Д.А. Эрозия почв как геоморфологический процесс. В кн.
Размышления о фундаментальных проблемах геоморфологии. Избранные
труды. М.: Медиа-ПРЕСС, 2011. с.298-304.
26.
Трофимец Л.Н. Метеорологический потенциал атмосферы в изменяющихся
условиях увлажнения. //Ученые записки Орловского государственного
университета, № 2, 2009., с. 168-175.
27.
Трофимец Л.Н. Паниди Е.А., Иванеха Т.Л. Роль современной ручейковой сети
в трансформации рельефа распахиваемых склонов. //Ученые записки
Орловского
государственного
университета.
Серия
естественные,
технические и медицинские науки.- Орел: изд-во ФГБОУ «Орловский
государственный университет». - 2015. № 4(67). С.447-453.
28.
Трофимец Л.Н. Паниди Е.А., Чаадаева Н.Н.. Индикационные методы при
изучении современной эрозионной сети на распахиваемых склонах,
осложненных
ложбинным
государственного
рельефом.
университета.
//Ученые
Серия
записки
естественные,
Орловского
технические
и
медицинские науки - Орел: изд-во ФГБОУ «Орловский государственный
университет». - 2014. № 6(62). С.94-101.
29.
Трофимец
Л.Н.
Шенцова
О.В.
Землепользование
на
водосборных
поверхностях междуречья Оки-Дона-Днепра в условиях искусственной
радиоактивности. //Проблемы региональной экологии. Москва. - 2009. - №5.
С.259-266.
30.
Трофимец
Л.Н.
прогнозирования.
Экстремальные
//Ученые
паводки
записки
и
Орловского
возможность
их
государственного
университета. Серия естественные, технические и медицинские науки. –
Орел, изд-во ГОУ ВПО «Орловский государственный университет».- 2007.
№2. С.91-96.
31.
Трофимец Л.Н., Паниди Е.А. Методы геоморфометрии, дистанционного
зондирования и ГИС при изучении распределения радионуклида 40К в почве
распахиваемых
склонов,
осложненных
ложбинной
сетью
//
ИнтерКарто/ИнтерГИС 22. Геоинформационное обеспечение устойчивого
развития территорий в условиях глобальных изменений климата: материалы
Междунар. науч. конф. Tом 1. Москва, 2016. С. 183-189.
32.
Трофимец Л.Н., Паниди Е.А. Пространственная интерпретация результатов
экспериментальных исследований склоновых процессов с использованием
индикационных
свойств
цезия-137
чернобыльского
происхождения
//
ИнтерКарто/ИнтерГИС-20: Устойчивое развитие территорий: картографогеоинформационное обеспечение. Материалы Международной конференции,
Белгород, Харьков (Украина), Кигали (Руанда) и Найроби (Кения), 23 июля - 8
августа 2014 г., 2014. — С. 315-320.
33.
Трофимец
Л.Н.,
Паниди
Е.А.
Радиоцезиевый,
биоиндикационный
и
геоинформационный анализ при изучении эрозионной сети на распахиваемых
склонах // ИнтерКарто/ИнтерГИС-21. Устойчивое развитие территорий:
картографо-геоинформационное обеспечение: материалы международной
научной конференции Краснодар, Сочи, Сува (Фиджи) 12-19 ноября 2015 г.
Краснодар: Кубанский государственный университет, 2015. C. 158-162.
34.
Трофимец Л.Н., Паниди Е.А., Чаадаева Н.Н., Петелько А.И., Иванеха Т.Л.
Особенности применения методов биолокации и фитоиндикации в сочетании
с ГИС при изучении современной эрозионной сети на распахиваемых
склонах.
//
Материалы
международной
заочной
научно-практической
конференции «Cтратегия статистического и демографического развития: роль
науки и образования». Орел, 27-29 ноября 2014 г. С. 35-42.
35.
Трофимец Л.Н., Паниди Е.А. Роль современной и древней эрозионной сети в
формировании
смыва
почвы
на
распахиваемых
склонах
//Геоморфологические ресурсы и геоморфологическая безопасность: от
теории к практике: Всероссийская конференция «VII Щукинские чтения»:
Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 18–21 мая 2015 г.: Материалы
конференции. – М.: МАКС Пресс, 2015. С. 351-354.
36.
Трофимец Л.Н., Паниди Е.А.. Милентьев В.А. Оценка потерь почвы на
пахотном склоне с использованием радиоцезиевого метода, агрохимических
показателей и элементов ГИС анализа. Ученые записки Орловского
госуниверситета, № 3(53), 2013. - с 363-371.
37.
Трофимец Л.Н., Паниди Е.А., Особенности применения радиоцезиевого
метода
при
изучении
эрозионных
процессов
на
антропогенно
преобразованных склонах, осложненных ложбинным микрорельефом. Теория
и методы современной геоморфологии //Материалы XXXV Пленума
Геоморфологической комиссии РАН. Симферополь, 3-8 октября 2016 г. Том I.
С.365-369.
38.
Трофимец Л.Н., Паниди Е.А., Иванеха Т.Л., Лиев Н.Ю. Радиоцезиевый метод
в
изучении
распахиваемых
природно-антропогенных
склонах.
Современная
эрозионных
экология:
процессов
образование,
на
наука,
практика. Материалы международной научно-практической конференции (г.
Воронеж, 4-6 октября 2017г). С.
39.
Флоринский И.Ф. Теория и приложения математико-картографического
моделирования рельефа. Дисс. на соиск. докт геогр. наук. Москва, 2000. 267 с.
40.
Фридланд В.М. Структура почвенного покрова. М.: Мысль, 1972. 423 с.
41.
Шарый П.А. Оценка взаимосвязей рельеф-почва-растения с использованием
новых методов в геоморфометрии //Автореферат… на соискание уч. степени
канд. биол. наук. Тольятти, 2005. 25 с.
42.
Шовенгерт Р.А. Дистанционное зондирование. Методы и модели обработки
изображений / Р.А. Шовенгердт. – М.: Техносфера, 2010. – 560 с.
43.
Evans LS.General geomorfometry, derivatives of altitude, and descriptive statistics.
In: Chorley, R.J.b(Ed.), Spatial Analysis in Geomorfology. Methuen & Co., Ltd.,
London, Chap. 2, 1972, p.17-90.
44.
Mariza C. Costa-Cabral, Stephen J. Burges. Digital Elevation Model Networks
(DEMON): A model of flow over hillslopes for computation of contributing and
dispersal areas. // Water Resources Research, Volume 30, Issue 6, pages 1681–
1692, January 1994. DOI: 10.1029/93WR03512
45.
Trofimets L.N., Panidi E.A. Study of soil loss qualntity on the arable territories
using estimations of soil pollutants migration and geomorphometric parameters of
the microrelief. // 15th International multidisciplinary scientific geoconference
SGEM 2015: Water Resources Forest, Marine and Ocean Ecosystems. Conference
Proceedings. Volume ІІ. Bulgaria, Sofia, 18-24 June, 2015. P. 341-348.
46.
Panidi E., Trofimetz L., Sokolova J. Application of phyto-indication and
radiocesium indicative methods for microrelief mapping. IOP Conference Series:
Earth and Environmental Science, Vol. 34, Paper 012024, 2016, 6 p.
doi:10.1088/1755-1315/34/1/012024
47.
Panidi E., Sokolova J., Trofimetz L., Kunaeva E. Satellite Imagery Applied to
Mapping
of
Proceedings,
the
Erosion
Book
2,
Microrelief
Vol.
doi:10.5593/SGEM2016/B23/S11.053
Structures.SGEM2016
3,
2016,
pp.
Conference
415-422.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа