Закономерности формирования поверхностного стока и смыва почвы в период весеннего снеготаяния на территории агроландшафта и их влияние на качество речных вод

Введение

Эрозия почвы, вызываемая формированием поверхностного стока в период весеннего снеготаяния, отличается большей продолжительностью, но меньше выражена, чем ливневая. Потери почвы от эрозии при снеготаянии составляют чаще всего несколько тонн с гектара (Заславский, 1983). Эрозия проявляется тогда, когда почва не защищена растительностью, находится в мерзлом состоянии или имеет низкую водопроницаемость. Смыв происходит, в основном, в местах движения концентрированных потоков талой воды по освободившейся из-под снега почве, главным образом, в результате разницы температур между воздухом, водой и почвой.

Известно, что главными источниками поступления наносов в реки служит поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речным потоком (Маккавеев, Чалов, 1984; Кузнецов, Глазунов, 2004).

Существует ещё один важный аспект негативного проявления водной эрозии. Твердый сток и растворенные в поверхностном стоке химические вещества, представленные остатками удобрений и ядохимикатов, являются сильным и постоянно действующим источником загрязнения речных вод и донных отложений (Керженцев, Майснер, Демидов и др., 2006).

Известно, что твердый сток обратно пропорционален площади водосбора. В связи с этим, очевидно, что наибольшая часть смытого материала, по большей части в виде крупных частиц, оседает в нижних частях склонов, в балках, поймах, в лесах и на лугах. Лишь 1 % наиболее мелких фракций почвы транспортируется в крупные реки и моря. В мелкие реки и водоемы доходит 3—5 % твердого стока (Кузнецов, Демидов, 2002). Вместе с почвой по таким же направлениям мигрирует часть удобрений, пестицидов, микроэлементов и продукты загрязнения почв промышленными предприятиями. 

Вопросами изучения процессов миграции химических элементов занимаются ученые, как в нашей стране, так и за рубежом. По данным отечественных исследователей осадки холодного периода года содержат значительные количества химических ингредиентов. Больше всего поступает сульфат-иона (8, 5 кг/га), кальция (4, 1 кг/га), хлорид иона (3, 8 кг/га), гидрокарбонат-иона (3, 2 кг/га), нитрат-иона (2, 9 кг/га) и иона аммония (1, 8 кг/га). Кроме этого, за осенне-зимний период наблюдается миграция химических элементов из почвы в снег, которая зависит от градиента температур и концентрации веществ в почве. Миграция биогенных веществ с продуктами эрозии составляет 65 % от их потерь с урожаем (Кузнецов, Демидов, 2002).

Цель исследования

Цель наших исследований состояла в оценке закономерностей проявления эрозионных процессов на территории водосборного бассейна малой реки и влиянии поступающих со смытой почвой и поверхностным стоком химических веществ на качество речных вод в период весеннего половодья.

Для выполнения цели исследований на модельном водосборе малой реки Любожихи в период весеннего снеготаяния с 2007 по 2010 года проводились режимные наблюдения за стоком талых вод, смывом почвы и химическим составом паводковых вод.

Материалы и методы

Экспериментальный водосбор расположен на юге Московской области вблизи г. Пущино, (юг Московской области). Географическое положение определяется следующими координатами: 54^о 45^¢—54^о 49^¢ северной широты и 37^о 26^¢—37^о 36^¢ восточной долготы. Площадь до створа наблюдений — 18, 9 км², из которых на долю пашни приходится 9, 9 км², лес — 7, 1 км². Остальные 1, 9 км² находятся под лугами, балками, лощинами, оврагами, дорогами, постройками и т.д.

Река Любожиха относится к малым рекам, с длиной менее 10 км и площадью водосбора до 50 кв. км. Данный тип рек характерен для большей территории России, и сток малых рек, по большей части характеризует формирование стока крупных рек. Данный бассейн является характерным для правобережья р. Оки, как по сельскохозяйственной освоенности, так и по почвам (Атлас…, 2003).

Почвенный покров водосборного бассейна р. Любожихи представлен серыми лесными почвами, которые подразделяются на 2 подтипа: серые лесные и темно-серые лесные. Более половины общей площади территории изучаемого бассейна занимают серые лесные средне- и тяжелосуглинистые почвы на покровных суглинках (Алифанов, 1995).

В результате многовековой распашки серых лесных почв и проявлению на этой территории достаточно высоких темпов эрозионных процессов темно-серые лесные почвы подверглись деградации и разрушению.

Учет жидкого стока проводился с помощью трапецеидального водослива, установленного, в замыкающем створе водосбора. Регистрация высоты водного потока на водосливе проводилась при помощи автоматизированной системы ISCO-6700 с модулем ISCO-730. Данная система также позволяет производить в заданном временном режиме отбор 24 литровые пробы воды для определения химического состава и содержания почвенного материала.

Определение содержания химических элементов в воде и смываемой почве проводилось стандартными методами по следующим показателям: pH — потенциометрически; Са²⁺ и Mg²⁺ — комплексонометрическим методом; К⁺ и Na⁺ — пламеннофотометрически; HCO₃^— — титрованием кислотой в присутствии индикатора метилового оранжевого; Cl^— — аргенометрическим методом; SO₄^2— — весовым методом; P₂O₅ — аскорбиновым методом; N-NH₄⁺ — фотоколориметрически; N-NО₃^— — по разнице N (общ. мин.) и N-NH₄⁺ (Агрохимические методы..., 1975; Аринушкина, 1970).

Результаты и обсуждение

Формирование поверхностного стока зависит от атмосферных осадков, выпадающих на водосборную территорию. В период весеннего снеготаяния определяющую роль в формировании стока играет снежный покров и запасы воды в нём. Результаты наблюдений за высотой снежного покрова и запасами воды в нём перед снеготаянием с 2007 по 2010 годы показали, что средняя высота снежного покрова перед снеготаянием колебалась от 19 см в лесу до 40 см на прочих территориях. Запасы воды в снеге с учетом выпадения осадков за период снеготаяния по годам колебались от 83, 6 мм до 123, 0 мм (таблица 1).

Таблица 1 — Средняя высота снежного покрова (d) и запасы воды в нем (S) на водосборной территории  

Формирование стока паводковых вод и смыва почвы зависят от температурного режима в период снеготаяния. Продолжительность половодья — от общей ситуации, складывающейся на территории водосборного бассейна. Проведенные наблюдения показали, что продолжительность половодья в указанные годы колебалась от 22 до 45 дней (рисунок 1).

За период наблюдений наименьший расход воды отмечался в начале снеготаяния и составил 0, 03 м³/с, а максимум — в пик половодья (1, 40 м³/с). За период наблюдений наибольший суточный объём стока талых вод составил 1199474 м³/сут (2007 г.). За период исследований коэффициент стока изменялся в пределах 0, 11—0, 48 (таблица 1).

Рисунок 1 — Динамика среднесуточного расхода воды в годы исследований

Наблюдения за смывом почвы (взвешенные частицы) показали, что содержание взвешенных наносов зависит от объёма стока и временного периода снеготаяния. Во все годы исследований наибольшее содержание взвешенных частиц наблюдалось в период максимума стока. Вместе с водой по нашим расчётам с водосборной территории выносилось в среднем 832 346 кг только взвешенных наносов, что составляет 442 кг/га (таблица 2). Казалось бы, эта величина достаточно небольшая, но, тем не менее, этот показатель смыва со всей площади бассейна. Эрозионные же процессы идут, как правило, на землях, используемых в с.-х. производстве, особенно на пахотных землях. Исходя из этого, смыв почвы с пашни в годы исследований составил в среднем 838 кг/га. Это только взвешенных наносов, не считая той почвы, которая отложилась в местах её аккумуляции.

Таблица 2 — Показатели стока талых вод и смыва почвы (взвешенные наносы) в годы исследований 

Содержание большинства химических элементов в воде, во многом объяснялось динамикой жидкого стока. Исследования показали, что по химическому составу воды р. Любожихи относятся к гидрокарбонатно-кальциевым. По содержанию анионов в составе речных вод гидрокарбонаты занимают первое место. В период паводка наблюдается обогащение паводковых вод сульфатами за счет их выноса из почвы поверхностно-склоновыми и почвенно-грунтовыми водами. Наблюдения показали, что максимальные концентрации химических веществ в паводковых водах в период наблюдений составили следующие величины: HCO₃^- — 163,5, Cl^- — 15,1, SO₄^2- — 27,1, Ca²⁺ — 52,1, Mg²⁺ — 14,1, K⁺ — 3,2, Na⁺ — 5,1, N-NO₃^- — 2,26, N-NH₄⁺ —0,35 и Р₂О₅ — 0,2 мг/л. Причем максимальные концентрации этих элементов наблюдаются при минимальных расходах паводковых вод. С возрастанием расхода воды концентрация химических веществ, как правило, минимальная.

Кислотность паводковых вод зависела от рН снеговых вод и объема стока. рН уменьшался к кислому при повышении объёма стока. Наиболее низкое содержание хлора в речной воде было отмечено в период интенсивного таяния снега. Учитывая, что содержание хлора в серых лесных почвах не превышает 1—2 мг/100 г почвы, таким образом, можно предположить дополнительное его поступление в результате разложения растительных остатков в осенне-зимний период.

Довольно высокое содержание магния в воде реки связано с наличием в четвертичных отложениях монтмориллонитовых глин, а также доломитизированных известняков, в которых происходит выщелачивание ионов магния.

Проведенные расчеты выноса химических веществ с паводковыми водами показали следующие результаты (таблица 3).

Таблица 3 — Вынос химических веществ с паводковыми водами

Из исследуемых элементов наибольшее количество с паводковыми водами выносится гидрокарбонат-иона (в среднем за четыре года 28, 449 кг/га), а наименьшее количество Р₂О₅ — 0, 028 кг/га. Причем величина выноса исследуемых веществ снижалась с 2007 по 2010 годы, что связано с уменьшение величины поверхностного стока (таблица 3).

По уменьшению величины выноса, исследуемые химических веществ их можно расположить в следующей последовательности:

НСО₃^->Са²⁺>SO₄^2->Cl^->Mg²⁺>Na⁺>К⁺>N-NO₃^->N-NН₄⁺>P₂O₅

Выводы

Изучение стока в период весеннего половодья имеет важное, как теоретическое, так и практическое значение. Это установление закономерностей формирования поверхностного стока и создание моделей, позволяющих проводить различные сценарии с целью оценки и прогноза стока талых вод. Формирование поверхностного стока на водосборной территории приводит не только к паводковым ситуациям, но и способствует развитию эрозионных процессов на данной территории. В результате формирующиеся водные потоки смывают и размывают верхний, наиболее плодородный слой почвы или способствуют образованию оврагов.

Зная закономерности формирования поверхностного стока, можно рассчитать потери почв в результате эрозии, а по химическому составу стекающих поверхностных вод оценить состояние и функционирование различных ландшафтов.

Малые водосборные территории являются основными составляющими глобального гидрохимического стока, конечной точкой которого являются либо замкнутые депрессии, либо океан.

В результате проведенных исследований установлено, что формирование на водосборной территории поверхностного стока талых вод и смыва почвы зависит от запасов воды в снеге и температурного режима, складывающегося в период снеготаяния. В результате поступления с водосборной территории поверхностных вод и смытой почвы происходит изменение химического состава речной воды. Максимальные концентрации химических элементов наблюдаются при минимальных расходах паводковых вод. С возрастанием расхода воды их концентрация имеет минимальные значения.

Вместе с поверхностным стоком и смываемой почвой выносятся химические вещества, используемые в сельскохозяйственном производстве, и различные загрязнители (радиоактивные вещества, отходы промышленного производства и т.д.). Однако количество смытой почвы, поступившей в реку, не может служить точной мерой всех продуктов эрозии на ее водосборной территории, так как значительная часть смытого материала аккумулируется на поймах, у подножия склонов, в различных понижениях рельефа и за пределы водосборного бассейна не выносится.

Проведенные наблюдения показали, что с водосборной территории с поверхностным стоком в речные воды могут поступать следующие  химические вещества по уменьшению их величины:

НС0₃^->Са²⁺>SO₄^2->Cl^->Mg²⁺>Na⁺>К⁺>N-NO₃^->N-NН₄⁺>P₂O₅

Литература

1. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975.656 с.
2. Алифанов В.М. Палеокриогенез и современное почвообразование. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1995. 318 с.
3. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 488 с.
4. Атлас Московской области масштаба 1:100 000, 2-е изд. Изд-во: АСТ-Пресс Картография, Роскартография, Москва, 2003.
5. Заславский М.Н. Эрозиоведение. М.: Высшая школа. 1983. 320 с.
6. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв: Учебник — 2-е изд. перераб. и дополн. М.: Изд-во Моск. ун-та, Изд-во “Колос”, 2004. 352 с.
7. Кузнецов М.С., Демидов В.В. Эрозия почв лесостепной зоны Центральной России: Моделирование, предупреждение и экологические последствия. М.: Полтекс, 2002. 184с.
8. Керженцев А.С., Майснер Р., Демидов В.В. и др. Моделирование эрозионных процессов на территории малого водосборного бассейна. М.: Наука, 2006. 224 с.
9. Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Эрозионные процессы. М.: Мысль, 1984. 220 с.

Literature

1.    Agrohimicheskie metody issledovaniya pochv. M.: Nauka, 1975.656 s.

2.    Alifanov V.M. Paleokriogenez i sovremennoe pochvoobrazovanie. Pushchino: ONTI PNC RAN, 1995. 318 s.

3.    Arinushkina E.V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv. M.: Izd-vo MGU, 1970. 488 s.

4.    Atlas Moskovskoj oblasti masshtaba 1:100 000, 2-e izd. Izd-vo: AST-Press Kartografiya, Roskartografiya, Moskva, 2003.

5.    Zaslavskij M.N. EHroziovedenie. M.: Vysshaya shkola. 1983. 320 s.

6.    Kuznecov M.S., Glazunov G.P. EHroziya i ohrana pochv: Uchebnik — 2-e izd. pererab. i dopoln. M.: Izd-vo Mosk. un-ta, Izd-vo “Kolos”, 2004. 352 s.

7.    Kuznecov M.S., Demidov V.V. EHroziya pochv lesostepnoj zony Central'noj Rossii: Modelirovanie, preduprezhdenie i ehkologicheskie posledstviya. M.: Polteks, 2002. 184s.

8.    Kerzhencev A.S., Majsner R., Demidov V.V. i dr. Modelirovanie ehrozionnyh processov na territorii malogo vodosbornogo bassejna. M.: Nauka, 2006. 224 s.

9.    Makkaveev N.I., CHalov R.S. EHrozionnye processy. M.: Mysl', 1984. 220 s.