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: 54о 45¢—54о 49¢ северной широты и 37о 26¢—37о 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; SO42— — 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  

Показатели

Годы

Среднее

2007

2008

2009

2010

d, см

22, 3

18, 2

37, 5

35, 4

28, 4

S, мм

83, 6

123, 0

121, 3

105, 1

108, 2 

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 

Показатели

Годы

Среднее

2007

2008

2009

2010

Сток, мм

40, 4

30, 0

25, 1

11, 6

26, 8

Коэфф. стока

0, 48

0, 24

0, 21

0, 11

0, 26

å смыва, кг

511611

1393805

883724

540242

832346

Смыв, кг/га

272

741

470

287

442

Смыв с пашни, кг/га

515

1402

889

544

838

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, SO42- — 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

Годы

Вынос, кг/га

НС03-

Cl-

SO42-

Са2+

Mg2+

К+

Na+

N-NO3-

N-NН4+

P2O5

2007

40, 293

3, 993

7, 743

15, 056

2, 531

0, 971

1, 427

0, 685

0, 112

0, 068

2008

33, 704

3, 564

6, 656

7, 946

2, 413

0, 609

0, 419

0, 379

0, 055

0, 016

2009

27, 465

2, 902

5, 179

6, 499

2, 009

0, 545

0, 358

0, 361

0, 054

0, 013

2010

12, 335

1, 109

1, 846

3, 290

0, 806

0, 249

0, 216

0, 190

0, 020

0, 016

Среднее

28, 449

2, 892

5, 356

8, 198

1, 940

0, 594

0, 605

0, 404

0, 060

0, 028

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+>SO42->Cl->Mg2+>Na++>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+>SO42->Cl->Mg2+>Na++>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.

Библиографическая ссылка

Мушаева Т. И., Демидов В. В., Закономерности формирования поверхностного стока и смыва почвы в период весеннего снеготаяния на территории агроландшафта и их влияние на качество речных вод // «Живые и биокосные системы». – 2015. – № 11; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-11/article-9.