Эрозионные процессы в лесостепной зоне Красноярского края

Авторы [4, 5] подчеркивают, что: «…устойчи-вость агроландшафтов определяется способностью сохранять структуру при изменяющихся природных и антропогенных воздействиях, продолжая выполнять заданные экологические и социально-экономические функции в оптимальных пределах. Наиболее устойчивые компоненты ландшафта – его геологическая основа и рельеф, наименее устойчивые компоненты – это растительный покров и почвы. Организация и успешное функционирование экологически устойчивых агроландшафтов предполагают учет рельефных, почвенных, климатических и микроклиматических особенностей территории…». Порог устойчивости агроландшафта определяется воздействием на него факторов антропогенного, техногенного и естественного характера. В каждой конкретной природноклиматической зоне порог устойчивости агроландшафта имеет определенные пределы и критические величины воздействия и самым главным является сохранение основных компонентов [1, 6].

Суровые климатические условия наложили отпечаток на компоненты агроландшафта лесостепной зоны юга Красноярского края. Агроландшафты являются экологически неустойчивыми, и их интенсивное вовлечение в сельскохозяйственное производство приводит к негативным и деградационным процессам. В современных условиях крайне ограничены мониторинговые исследования за состоянием земель- ных ресурсов в целом и в частности за сельскохозяйственными угодьями. Этому способствовало реформирование земельных отношений, переход к многоукладному ведению сельскохозяйственного производства, упразднение многих региональных научно-исследовательских институтов, проводящих мониторинговые исследования за состоянием земельных ресурсов. В последние годы не было экспериментальных исследований по изучению проявления эрозии на изучаемом объекте. Повсеместно наблюдаются такие явления, как закустаривание, заболачивание, дефляция и эрозия [7–12]. В лесостепной зоне края последние десятилетия не проводились экспериментальные исследования по интенсивности проявления эрозионных процессов. Полученные результаты наших исследований позволят провести агроландшафтное районирование сельскохозяйственных угодий лесостепной зоны края в зависимости от уклонов поверхности и экспозиции склонов с целью оптимизации землепользования.

Цель исследования – рассмотреть подверженность агроландшафтов эрозионным процессам в зависимости от рельефных условий и экспозиции склонов для дальнейшего проведения агроландшафтного районирования.

Задачи: изучить влияние ливневых дождей на эрозионные процессы; рассчитать объем смыва почвенных частиц в зависимости от уклона поверхности.

Объекты и методы. Объекты исследования – южный и северо-западный склоны межкуэстовой эрозионно-денудационной местности. Полевые исследования проводились в 2018– 2021 гг. на территории Балахтинского муниципального образования. Рельефные условия опытного участка (уклон поверхности) определялись с применением электронного тахеометра марки ES-55, стоковые площадки – высокоточным нивелиром японского производства марки SDL-55. Для наблюдения за смывом почвы были заложены полевые опыты. Схема опыта предусматривала две экспозиции склонов: южный и северо-западный, – и шесть вариантов в зависимости от уклона поверхности (уклоны от трех до девяти градусов) в пяти повторностях. Для изучения эрозии от стока дождевых осадков применялись микролотки. Расчетные значения характеристик годового стока для аг-роландшафтных участков проведены методом интерполяции. Плоскостной смыв с агроландшафтов в результате выпадения ливневых дождей рассчитывали при помощи эрозионного ин- декса дождей. Математическая обработка результатов исследований проводилась методом дисперсионного анализа с применением пакета программ SPSS.

Результаты и их обсуждение. Агроландшафты лесостепной и степной зоны Сибири экологически несбалансированы, что обусловлено резко континентальным климатом, где перепад ночных и дневных температур имеет высокие показатели градиентов. Ведение сельского хозяйства в таких суровых условиях накладывает отпечаток на состояние агроландшафта, возникают зачастую деградационные процессы, которые в черноземных почвах выражаются ухудшением качественного состава гумуса, переходом гуминовых кислот в агрессивные фульвокислоты. Основными негативными процессами на этих территориях являются эрозия и дефляция почв, пересыхание и обмеление небольших водотоков в летний период. Для устранения и прогнозирования этих процессов на аграландшафтах необходимы мониторинговые исследования, которые должны включать в себя как качественные, так и количественные показатели.

Балахтинский агродандшафт входит в состав земель Балахтинского муниципального образования. Состав земель сельскохозяйственных угодий представлен на рисунке 1. Пахотные земли занимают площадь 136 и 373 га, что составляет 58,1 % от всей площади сельскохозяйственных угодий , сенокосы и пастбища занимают площадь 36 609 и 51 365 га соответственно. В залежи находится 10 278 га земельных угодий, под многолетними насаждениями – 15 га, которые представлены насаждениями облепихи, смородины, жимолости.

Рельеф агроландшафта неоднородный, встречаются равнины межкуэстовые с абсолютными высотами 350 м и возвышенные равнины с высотами поверхности до 400–450 м. Климат достаточно теплый и умеренно влажный, ГТК – 1,2. За год выпадает 300–400 мм осадков. Сумма активных температур выше 10 °С не превышает 1569 °С. Средняя температура января – 22 °С, июля – 17 °С, средняя температура за год – 1,9 °С. Испарение составляет за год 267 мм. Коэффициент континентальности достигает 88,9. Продолжительность безморозного периода не превышает 90–95 дней. Растительность представлена ассоциациями разнотравноковыльной степи, часто в сочетании с разно-травно-мелкодерновинными деградированными сообществами. Наибольшая залесенность характерна для низкогорных лесостепных терри- торий. Почвенный покров представлен в основном комплексами черноземов выщелоченных и обыкновенных преимущественно тяжелосуглинистого гранулометрического состава [13]. Ле- систость в среднем по агроландшафту достигает 60 %. Леса в основном мелколиственные травяные. На повышенных элементах рельефа наблюдается сильная и средняя эрозия.

4,5%

■ Пашня ■ Сенокосы ■ Пастбище ■ Залежь, Многолетние насаждения

Рис. 1. Состав сельскохозяйственных угодий Composition of agricultural land

По влагоообеспеченности изучаемый агроландшафт относится к полузасушливому. Нами рассчитан слой и объемы годового и дождевого стока на сельскохозяйственных угодьях агроландшафта. На территории Балахтинского агроландшафта на полевом участке площадью 100 га зональное значение годового стока 5 %-й обеспеченности наблюдалось только на водосборах (F1, км2) с площадью более 79,7 км2. Слой стока составил 54,5 мм или 54 400 м3. Годовой сток 50 %-й обеспеченности наблюдался на водосборах с площадью 104 км2 и при этом слой стока был равен 29,0 мм, или 29 000 м3. При годовом стоке 95 %-й обеспеченности с площади водосбора в 141,8 км2 на этом же полевом участке слой и объем годового стока составили соответственно 17,3 мм, или 17 300 м3. Максимальный расход дождевого паводка и объем дождевых вод 10 %-й обеспеченности за летний период составил Qmx.д 10 % = 0,631 м3/с; Wд 10 % = 2,80 тыс. м3. Слой стока составил hд 1 % = 10,4 мм. При 50 %-й обеспеченности максимальный расход талых вод и объем талого стока составил Qmx.д 50 % = 0,0108 м3/с; Wд 50 % = –0,343 тыс. м3. Потенциальная эрозионная опасность смыва от ливневых дождей Е30 рассчитана как 16 мм2/мин, а Е15= 29 мм2/мин и в целом характеризуется как сильная.

Проведен расчет потенциального смыва почвы на территории Балахтинского агроландшафта на приводораздельном участке склона из пяти отрезков протяженностью по 100 м с уклонами поверхности соответственно 3, 5, 6, 4, 2°. Почва – чернозем вышелоченный среднесуглинистого гранулометрического состава, среднесмытый. Коэффициент относительной смываемости П 0 = 1,3. Для расчета потенциального смыва в соответствии с методическими указаниями [8] на территориях с эрозионной опасностью и разработки мероприятий по их устранению применена формула Э д = П · П о · P.

В таблице 1 представлены исходные данные для расчета потенциального смыва.

Таблица 1

n	L	L J	i j	i	П	П о	m	P	Э д
1	100	100	3	3,0	0,08	1,3	0,3	19,6	2,20
2	100	200	5	4,0	0,08	1,3	0,4	106,7	11,95
3	100	300	6	4,7	0,08	1,3	0,4	171,0	19,17
4	100	400	4	4,5	0,08	1,3	0,4	108,7	12,17
5	100	500	2	4,0	0,08	1,3	0,4	44,0	4,93

Расчет потенциального смыва lculation of potential flushing

В зависимости от эрозионного потенциала рельефа потенциальный смыв для каждого отрезка различается и может составить от 2,20 до 19,15 т/га в год.

На изучаемой территории плоскостная эрозия развита на всех пахотных почвах от слабой до очень сильной степени. Линейная эрозия проявляется локально в виде промоин, струйчатых размывов и молодых растущих оврагов. Более 50 % агроландшафтов расположены на землях равнинных, 25 % на склонах крутизной до 2°; 15 % сельскохозяйственных угодий на склонах крутизной от 2–6 ° и 10 % на склонах с крутизной выше 6°. Эти склоновые земли в основном используются как пастбища.

В условиях вегетационного периода 2018 г. наблюдалось выпадение двух ливневых дождей в течение 10 и 20 мин в июле, 2019 г. зафиксировано выпадение двух ливневых дождей в июле и августе слоем 42 и 31 мм соответственно. Август 2020 г. характеризовался выпадением двух ливневых осадков нормой 42 и 51 мм. В условиях 2021 г. отмечено выпадение ливневого дождя в июне интенсивностью 1,4 мм/мин; в июле – 3,4 мм/мин и августе – 1,9 мм/мин, продолжительностью от 10 до 16 мин со слоем от 25 до 55 мм. Интенсивность дождя зависит от слоя дождя и продолжительности (табл. 2).

Таблица 2

Год	Дата	Продолжительность, мин	Слой, мм	Интенсивность, мм/мин
2018	15 июля	20	30	0,7
	26 июля	10	20	0,7
2019	22 июля	14	42	1,2
	12 августа	10	34	1,1
2020	10 августа	11	42	1,4
	19 августа	15	51	1,8
2021	26 июня	12	55	1,9
	20 июля	10	25	0,8
	18 августа	16	43	1,2

Расчет интенсивности дождя 1 % обеспеченности lculation of the rain intensity of 1 % security

Трехфакторный дисперсионный анализ сводной таблицы данных по южному и северозападному склону, при котором в качестве факторов выступали «год», «вариант» и «склон», показал высокую статистическую значимость влияния всех указанных факторов на эрозию, а также всех эффектов взаимодействия факторов (табл. 3).

Таблица 3

Результаты дисперсионного анализа влияния факторов «год», «вариант» и «склон» на эрозию The results of the variance analysis of the influence of the factors «year», «variant» and «slope» on erosion

Источник варьирования	Показатель силы влияния, %	Статистическая значимость, p
Год	18,53	< 0,001
Вариант	27,08	< 0,001
Склон	9,75	< 0,001
Год*Вариант	20,52	< 0,001
Год*Склон	1,20	< 0,001
Вариант*Склон	12,20	< 0,001
Год*Вариант*Склон	10,72	< 0,001
Случайное варьирование	0,00

Эффект фактора «год» проявился в статистически значимом (p < 0,001) межгодовом варьировании усредненной по вариантам и склонам эрозии. Минимальная эрозия (374,99 г/м2) зафик- сирована в 2019 г., максимальная (417,16 г/м2) – в 2021 г. В 2018 и 2020 г. смыв был равен 384,77 и 381,84 г/м2 соответственно. (рис. 2).

CM 405 5

s 395

О 390

2018           2019           2020            2021

Год

Рис. 2. Межгодовое варьирование усредненной по вариантам и склонам эрозии Interannual variation of erosion averaged by variants and slope

Эффект фактора «вариант» проявился в ста-  жду усредненной по годам и склонам эрозией в тистически значимых (p < 0,001) различиях ме-  разных вариантах (табл. 4).

Усредненная по годам и склонам эрозия в разных вариантах, (г/м2)

Erosion averaged over years and slopes in different variants (g/m2)

Таблица 4

Вариант	Среднее	Стандартная ошибка	95 %-е доверительные границы для среднего
			Нижняя	Верхняя
1	395,41	0,01	395,39	395,42
2	360,18	0,01	360,16	360,19
3	387,80	0,01	387,79	387,82
4	393,24	0,01	393,22	393,26
5	376,76	0,01	376,74	376,78
6	424,76	0,01	424,74	424,77

Эффект фактора «склон» проявился в статистически значимом (p < 0,001) превышении средней по годам и вариантам эрозии на северозападном склоне в сравнении с южным склоном.

Смыв на северо-западном склоне составил 401,48 г/м2, тогда как этот показатель на южном склоне был равен 377,90 г/м2 (рис. 3).

Южный

Северо-Западный

Склон

Рис. 3. Усредненная по годам и вариантам эрозия на разных склонах Erosion averaged over years and variants on different slopes

Эффект взаимодействия год*вариант проя- ней по склонам интенсивности эрозии в разных вился в различиях межгодовой динамики сред-  вариантах (табл. 5).

Таблица 5

Межгодовая динамика усредненной по склонам эрозии в разных вариантах (г/м2) Interannual dynamics of slope-averaged erosion in different variants (g/m2)

Эффект взаимодействия год*склон проявился в несколько разной межгодовой динамике

Год Вариант Среднее Стандартная ошибка 95 %-е доверительные границы для среднего Нижняя Верхняя 2018 1 378,72 0,02 378,68 378,76 2019 1 396,65 0,02 396,61 396,68 2020 1 383,48 0,02 383,44 383,51 2021 1 422,78 0,02 422,74 422,82 2018 2 384,21 0,02 384,17 384,24 2019 2 319,16 0,02 319,13 319,20 2020 2 357,29 0,02 357,25 357,32 2021 2 380,05 0,02 380,01 380,09 2018 3 359,05 0,02 359,01 359,09 2019 3 405,20 0,02 405,17 405,24 2020 3 371,86 0,02 371,82 371,90 2021 3 415,10 0,02 415,06 415,14 2018 4 394,37 0,02 394,34 394,41 2019 4 366,75 0,02 366,71 366,79 2020 4 387,37 0,02 387,33 387,40 2021 4 424,47 0,02 424,43 424,51 2018 5 351,28 0,02 351,25 351,32 2019 5 386,89 0,02 386,85 386,93 2020 5 376,35 0,02 376,31 376,39 2021 5 392,53 0,02 392,49 392,57 2018 6 440,96 0,02 440,93 441,00 2019 6 375,31 0,02 375,28 375,35 2020 6 414,69 0,02 414,66 414,73 2021 6 468,06 0,02 468,02 468,09 эрозии на южном и северо-западном склонах

(рис. 4).

Склон

Южный

Склон

Северо-Западный

Рис. 4. Межгодовая динамика усредненной по вариантам эрозии на разных склонах Interannual dynamics of erosion averaged by variants on different slopes

Эффект взаимодействия год*вариант*склон проявился в том, что зависимость межгодовой динамики эрозии от варианта на южном склоне отличалась от таковой на северо-западном склоне (рис. 5).

Склон: Южный

Склон: Северо-Западный

Вариант о Вариант

ZE Вариант 3

з: Вариант 4

Вариант 5

Вариант 6

Рис. 5. Межгодовая динамика эрозии в разных вариантах на южном и северо-западном склоне Interannual dynamics of erosion in different variants on the southern and north-western slopes

В зависимости от условий формирования ландшафтов, степени подверженности природным и антропогенным воздействиям применяют соответствующие почвозащитные мероприятия. Непрерывное поддержание ландшафтно-экологического равновесия и регулирование природных процессов в нужном направлении составляют основную задачу при организации территории, в т. ч. при создании агроландшафтов. Важную роль в стабилизации сбалансированного взаимодействия основных экологических систем агроценозов играют лесные насаждения.

Разработка мероприятий по защите агроландшафтов от эрозии включает в себя организационно-хозяйственные, агролесомелиоративные составляющие. На склоновых земельных угодьях в зависимости от крутизны склона должны быть предусмотрены определенные противоэрозионные мероприятия. На склонах крутизной более 3° рекомендуется создание стокорегулирующих лесных полос с размещением их в направлении горизонталей. Эти полосы закрепляют линейные элементы контурной организации территории, защищают нижележащие участки от смыва и размыва. Первая стокорегулирующая полоса размещается по нижней границе земель интенсивного использования, вторая полоса – по границе умеренного и ограниченного использования, третья – по границе при-сетевого и гидрографического земельного фонда.

Лесные полосы проектируются в целях равномерного распределения снега, регулирования поверхностного стока с целью предупреждения, предотвращения и прекращения смыва и размыва. Агроландшафтная территория с лесомелиоративной системой характеризуется с показателями защитной лесистости, защищенности лесными насаждениями, облесенностью сельскохозяйственных угодий. В условиях ландшафтного земледелия лесные угодья рассматриваются как основной фактор, определяющий направленность развития и характер функционирования ландшафта с учетом всех условий, обеспечивающих возможность управления почвенными режимами как под лесом, так и на прилегающих сельскохозяйственных угодьях.

В местах с пересеченным рельефом и проявлением водной эрозии почв почвозащитное земледелие должно быть контурным, что дает возможность избежать создания тупиковых клиньев, эрозионно-опасных развальных борозд, свальных гребней и прочих нежелательных проявлений, нарушающих почвенный покров и рельеф местности.

Заключение. По исследуемой территории за годы наблюдений было установлено, что потенциальная эрозионная опасность от ливневых дождей сильная, так как расчетные показатели индекса ливневых дождей составляют 20,2 мм2/мин в среднем. По результатам наших исследований выявлено, что за годы наблюдений с опытного участка, расположенного на южном склоне ливневыми дождями было смыто с поверхности почвы 3,0–4,8 т/га почвенных частиц в зависимости от уклона поверхности.

На северо-западном этот показатель составил 3,4–4,6 т/га. Минимальные значения характерны для варианта с уклонами 3–4°, а максимальные – с уклонами 8–9°.