Почвоведение, 2019, № 6, стр. 755-766

ВВЕДЕНИЕ

На фоне постепенного восстановления площадей пахотных земель, прежде всего, в лесостепной и степной зонах европейской территории России (ЕТР), которое наблюдается в последние годы, представляется важным оценить произошедшие изменения темпов смыва почв за последние десятилетия. Этот период характеризовался значительными климатическими изменениями [4, 27] и изменениями землепользования [17], которые могут быть оценены на среднемасштабном уровне, а именно на уровне малого речного бассейна. Бассейновый подход позволяет с достаточной детализацией оценить пространственные различия в темпах смыва и их изменения во времени. Кроме того, следует учитывать, что потери плодородия почв, обусловленные развитием процессов водной эрозии на пахотных землях, негативно сказываются и на качестве поверхностных вод [10, 20]. В этой связи оценка темпов эрозии почв, проводимая для речного бассейна, позволяет выявлять территории с максимальным смывом, для которых с целью разработки эффективных почвозащитных мероприятий следует выполнить детальные крупномасштабные исследования.

Количественные оценки смыва почв проводятся с использованием различных методов [9]. Среди них применение эрозионных моделей позволяет получить представление о пространственном распределении многолетнего смыва почв внутри водосборов. В настоящий момент наиболее широко используемыми в мире моделями эрозии почв являются: RUSLE, SWAT, WEPP, LISEM [28–32, 35–38]. Модели эрозии почв можно разделить на две большие группы: эмпирические (RUSLE, MUSLE и их модификации) и физически обоснованные или гидромеханические (LISEM, WEPP, SWAT, MMF, WATER/SEDEM, EUROSEM и др.). Кроме этого, их можно разделить по разной степени временной детализации, которые оценивают среднегодовые потери почвы (RUSLE, MMF, WATER/SEDEM) и потери почв от каждого эрозионного события (LISEM, MUSLE, WEPP, SWAT, EUROSEM). Также они различаются по пространственному масштабу: модели LISEM, MUSLE, SWAT, WATER/SEDEM [28, 29, 36, 38] оценивают смыв на склоновом водосборе, а RUSLE, MMF [32, 37] − смыв в каждой конкретной точке склона. Модели WEPP и EUROSEM [30, 32, 35] могут работать в разных пространственных масштабах. Из вышесказанного видно, что физически обоснованных моделей гораздо больше, чем эмпирических. Большинство из них призвано рассчитывать смыв почвы от конкретного стокового события на водосборе или на отдельном поле. Однако моделей, которые позволяют оценить среднемноголетние значения смыва почв в каждой конкретной точке водосбора не так много. В основном это модели, базирующиеся на универсальном уравнении эрозии почв, которое используется также в данной работе.

Цель исследования состоит в оценке пространственно-временных изменений смыва почв на наиболее распаханной южной части лесной, лесостепной и степной зонах ЕТР, произошедшие за последние 30 лет. Исследования по оценке изменений смыва почв за последние несколько десятилетий были проведены ранее [12, 25]. Однако эти исследования были выполнены в мелком масштабе, в связи с чем в них не могли быть учтены фактические изменения площади пашни в пределах конкретных территорий. В настоящем исследовании проводится оценка изменений темпов смыва с учетом изменений климата, набора сельскохозяйственных культур и площади пашни на примере четырех малых речных бассейнов, расположенных в разных природных зонах, за два интервала времени (1960–1985 и 1985–2015 гг.). Это позволило дать оценку долговременного изменения потенциальных потерь почв от водной эрозии, произошедших в конце XX-го в начале XXI-го веков на изучаемой территории.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Для количественной оценки темпов смыва за два временных интервала выбрано 4 речных бассейна, расположенных в различных ландшафтных зонах ЕТР (рис. 1). Каждый из речных бассейнов является типичным по характеру и площади распашки, набору сельскохозяйственных культур, агрометеорологическим условиям для обширной территории в пределах соответствующей ландшафтной зоны. Почвенный покров пахотных земель также является типичным для данной части каждой из ландшафтных зон и значительно отличается по противоэрозионной устойчивости, которая заметно уменьшается в бассейне р. Иж (табл. 1). Все речные бассейны располагаются в пределах возвышенностей, что предполагает более высокие темпы смыва.

Средние углы наклона поверхности речных бассейнов изменяются в относительно небольшом диапазоне, тогда как средние длины склонов изменяются довольно сильно в исследованных бассейнах (табл. 2).

Более существенны различия между бассейнами по климатическим характеристикам (табл. 3). Отличия в среднегодовой температуре воздуха на территории исследуемых бассейнов достаточно большие: от 2.8 (р. Иж) до 9.5°С (р. Калаус). Температурные различия определяют вероятность промерзания почв и ее глубину, которая зависит от температуры воздуха на период начала формирования устойчивого снежного покрова и его мощности.

Среднемноголетние температуры января, так же как и среднемноголетние годовые значения температуры воздуха, увеличиваются с севера на юг. Исключение составляет бассейн р. Самара, где из-за увеличения континентальности климата наблюдаются суровые зимы. Следует отметить, что в бассейне р. Калаус и частично р. Ведуга осадки холодного времени года формируются за счет жидкой фазы, а постоянный снежный покров образуется в бассейне р. Ведуга на непродолжительное время в связи с большим количеством оттепелей зимой, а в бассейне р. Калаус – эпизодически, что приводит к снижению высоты снежного покрова и почти отсутствию поверхностного стока при таянии снега. Напротив, в бассейнах рек Иж и Самара ежегодно снег сохраняется до начала марта.

Для оценки темпов смыва в речных бассейнах использовали модифицированное для условий России универсальное уравнение потери почвы (USLE) и эмпирическую модель Государственного гидрологического института (ГГИ), объединенные в единую модель научно-исследовательской лабораторией эрозии почв и русловых процессов (НИЛЭПиРП) МГУ им. М.В. Ломоносова [9, 10].

Подготовка данных. Для создания базы данных для каждого речного бассейна подготовлено несколько растровых пространственных моделей: уклонов, длины склонов, смываемости почв, землепользования [13]. Для каждого временного среза показатели эрозионного потенциала осадков (ЭПО), запасов воды в снеге, внутригодового перераспределения дождевых осадков и почвозащитные коэффициенты севооборотов для периодов талого и ливневого смыва были представлены в виде константы для всей площади каждого бассейна [6, 17].

Во всех растровых моделях использовали равноплощадную коническую проекцию Альберса со следующими параметрами: сдвиг на восток – 850 000; сдвиг на север – 0 м; центральный меридиан – 45°; стандартная параллель 1 – 64°; стандартная параллель 2 – 52°; исходная широта – 0°; эллипсоид – WGS84.

Морфометрические показатели рельефа пахотных склонов. Растровые модели морфометрических характеристик рассчитывали на основе глобальной цифровой модели рельефа, полученной в ходе выполнения миссии “SRTM”, по данным съемки радара С-SIR, имеющего пространственное разрешение одна угловая секунда. Цифровая модель рельефа “SRTM” отражает фактический рельеф поверхности Земли в 2000 г. Однако мы исходим из предположения, что в целом для склонов за период 1985–2015 гг. он оставался неизменным.

Длину и крутизну склонов рассчитывали с использованием ArcGIS. Для расчета уклонов применяли формулу (1) [23]:

где ${{\partial z} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial z} {\partial x}}} \right. \kern-0em} {\partial x}}$ и ${{\partial z} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial z} {\partial y}}} \right. \kern-0em} {\partial y}}$ – частные производные вдоль координатных осей, которые рассчитываются по формулам (2) и (3): где z₁, z₂, … z₉ – значения цифровой модели рельефа в узлах регулярной сетки, Δx – шаг сетки по X, Δy – шаг сетки по Y.

Климатические параметры. Для расчета потенциальных потерь почвы были подготовлены данные по таким климатическим параметрам, как ЭПО максимальной 30-минутной интенсивности, запасы воды в снеге, информация о внутригодовом распределении ЭПО. Все эти параметры по состоянию на 1985 г. брали с карт, представленных в изданиях сотрудников НИЛ ЭПиРП [9, 10].

Так как за последние 30 лет (с 1985 г.) произошло увеличение как годовых сумм осадков в летне-осенний период [27], так и количества ливневых событий (со слоем более 10 мм), способных вызвать смыв почвы [4, 19], то было необходимо рассчитать новые значения ЭПО для каждого речного бассейна. Для этого использовали регрессионную зависимость между количеством выпадающих осадков в теплый период года и ЭПО, предложенную сотрудниками НИЛЭПиРП [7]. Кроме этого, мы исходим из того, что внутригодовое перераспределение жидких осадков осталось приблизительно неизменным. Используемые в дальнейших расчетах значения ЭПО для каждого бассейна представлены в табл. 4. Наибольший прирост ЭПО наблюдается в бассейне р. Калаус, расположенный на Ставропольской возвышенности в Предкавказье.

В зимний период, согласно одним исследованиям, произошло увеличение количества твердых осадков [20], что, несомненно, должно было привести к увеличению запасов воды в снеге. Согласно данным сайта ВНИГМИ МЦД, изменения запасов воды в снеге носят разнонаправленный характер в рассматриваемых бассейнах (табл. 5). Кроме того, во всех рассматриваемых бассейнах глубина промерзания почв сократилась почти в два раза, поэтому на большей части рассматриваемой территории наблюдается значительное сокращение весеннего склонового стока [11, 16, 34]. В результате в настоящее время отмечается незначительный смыв почвы или практически полное его отсутствие в весенний период, что было учтено при расчетах потенциальных потерь почвы.

Землепользование. В качестве исходных данных для создания моделей землепользования использовали космические снимки Landsat: level-1 standard data products Landsat 5 (ThemaicMapper – TM) и Landsat 8 (Operational Land Imager – OLI) [33]. За основу была взята методика дешифрирования, используемая в проекте CORINE Land Cover 2000 (CLC2000) [22, 24], скорректированная с учетом региональных особенностей и целей данного исследования. При картографировании использовали метод визуального дешифрирования и последующей ручной оцифровки.

На первом этапе была проведена ручная оцифровка границ пахотных угодий по снимкам 1980-х годов. Оцифровывали общие границы используемых пахотных угодий. Полученные границы накладывали на снимки второго временного периода (2015 г.). Определяли заброшенные пашни и соответственно корректировали границы. Таким образом, было получено два векторных слоя (за 1985 и 2015 г.) используемых пахотных угодий (рис. 2). Путем наложения полученных слоев получили данные о сокращении или приросте площади пашни за рассматриваемый период.

Характеристики почвы. Для подготовки данных о свойствах почвы использовали Единый государственный реестр почвенных ресурсов России [5, 6, 15]. Пространственная детальность данных источников информации, к сожалению, не соответствует масштабу исследования. Так, созданная электронная векторная карта типов почв имеет масштаб 1 : 2 500 000, но более детальных данных в открытом доступе для исследуемых бассейнов обнаружить не удалось.

Почвозащитная роль севооборотов. Для оценки почвозащитных коэффициентов севооборотов использовали данные о посевных площадях за два интервала времени (1960–1980 и 1993–2015 гг.), доступные в целом для каждого административного региона, в котором располагается речной бассейн. Восстановить фактические севообороты даже на уровне районов не представляется возможным. Для периода 1960–1980 гг. использовали опубликованные данные [10]. Расчет для периода 1993–2015 гг. выполнен на основе данных, представленных на сайте Федеральной службы государственной статистики [17]. Результаты расчетов, представленные в табл. 6, свидетельствуют о понижении почвозащитного коэффициента севооборотов к 2015 г. во всех бассейнах, а соответственно об усилении влияния севооборотов на сокращение смыва почв.

Расчет смыва в речных бассейнах. Для каждого из речных бассейнов оценки темпов смыва на пашне проведены для двух интервалов времени 1960–1985 и 1985–2015 гг. для пара и фактических севооборотов. Расчет для пара выполнен для того, чтобы оценить различия в темпах смыва с пашни только с учетом различий в природных факторах эрозии почв. Вычисления с учетом севооборотов отражают фактические изменения во времени среднегодовых величин смыва в пределах речных бассейнов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Во всех рассмотренных бассейнах произошло сокращение площади пашни на 9–37% (табл. 7). Для оценки изменения эрозионного потенциала рельефа (ЭПР) на пахотных землях было вычислено среднее значение величины LS для пахотных земель на периоды 1984–1989 и 2013–2015 гг. Результаты представлены в табл. 8, из которой видно сокращение величины LS и ЭПР соответственно пахотных земель во всех анализируемых бассейнах.

Среднегодовой смыв на пашне с учетом севооборотов немного сократился в бассейнах рек Ижа и Самары, остался неизменным в бассейне р. Ведуги и несколько возрос на юге степной зоны в бассейне р. Калаус (табл. 9). Различия, выявленные для речных бассейнов, обусловлены разными сочетаниями изменившихся за 30-летний период факторов. Так, снижение смыва в бассейнах рек Ижа и Самары обусловлено в первую очередь изменением структуры землепользования, что привело к росту доли пашни с более низким ЭПР и уменьшением значения почвозащитного коэффициента севооборотов. В бассейне р. Ведуги произошло увеличение числа эрозионно-опасных ливневых событий, снижение смыва в период снеготаяния и уменьшение почвозащитных коэффициентов севооборотов, а также некоторое сокращение фактора LS. Напротив, в бассейне р. Калаус наблюдается существенный рост эрозионно-опасных ливней, который во многом компенсировался снижением значений почвозащитного коэффициента севооборота. Таким образом, разнонаправленные изменения факторов смыва в большинстве случаев практически компенсировали друг друга.

Несколько иная картина выявляется при сопоставлении темпов смыва, рассчитанных на пар. В этом случае во всех бассейнах отмечен рост смыва, наиболее существенный в бассейне р. Калаус (табл. 9). Например, изменения темпов смыва по площади достаточно наглядно прослеживаются на картах смыва (рис. 3) в бассейне р. Самары.

Увеличение расчетных величин смыва для чистого пара произошло за счет значительного увеличения эрозионного потенциала дождевых осадков, которое не компенсируется сокращением площади пашни с высоким ЭПР и практически отсутствием поверхностного стока в период весеннего снеготаяния в бассейне р. Ведуги.

В целом во всех исследуемых речных бассейнах за два интервала времени (1960–1985 и 1985–2015 гг.) фиксируются пахотные склоны с примерно одинаковым распределением интенсивности смыва почв (рис. 4), однако существуют и небольшие территориальные различия. Так, для бассейна р. Ижа характерно сокращение на 5.7% площадей пахотных земель с темпами смыва до 15 т/га в год после 1985 г. (рис. 4, А). В бассейне р. Ведуги, наблюдается сокращение площадей распахиваемых склонов на 3.8%, со значениями темпов смыва почв до 5 т/га в год (рис. 4, Б). Для бассейна р. Самары фиксируется сокращение площади распахиваемых земель на 3.5% на землях с темпами смыва до 3 т/га в год (рис. 4, В). В бассейне р. Калаус уменьшилось количество площадей пашни со значениями смыва до 25 т/га в год на 5.9% (рис. 4, Г). Единственным устойчивым трендом во всех четырех бассейнах является увеличение доли пахотных земель, на которых смыв превышает 50 т/га в год.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные количественные данные о потенциальных потерях почвы на пашне в пределах исследованных речных бассейнов ЕТР в целом близки по величине с темпами смыва для территории Европейского Союза (ЕС), рассчитанные на основе использования аналогичного подхода, которые составили 2.46 т/га в год в пределах всех типов землепользования [33]. В то же время эрозия на пахотных землях в пределах разных стран ЕС колеблется от 9.8–18.72 т/га в год в Италии и на Мальте до 0.64–0.68 т/га в год в Финляндии и Дании. Средние для стран значения потенциальных потерь почвы, составившие 2.51 и 2.78 т/га в год, получены для Германия и Франция соответственно. Близкие к этим значениям получены в работе Боско и др. [21].

Если говорить о временной динамике изменения темпов эрозии, то в среднем для ЕС за последние десятилетия потенциальные потери снизились на 9.5%, в первую очередь за счет внедрения почвозащитных технологий [27]. Для исследованных в данной работе речных бассейнов уменьшение среднегодового смыва почв во многом обусловлено сокращением поверхностного стока в период весеннего снеготаяния и уменьшением почвозащитного коэффициента севооборотов в связи с ростом доли многолетних трав. Последнее сильно сказалось в бассейне р. Ижа, расположенном на юге лесной зоны.

При сопоставлении полученных современных величин смыва на пашне с ранее опубликованными данными [10] для отдельных регионов ЕТР и ландшафтных зон в целом четко прослеживаются как определенные различия, так и сходства (табл. 9). Большинство различий обусловлено масштабом исследований и различиями в площадном охвате. Например, интенсивность смыва, полученная на 1985 г. по бассейну р. Иж, несколько занижена по сравнению со всей лесной зоной и занижена более чем в два раза по сравнению со всей Удмуртской республикой. Это связано с тем, что верхнее течение бассейна р. Иж, для которого проводились оценки, располагается на слаборасчлененной территории, тяготеющей к главному водоразделу между бассейнами рек Камы и Вятки, тогда как наибольшие уклоны пашни в пределах Удмуртии приурочены к долинам рек Камы, Чепцы и ее притоков. Напротив, изученный бассейн р. Ведуги располагается в западной части Воронежской области в пределах Среднерусской возвышенности, тогда как большая часть области занимает южную часть Окско-Донской низменности. Аналогичны различия рельефа бассейна р. Калаус и в целом Ставропольского края.

Уменьшение интенсивности смыва почв хорошо согласуется с результатами длительного мониторинга овражной эрозии, проводимыми в Удмуртской Республике [16], которые свидетельствуют о сокращении темпов прироста вершин оврагов после 1997 г.

Также необходимо отметить, что установленная тенденция уменьшения темпов смыва в последние 30 лет (1985–2015) имеет противоположенную направленность тренду 1950–1980-х гг., когда по данным наблюдений на многих стационарах ЕТР (Придеснянском, института им. Докучаева, Курском, Нижнедевицком, станции “Каменная степь”) наблюдалось увеличение смыва в период снеготаяния [8, 14, 18].

Тенденция сокращения современных темпов эрозии почв отчетливо подтверждается сокращением темпов аккумуляции наносов в днищах сухих долин первого порядка за последние 30 лет в бассейнах рек Иж, Ведуга и Самара по сравнению с предшествующим 23-летним периодом. Эти данные были получены на основе датирования аккумулятивных толщ с использованием радиоцезиевого метода (табл. 10) [1–3, 26].

В то же время сокращения темпов аккумуляции почвы после 1986 г. в днищах малых долин выше, чем изменения потерь почвы, рассчитанные по эрозионным моделям для речных бассейнов. Это может быть связано с рядом причин, а именно: индивидуальными особенностями малых водосборов; ошибками в оценке абсолютных величин смыва на основе эрозионных моделей, прежде всего, в части определения темпов смыва в период снеготаяния; масштабом исследования, который влияет на степень осреднения темпов смыва. Можно предположить, что модель расчета темпов смыва во время снеготаяния (модель ГГИ) за период 1960–1985 гг., несколько занижала фактический смыв, так как не учитывали вклад размыва днищ распахиваемых ложбин. Тогда как согласно данным многолетних полевых наблюдений на пахотных склонах темпы выноса почвы с водосборов распахиваемых ложбин на порядок превышают смыв со склонов не расчлененных ложбинами [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оценка темпов смыва почв с пахотных склонов за два интервала времени, выполненная на основе расчетов по эрозионным моделям для четырех малых речных бассейнов южной половины ЕТР позволила выявить разнонаправленные тенденции изменений среднемноголетних потерь почвы, которые в целом согласуются с ранее проведенными оценками эрозии почв в различных ландшафтных зонах ЕТР [1–3, 12, 18, 26]. Снижение расчетных величин интенсивности смыва с 4.6 и 2.7 т/га в год до 4.4 и 2.3 т/га в год за периоды 1960–1985 и 1986–2015 гг. выявлено соответственно для бассейнов рек Иж (юг лесной зоны) и Самара (восток степной зоны). Практически не изменился (5.5 т/га в год) смыв в бассейне р. Ведуги (запад лесостепной зоны) и несколько выросли (с 13.1 до 15.5 т/га в год) среднемноголетние значения смыва почвы в бассейне р. Калаус (юго-запад степной зоны). Фактором усиления смыва явилось увеличение эрозионного индекса ливневых осадков, которое отмечено для всех речных бассейнов. В то же время для всех бассейнов потенциальное усиление смыва отчасти компенсировалось снижением коэффициентов почвозащитной роли севооборотов и уменьшением фактора рельефа, которое произошло за счет забрасывания пашни на наиболее эрозионно-опасных склонах. Существенное уменьшение глубины промерзания почв максимально сократило поверхностный сток и смыв со склонов в период снеготаяния. Последний фактор не повлиял на изменения смыва в бассейне р. Калаус, так как здесь талый сток со склонов по существу отсутствует с 1960-х годов.

Выявленные тренды согласуются с данными полевых наблюдений, которые также фиксируют тренд на снижение эрозии почв на юге лесной, в лесостепной и на большей части степной зон. В то же время полевые данные об изменении темпов аккумуляции наносов в днищах долин первого порядка, расположенных в пределах исследованных речных бассейнов, свидетельствуют о более существенном снижение потерь почвы с пашни, нежели результаты расчетов по эрозионным моделям. На наш взгляд, это может быть связано с рядом причин, главными из которых являются вероятное увеличение темпов аккумуляции наносов внутри пашни и на границе пашня–нераспахиваемый склон; различиями в масштабах оценок смыва (речной бассейн и малых водосбор первого порядка); занижением значений потерь почвы в период снеготаяния моделью ГГИ на распахиваемых ложбинных водосборах.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено благодаря финансовой поддержке РНФ проект № 15-17-20006 и в рамках темы госзадания 0148-2019-0005 (Институт географии РАН).