Почвоведение, 2022, № 10, стр. 1321-1338

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной особенностью пахотных почв является высокая пространственная вариабельность их свойств, обусловленная совместным влиянием природных факторов почвообразования и антропогенных изменений, связанных с механическим перешиванием и перемещением пахотного слоя, переуплотнением, водной и ветровой эрозией, а в отдельных регионах и засолением почв [10, 36]. Сельскохозяйственные регионы, в пределах которых именно водная эрозия почв играет доминирующую роль в снижении их плодородия, преобладают как в России [12–14, 31], так и в целом на суше [25]. Это обусловлено тем, что для выращивания сельскохозяйственных культур необходима вода, что предполагает либо выпадение достаточного количества осадков из атмосферы, либо при дефиците последних – ирригацию земель. Если в случае орошения эрозия почв может контролироваться человеком за счет точного расчета объемов поливных вод, то эрозия почв, вызванная выпадением атмосферных осадков и формированием поверхностного стока, отличается высокой пространственно-временной неравномерностью [4, 44]. Это связано как с особенностями выпадения дождевых осадков и таяния снега, так и с изменениями во времени контуров полей и набора высеваемых культур [26]. В этой связи только при использовании современных математических моделей, учитывающих процессы эрозии и переотложения наносов на склонах, а также влияние механической обработки на перемещение почв, можно оценивать деградацию почвенного покрова за разные интервалы времени и в разных частях конкретного поля или групп полей [23, 41].

На данный момент существует обширный набор эрозионных моделей, применение которых для количественной оценки темпов эрозионных процессов за фиксированный интервал времени на пахотных землях в мелком и среднем масштабах позволяет получать адекватные результаты [22, 26, 33, 41]. Точность оценок интенсивности эрозии и аккумуляции при их использовании в значительной степени определяется точностью входных параметров, некоторые из которых (эрозионный индекс осадков, почвозащитные коэффициенты культур, используемых в севооборотах) отличаются высокой пространственно-временной вариабельностью, что неизбежно сказывается на достоверности расчетов. Среди других наиболее успешно применяется модель WATEM/SEDEM [49, 50], так как она включает блоки расчета ливневой и механической эрозии, что позволяет оценивать темпы перераспределения почвенного вещества по всей площади исследуемого водосбора [22]. Данная модель используется для расчетов в различных масштабах, в том числе для оценки эрозионно-аккумулятивных процессов на малых водосборах [21, 47, 49, 52]. Несмотря на то, что модель WATEM/SEDEM широко используется во многих странах [22], для агроландшафтных условий Восточно-Европейской равнины она верифицируется на основе детальных полевых данных впервые.

Для поддержания и сохранения плодородия почв в пределах конкретных сельскохозяйственных угодий требуется проведение количественных оценок интенсивности смыва почв и переотложения наносов, выполненных в крупном масштабе. Только в этом случае возникает возможность идентифицировать участки наиболее значительного снижения плодородия почв за счет проявления водной и механической эрозии и в дальнейшем дифференцированно в зависимости от интенсивности потерь почвы проводить почвозащитные мероприятия [7].

Цель работы – верификация оценок эрозии почв на пашне и перераспределения наносов на малом водосборе, полученных на основе совместного использования модели WATEM/SEDEM и модели талого смыва Государственного гидрологического института (ГГИ) в модификации Ларионова с соавт. [9] на основе результатов детальных полевых исследований.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования. Регион исследования характеризуется высокой степенью сельскохозяйственной освоенности. В настоящее время распахивается 82% территории бассейна р. Воробжи, где был выбран объект для детального изучения. Наиболее распространены следующие сельскохозяйственные культуры: кукуруза, яровой ячмень, однолетние травы, пшеница, сахарная свекла, горох, соя, многолетние травы. Часть земель занята парами. Земледельческое освоение данного региона началось в середине XVIII в. Максимальных значений площадь пашни достигла к 1930-м гг., с тех пор площадь пашни изменялась слабо. В последнее десятилетие отмечается небольшое локальное увеличение площади обрабатываемых земель, связанное с запахиванием нижних частей склонов и фрагментарно днищ балок. Согласно анализу космических снимков с 1970-х гг., на исследованном малом водосборе граница пашни в последние десятилетия не менялась.

В качестве объекта исследования выбран водосбор Спокоевка, расположенный в центре Курской области в пределах бассейна р. Воробжи, левобережного притока р. Сейм в пределах юго-западного склона центра Среднерусской возвышенности. Рельеф водосбора представлен возвышенной слабоволнистой равниной с абсолютными высотами от 173.5 до 234.7 м, общим уклоном на юг. Общая площадь водосбора составляет 105.5 га, из которых 95 га (90%) заняты пашней.

Климат территории умеренно континентальный с умеренно холодной зимой и теплым летом. Самый холодный месяц – январь (–6.4°C), самый теплый – июль (+20.8°C). Среднегодовая температура воздуха составляет +8.9°C. Среднегодовое количество осадков варьирует по годам в пределах 426–895 мм [18]. Число дней со снежным покровом изменяется в интервале от 100 до 125 с декабря по март, а запас воды в снежном покрове – от 50 до 100 мм. Однако в последние десятилетия участились зимние оттепели, которые в отдельные годы способствуют периодическому сходу снежного покрова в зимние месяцы. На пашне в период снеготаяния и при выпадении ливневых осадков периодически возникает поверхностный сток, который приводит к формированию талого и ливневой смыва соответственно.

На склонах междуречий почвенный покров представлен пятнистостями черноземов типичных, выщелоченных и типичных карбонатных с участием луговато-черноземных почв в днищах водосборных понижений [34, 39] (Haplic and Luvic Chernozems (Loamic, Aric, Pachic). В связи с развитием эрозионно-аккумулятивных процессов средние и нижние части распахиваемых склонов характеризуются наличием слабо- и среднесмытых черноземов, а также намытых и смыто-намытых почв в днищах небольших распахиваемых ложбин и по нижней границе пашни. В целом для территории исследования характерна умеренная степень эрозионной деградации почв на склоновых землях, связанная с мощным и сверхмощным гумусовым горизонтом почв и относительно непродолжительным по сравнению с территориями, расположенными севернее, периодом распашки и, как следствие, развития ускоренной эрозии почв [6].

Методика исследования. Методы математического моделирования эрозионно-аккумулятивных процессов. Оценку темпов перераспределения наносов в пределах малого распаханного водосбора “Спокоевка” осуществляли на основе использования трех независимых друг от друга методов: расчетов по моделям WATEM/SEDEM и модифицированной версии модели ГГИ, почвенно-морфологического и радиоцезиевого. Радиоцезиевый метод применяли для оценки объемов переотложения наносов, смытых с обрабатываемой части водосбора в днище балки. Известно, что в днищах балок без вторичных врезов переоткладывается 60–95% от общего объема поступающих в них с пашни наносов [3, 4]. Поэтому объемы накопления смытого материала в днище могут быть использованы для оценки достоверности расчетных данных по определению перераспределения наносов в пределах малых пахотных водосборов.

Модель WATEM/SEDEM позволяет оценивать перераспределение наносов в системе склон–склоновый водосбор–малый водосбор–водосбор реки, выявлять участки с максимальным смывом в пределах пашни и оценивать долю наносов, транспортируемую временными потоками с распаханных междуречий в постоянные водотоки [50]. Алгоритм расчета эрозии в модели WATEM/SEDEM основан на RUSLE. В нем используются аналогичные входные параметры, учитывающие особенности рельефа, климата, почвенного покрова, характера обработки почвы и состава севооборотов. Помимо смыва почв данная модель позволяет рассчитать темпы переотложения наносов, как в пределах пашни, так и на нераспахиваемых бортах и в днище балки, а также оценивать механическую эрозию (tillage erosion). В связи с этим цифровое моделирование эрозионно-аккумулятивных процессов проводили с учетом землепользования. Территория водосбора была разделена на распахиваемую часть и залуженную, а также было учтено расположение лесополос и грунтовых дорог (рис. 1). Ряд параметров, входящих в модель, а именно эрозионный индекс осадков и почвозащитный коэффициент высеваемых на пашне сельскохозяйственных культур, изменяется во времени. Это связано с изменениями в режиме выпадения и слое осадков, а также с периодической сменой севооборотов. Расчет проводили в программе WATEM/SEDEM версии 2004 г. [45]. R-фактор (эрозионный индекс дождевых осадков) принят равным 0.029 МДж мм/(м² ч год) согласно глобальной базе данных Global Rainfall Erosivity [40]. Он характеризует осредненное за период 60 лет значение фактора. Следует отметить, что в последние три десятилетия при общем очень слабом тренде увеличения слоя осадков теплого времени года, статистических различий между слоем осадков, выпадавших в период 1963–1986 и 1986–2015 гг. не выявлено [31]. K-фактор (эродируемость почв) принят равным 35 кг ч/(МДж мм), согласно расчетам по аналитическим данным свойств почв [6]. С-фактор (почвозащитная роль возделываемых культур относительно чистого пара) задан в среднем 0.43 согласно описанному выше долевому участию культур в составе севооборотов и агроэрозионному индексу (crop erosivity) каждой из культур в данной зоне по Ларионову [8]. Сложность учета С-фактора связана с отсутствием точной информации о ежегодном составе севооборотов и характере обработки почвы в прошлом. Среднемноголетний С-фактор в данном регионе за период распашки варьировал в диапазоне 0.35–0.5. Как следствие, разброс в расчетах темпов эрозионно-аккумулятивных процессов из-за вариабельности данного показателя составил не более 15–17%. В целом полученный коэффициент соответствует оценке регионального С-фактора по [19]. LS-фактор рассчитывали в программе W-ATEM/SEDEM автоматически по заданным по умолчанию параметрам на основе цифровой модели рельефа ALOS (AW3D30) с разрешением в 1 угловую секунду в равнопромежуточной цилиндрической проекции (EPSG:4326) в системе координат WGS 84.

Талый смыв для исследуемого водосбора рассчитывали по модели ГГИ в модификации Ларионова с соавт. [9, 15]. При расчете учитывали следующие входные параметры: слой поверхностного склонового стока, принятый равным 95 мм, согласно [15]; эродируемость почвы, рассчитанная на основе тех же аналитических параметров, что и эродируемость почв для ливневого смыва, но согласно методике [15]; длина склона и крутизна склона, рассчитанные для каждого пикселя на основе цифровой модели рельефа. Расчет талого смыва проводили в программе MapInfo, в которой составляли таблицу со значениями перечисленных параметров для каждого пикселя размером 20 × 20 м, затем с помощью встроенной подпрограммы, написанной С.Ф. Красновым, проводили автоматизированный расчет значений потенциального талого смыва. Полученную таблицу конвертировали в точечный файл и растры талого смыва.

Методы полевой оценки аккумуляции наносов в днище балки. На начальном этапе были зафиксированы специфические морфологические особенности бортов и днища балки, необходимые для корректного учета объема наносов и путей доставки наносов со склонов в днище. По левому борту балки это лесополоса шириной 20–25 м, созданная в 1970-е гг., в которой, вероятно, переотлагается часть наносов, смываемых с пашни. По правому борту балки лесополоса, созданная в те же годы, сохранилась только фрагментарно в основном в приустьевой части, шириной в один древесный ряд. В центральной части днища балки ниже по течению от слияния двух отвершков в середине 1970-х гг. была сооружена земляная плотина, которая была быстро прорвана, но сохранившаяся ее часть до сих пор создает подпор при формировании стока воды в днище. Это способствует переотложению значительной части наносов, транспортируемых по днищу балки выше плотины. Участок днища балки, расположенный ниже по течению от плотины, имеет больший уклон и поэтому характеризуется преимущественно транзитом наносов при их частичном переотложении. Еще одна земляная прорванная плотина находится в средней части восточного притока. Она оказывает аналогичный эффект на транспорт наносов в этом притоке.

Далее днище и борта балки по особенностям их морфологии были разделены на 5 секторов (сектора A, B, C, D, E, рис. 1). Каждый сектор характеризуется относительно однородными условиями переотложения наносов в днище и имеет свои особенности в путях доставки наносов с пашни. Сегмент A характеризует участок бортов и днища балки от устья балки до разрушенной земляной плотины. Сегмент B характеризует участок бортов и днища балки от плотины до разветвления днища на два отвершка. Сегмент С характеризует левый отвершек балки. Сегменты D и E характеризуют правый отвершек балки. Граница между сегментами D и E проведена в связи с особенностями морфологии правого борта балки. На участке E борт балки пологий и распашка проводится почти до днища, что способствует непосредственному поступлению наносов с пашни в днище балки. На участке D между пашней и днищем находится залуженный борт балки, на котором, несомненно, частично аккумулируются наносы. В днище балки было заложено 6 почвенных разрезов таким образом, чтобы охарактеризовать каждый сектор днища с однородной морфологией.

Оценку объемов аккумуляции наносов в днище балки выполняли на основе использования радиоцезиевого и почвенно-морфологического методов, то есть за два интервала времени: 1) за период с 1986 г. (чернобыльские выпадения ¹³⁷Cs); 2) за весь период распашки территории, продолжительность которой была определена на основе анализа архивных источников в 250 лет. Для определения содержания ¹³⁷Cs из передней стенки каждого из разрезов послойно проведен отбор образцов почв с площади 15 × 15 см через 3 см для верхних 60 см и ниже по разрезу через 5 см. Образцы почв высушивали, растирали и просеивали через сито 2 мм. Гамма-спектрометрический анализ проб почвы проводили в научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ на гамма-спектрометрических комплексах с полупроводниковыми детекторами высокого разрешения из особо чистого германия с разрешением 1.95 кэВ по линии 1332 кэВ. Время экспозиции определяли статистически достоверным фиксированием пика ¹³⁷Cs на линии 661.66 кэВ.

По результатам проведения анализов содержания ¹³⁷Cs в послойно отобранных образцах почв построены эпюры вертикального распределения изотопа, на которых отчетливо выделялся пик 1986 г., датирующий положение поверхности днища балки на момент выпадения ¹³⁷Cs в мае 1986 г. после аварии на ЧАЭС (рис. 2). Таким образом, толща отложений, располагающаяся выше данного пика, накопилась за период с 1986 до 2020 гг., когда проводился отбор образцов. Детально методика использования радиоцезиевого метода для датировки отложений в днищах балок рассмотрена ранее [29, 30].

В разрезах проведено описание морфологических свойств почв. Так как в разрезах не вскрывалась вся аккумулятивная толща, для определения мощности отложений смытого с пашни материала за весь период земледельческого освоения в днище каждого из разрезов проводили бурение с описанием вскрываемой толщи почвы. Границу между стратоземом и погребенной почвой определяли по морфологическим признакам: отсутствию характерной для стратоземов слоистости, структуре и цвету [28].

Для определения площади днища при помощи GPS-съемки были установлены и нанесены на карту границы тылового шва днища.

Так как на всем своем протяжении днище балки, включая два отвершка, достаточно плоское, для расчета среднегодовой аккумуляции (Ayr, т/год) использовали формулу:

где S_a – площадь сектора днища балки А, м²; h_a – мощность отложений наносов в точке отбора, м, сегмент А; p – плотность почвы, г/см³; Т – время, год. Плотность почвы (1.3 г/см³) принимали условно одинаковой для всей толщи наносов. Данная величина соответствует средней плотности стратоземов, полученной при послойной отборе почв для проведения радиоцезиевого анализа.

Методы полевой оценки эрозионно-аккумулятивных процессов на пашне. Пахотная часть водосбора была разделена на склоновые водосборы и разделяющие их участки склонов на основе морфодинамического анализа рельефа. В общей сложности выделено 10 сегментов. Границы между отдельными участками проведены по местным водоразделам, определяющим направление стока воды и наносов. Граница между сегментами 4, 5, 6 проведена по грунтовой дороге, проходящей преимущественно по гребню склона и, соответственно, разделяющей поверхностные потоки вещества почв. С учетом особенностей поступления наносов с пашни в днище балки, выделенные сегменты были объединены в 5 групп, исходя из различий в коэффициентах доставки [42]. В первую группу входят склоновые ложбинные водосборы (рис. 1, участки 4 и 7), наносы с которых поступают непосредственно в верховья отвершков и далее в днище балки. Во вторую группу входит часть склонов водосбора с серией слабо выраженных в рельефе потяжин (рис. 1, участок 3), которые отделяются от днища балки грунтовой дорогой и очень узкой полосой задернованного борта балки. Большая часть смытых с пашни наносов доставляется в днище балки, но небольшое количество переотлагается на ее борту. В третью группу включены участки рассеивающих склонов (рис. 3а, участки 5, 8 и 10), отделенные от днища балки двурядной лесополосой и задернованным бортом балки. Вероятность поступления в днище балки наносов, вынесенных за пределы пашни поверхностным стоком, на этом участке чрезвычайно низка, так как рассеивание стока способствует снижению энергии потоков, а лесополоса и задернованный борт задерживают большую часть поступающего материала. Наконец, участки 1 и 2, а также 6 и 9 составляют группы 4 и 5 соответственно. Это склоны со слабо выраженными в рельефе ложбинами и потяжинами. От днища они отделены крутым задернованным склоном (участки 4 группы) и в дополнение двурядной лесополосой (участки 5 группы). По коэффициенту доставки наносов со склонов в днище долины они занимают промежуточное положение между участками второй и третьей групп. Здесь происходит концентрация стока, но по нижней границе пашни сформирована относительно высокая напашь, и протяженность задернованного борта балки между распаханным склоном и днищем достаточно велика. Следует отметить, что разделение пахотных склонов на сегменты является относительно условным, поскольку в отдельные годы возможно частичное поступление наносов в соседние сегменты в зависимости от направления распашки, характера обработки почвы и интенсивности эрозионного события. Тем не менее, такое разделение склонов представляется в целом правомерным для среднемноголетних оценок.

На пашне, занимающей практически все склоны водосбора Спокоевка, заложили три опорных почвенных разреза и 40 буровых колонок глубиной до 1.5 м, относительно равномерно распределенных по площади пашни. Сделаны детальные описания разрезов с выделением почвенных горизонтов.

Расчет балансов наносов на основе почвенно-морфологического метода для каждого сегмента пашни проводили отдельно для двух вариантов: на основе анализа нижних границ горизонтов А1 и А1В относительно эталонных значений мощностей горизонтов чернозема типичного на приводораздельном участке в восточной части водосбора. Для корректности расчеты проводили как в среднем (со средними значениями эталонных горизонтов почв и длительности распашки) (табл. 1), так и в диапазоне значений в связи с варьированием эталонных глубин горизонтов почв (А1 от 50 до 55 см, А1В от 77.5 до 82.5 см) и длительности распашки (от 225 до 275 лет). Суммарные объемы эрозии почв, то есть общего количества, мобилизованного процессами эрозии вещества, рассчитывали в среднем по сегменту на основе разницы между эталонной мощностью гумусовых горизонтов и арифметическим средним мощностей гумусовых горизонтов почв без проявлений признаков аккумуляции наносов. Суммарные объемы ежегодных эрозионных потерь, то есть объемы вещества, выносимого за пределы пашни, рассчитывали на основе разницы между эталонной мощностью гумусовых горизонтов и арифметическим средним мощностей гумусовых горизонтов в сегменте.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Оценка перераспределения почвенного вещества эрозионно-аккумулятивными процессами на основе математического моделирования. Результаты расчетов эрозии и аккумуляции на водосборе Спокоевка на основе эрозонных моделей со средним значением С-фактора, равным 0.43, представлены в табл. 1 и на рис. 3. Потенциальный диапазон варьирования расчетных темпов эрозии почв в связи с возможным варьированием С-фактора в диапазоне 0.35–0.5 отображен на рис. 4.

Результаты моделирования свидетельствуют об относительно высоких темпах перераспределения почвенного вещества процессами водной и механической эрозии на исследуемом водосборе, которые в среднем составляют 10 т/га в год. Наиболее значительный смыв наблюдается на пашне выше левого отвершка.

Более половины перемещаемых наносов (около 500 т/год) переотлагается внутри пашни. Такая величина внутрисклоновой аккумуляции получена с учетом допущения, что все наносы, формирующиеся при талом стоке, выносятся за пределы водосбора. Данное допущение обусловлено тем, что модель талого смыва не позволяет рассчитывать темпы аккумуляции. Аккумуляция наносов в пределах пашни приурочена преимущественно к нижним и средним частям днищ ложбин, а также к нижним участкам склонов на границе пашни и задернованных бортов в верховьях отвершков. Таким образом, за пределы пашни ежегодно выносится около 440 т/год почвенного вещества, перемещаемого водными потоками, что соответствует темпам эрозионных потерь около 4.6 т/га в год. Эрозионные потери с талым смывом составили 60 т/год, а с ливневым смывом 381 т/год, то есть на долю ливневого смыва приходится около 87% от суммарных эрозионных потерь.

Согласно расчетам по WATEM/SEDEM, значительные объемы почвенного вещества перемещаются локально на небольшие расстояния внутри пашни в результате механической эрозии (tillage erosion). При проходе сельскохозяйственной техники происходит “перетаскивание” почвенного вещества в днища распахиваемых ложбин и к нижней границе пашни. Ежегодно в пределах водосбора таким образом перемещается внутри пашни около 250 т.

Почвенное вещество, выносимое водными потоками за пределы пашни, переотлагается на бортах и, преимущественно, в днище балки. Объем аккумуляции наносов в днище балки и на ее бортах, согласно расчетам по модели, составил около 300 т/год. Только около 14% от общего объема вынесенного с пашни вещества транспортируется за пределы водосбора в принимающую долину Верхней Воробжи.

Оценка перераспределения почвенного вещества эрозионно-аккумулятивными процессами на основе почвенно-морфологического и радиоцезиевого методов. Расчет объемов и темпов аккумуляции наносов в днище балки проводили по секторам (рис. 1, табл. 2). Мощности намытой толщи за весь агрикультурный период составили в среднем около 220 см. В разных частях днища мощность наносов варьирует слабо от 190 до 220 см. Среднемноголетние темпы аккумуляции наносов составили 223 т/год. Ежегодные объемы накопления наносов в днище балки за период 1986–2020 гг., полученные на основе использования ¹³⁷Cs в качестве хрономаркера, оказались очень близки к среднемноголетним за весь агрикультурный период, установленным на основе почвенно-морфологического метода, и составили 194 т/год. Объемы аккумуляции, выявленные каждым из полевых методов, примерно в 1.6 раз меньше величины, полученной при расчетах по модели. Вероятно, это расхождение возникло за счет неучтенного переотложения части наносов в лесополосах и на задернованных бортах балки по пути транспортировки от края пашни до днища.

Оценку темпов эрозионно-аккумулятивных процессов на пашне на основе почвенно-морфологического метода проводили с учетом двух допущений, касающихся выбора эталона и оценки длительности периода распашки данной территории. В качестве эталона использовали мощности горизонтов почвы на приводораздельном участке в восточной части водосбора. Длительность распашки была принята в среднем равной 250 годам. В табл. 3 представлены средние значения балансов наносов с учетом указанных допущений. На рис. 4 показана экспертная оценка варьирования расчетных темпов эрозии почв с учетом допущения точности определения эталона ±2.5 см и длительности распашки ±25 лет.

Рассчитанные по почвенно-морфологическому методу темпы эрозии почв на пашне в среднем близки к расчетам по модели и составили около 751–833 т/год. Важно отметить, что использованный способ расчета темпов эрозии почв на основе почвенно-морфологического метода выполнен в соответствии с [16]. Однако такой способ расчета не учитывает интенсивность прироста гумусового горизонта, который в черноземах типичных составляет около 0.4 мм/год по данным [17]. Таким образом, вероятно, полученные темпы эрозии почв на основе почвенно-морфологического метода несколько занижены.

Отметим, что в действующих инструкциях по применению почвенно-морфологического метода [16] отсутствуют указания по учету объемов переотложения наносов внутри пашни. Тем не менее, на данном водосборе такой учет внутрисклоновой аккумуляции необходим, поскольку почти все распахиваемые ложбины заполнены наносами, которые обязательно должны быть учтены в балансе. Почвенно-морфологический метод позволяет лишь приблизительно оценить объемы переотложения наносов, в связи с особым характером протекания почвообразовательных процессов в днищах ложбин и сложностью расчета площади контуров днищ. Тем не менее, согласно почвенно-морфологическому методу доля переотложения наносов внутри пашни – около 50%, что составляет 356–480 т/год.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные на основе расчетов по моделям WATEM/SEDEM и модифицированной модели ГГИ результаты для обрабатываемых склонов в целом сопоставимы с оценками перераспределения наносов, определенными на основе применения почвенно-морфологического метода. Установленная на основе моделирования величина потерь почвы в 4.6 т/га в год несколько ниже оценок среднегодового смыва почв на пашне в среднем для Курской области, полученного при мелкомасштабных оценках с использованием расчетов на основе модифицированного USLE [14], но сопоставима со слоем смыва за весь период земледельческого освоения для данного региона, определенного на основе данных по степени смытости почв [27]. Надо отметить, что и в региональных оценках смыва, и в целом для Курской области не учитывалось переотложение наносов внутри пашни.

Также некоторое завышение суммарных потерь связано с использованием для расчетов талого смыва модифицированной модели ГГИ. Данная модель разработана в 1970-е гг. на основе полевых наблюдений за формированием талого стока и смыва в период с преобладанием устойчиво низких температур воздуха в зимние месяцы, когда промерзание почвы было практически ежегодным. Поэтому глубина промерзания почвы не включена в качестве одного из параметров в модель. Фактически начиная с конца 1980-х гг. из-за потепления климата в Курской области и в целом на Среднерусской возвышенности участились зимние оттепели, а глубина промерзания почвы резко уменьшилась, что привело к сокращению талого стока со склонов [7]. В последнее десятилетие XX в. и начале XXI в., согласно данным полевых наблюдений, поверхностный сток на пашне отмечался только в отдельные годы, когда промерзание почвы превышало 40 см (табл. 4).

Помимо наблюдений за стоком на Новосильской станции, снижение талого смыва подтверждается данными гидрографов р. Сейм, в которых четко прослеживаются тенденции по уменьшению уровней половодья и увеличению расходов летней и зимней меженей, что свидетельствует о росте вклада подземного стока в питание реки по сравнению с поверхностным и внутрипочвенным стоком [46]. Таким образом, фактически талый сток и смыв на исследуемом водосборе в период после 1986 г. наблюдался крайне редко, и расчетная величина потери почвы при талом стоке должна быть уменьшена при сопоставлении объемов выноса смытой почвы в днище балки с оценками по радиоцезиевому методу. Следует отметить, что в период 1960–1986 гг. сток воды со склонов и смыв почвы в период снеготаяния, согласно данным мониторинговых наблюдений, формировались на Среднерусской возвышенности практически ежегодно [2]. С другой стороны, модель ГГИ не учитывает размыв днищ склоновых ложбин при формировании талого смыва. Между тем, согласно данным 16-летних наблюдений за талым стоком, среднегодовой смыв с ложбинных водосборов в 4.4 раза превышает сток со склонов [4]. Таким образом, при сопоставлении расчетных данных с оценками суммарных потерь почвенно-морфологическим методом за весь период распашки следует учитывать, что фактические потери при талом стоке могли быть выше.

Тем не менее основной объем смытого с водосбора материала формируется в период ливневого стока. При формировании поверхностного стока при выпадении ливней зоны смыва и аккумуляции чередуются от водораздела по направлению к подножию пахотного склона, так как достаточно быстро наступает насыщение склоновых потоков наносами и их переотложение [20]. Эта важная специфика эрозионно-аккумулятивного процесса в отличие от других эрозионных моделей учтена в модели WATEM/SEDEM, что является ее несомненным достоинством. Другим важным достоинством модели является расчет механической эрозии, на долю которой, в частности в пределах исследуемого водосбора, приходится порядка 20% от общего объема перемещенного материала. На склонах с более расчлененным рельефом темпы механической эрозии могут превышать интенсивность смыва от водной эрозии. Так, на 20% от общей площади пашни в Европе темпы механической эрозии составляют более 5 т/га в год, что превышает среднемноголетние темпы смыва от склонового стока воды на пашне [48]. В Канаде в пределах распахиваемых холмистых моренных равнин темпы механической эрозии могут достигать 54 т/га в год, существенно превышая темпы водной эрозии [38]. И хотя механическая эрозия не приводит к выносу почвенного вещества за пределы обрабатываемых склонов, она может существенно сказываться на формировании участков смытых и намытых почв внутри пашни. В частности, показано, что именно благодаря механическому перемещению наносов при вспашке происходит заполнение днищ ложбин, в том числе после формирования в их днищах линейных эрозионных форм [24].

Следует отметить, что модель WATEM/SEDEM не лишена недостатков. В большей степени они обусловлены не столько алгоритмом модели, сколько возможностью получения достоверных и детальных материалов для некоторых входных параметров. Наиболее проблематично подобрать данные о фактических посевах на конкретно исследуемом водосборе, а также о времени выпадения в теплое время года стокоформирующих ливней. При среднемасштабных оценках темпов смыва с использованием модели WATEM/SEDEM данные сложности не имеют принципиального значения, так как в этих случаях основная цель исследования состоит в определении суммарных потерь почвы с пахотных земель в пределах речного бассейна [32, 43] или какой-либо другой относительно крупной территориальной единицы. Для оценки смыва и аккумуляции в пределах небольших пахотных водосборов важно учитывать, при каком проективном покрытии поверхности почвы выпадал конкретный стокоформирующий дождь, так как это существенно сказывается на интенсивности перераспределения наносов, в том числе внутри пашни [8]. Подобная информация может быть доступна только при мониторинговых наблюдениях на экспериментальных водосборах. Тем не менее, диапазон варьирования рассчитанных по модели темпов эрозии почв при условной неопределенности С-фактора оказался сопоставим и даже несколько ниже диапазона варьирования расчетов по почвенно-морфологическому методу, обусловленного неоднозначностью выбора эталона и сложностью точного определения длительности распашки конкретных участков.

Другим недостатком модели WATEM/SEDEM является недостаточная точность оценок расположения зон аккумуляции, особенно за пределами пашни. Ошибки, возникающие внутри пашни, в большей степени обусловлены детальностью использованной цифровой модели рельефа. Ранее авторами отмечалось, что площадь и объемы аккумуляции наносов на основе WATEM/SEDEM сильно зависят от разрешения цифровой модели рельефа [5]. Объемы внутрисклонового переотложения наносов в целом по водосбору Спокоевка оказались сопоставимы с оценками, полученными на основе почвенно-морфологического метода. Однако локально (например, в сегменте 2) выявлено неправдоподобное завышение объемов аккумуляции наносов, вероятно, обусловленное артефактами цифровой модели рельефа ALOS. 20-метровое разрешение данной цифровой модели рельефа позволило лишь приблизительно оценить объемы аккумуляции наносов в днищах распахиваемых ложбин в сегменте 9 (рис. 3а). Этот недостаток модели отмечают и в других исследованиях [37].

Расчет механической эрозии почв в модели проводили на основе уравнения диффузии. Алгоритм основан на допущении, что дальность переноса почвенного вещества вверх по склону будет всегда меньше, чем дальность переноса почвенного вещества вниз по склону при проходе сельскохозяйственной техники. Таким образом, среднемноголетнее перемещение почвенного вещества направлено в целом вниз по склону, а основным входным параметром является рельеф. Алгоритм учитывает изменением угла наклона поверхности, а не общий уклон склона. Поэтому на выпуклых поверхностях моделируется вынос, а в локальных понижениях рельефа – аккумуляция наносов. Интенсивность процесса контролируется значением константы диффузии, задаваемым пользователем. К сожалению, калибровка данного блока моделирования крайне затруднительна в связи с отсутствием литературных данных и сложностью полевого измерения данного процесса, в особенности за длительные периоды времени. В связи с этим в данном исследовании использовали стандартные параметры модели. Полученные темпы механической эрозии отражают общую тенденцию перераспределения наносов и не являются точными количественными оценками. Тем не менее, на рис. 3b показаны выявленные на основе моделирования участки переотложения наносов в результате механической эрозии, которые в целом согласуются с результатами полевых исследований в части выявления намытых почв. Модельные расчеты свидетельствуют о существенном вкладе механической эрозии в перемещение почвенной массы, который не следует игнорировать. Необходимо дальнейшее более детальное изучение влияния механической эрозии на трансформацию пахотных горизонтов почв.

За пределами пашни на залуженных участках достоверность оценок расположения зон аккумуляции снижается еще в большей степени. Во многом это обусловлено сложностью расчетов транспортирующей способности потоков в условиях высокой вариабельности шероховатости поверхности, что характерно для задернованных склонов [35, 51]. Однако в целом расчеты объемов ежегодной аккумуляции по модели вполне сопоставимы с результатами оценок полевыми методами. Согласно оценкам полевыми методами объем наносов, смываемых с пашни, составляет 350–480 т/год, из которых около 195–225 т/год переоткладывается в днище балки, а остальная часть выносится за пределы водосбора. Объем наносов, смываемых с пашни, оцененный на основе моделей, составляет также около 440 т/год, а доля наносов, переотлагающихся на задернованных бортах, включая лесополосы, и в днище балки – около 300 т/год. Таким образом, разница в примерно 90 т/год приходится на переотложение наносов по пути транспортировки с пашни в днище балки, что составляет порядка 20% от суммарного выноса наносов с пашни. Эта величина представляется реалистичной, особенно учитывая, что на значительном протяжении вдоль нижней границы пашни идет двурядная лесополоса. Известно, что посадка лесополос является эффективным противоэрозионным мероприятием, задерживающим большую часть стока воды и наносов [1]. В ранее рассчитанных балансах наносов в пределах малых пахотных водосборов, расположенных на возвышенностях европейской территории России, доля аккумуляции на задернованных бортах сухих долин оценивалась в интервале от 7.5 до 19% [4, 30], но на этих водосборах отсутствовали лесополосы на границе пашни и бортов балки.

Наконец, существенным недостатком модели является отсутствие блока расчета овражной эрозии, весьма характерной для пахотных земель и нераспахиваемых бортов долин, расположенных ниже пахотных склонов [32]. Отсутствие подобного блока могло сказаться на точности оценок перераспределения почвенного вещества на исследуемом водосборе, поскольку строение стратоземов в днище балки позволяет предположить существование крупных линейных размывов в днищах склоновых ложбин на каком-то этапе освоения. Наличие подобных размывов подтверждается прослоями серо-бурого цвета в стратоземах в днище балки, которые, вероятно, формировались при размыве горизонта А1В. Это свидетельствует, что глубина промоин могла составлять более 50 см. Важно отметить, что во всех исследованных разрезах в днище балки прослои с выраженным бурым оттенком встречаются в интервале глубин от 25 до 64 см, то есть маркируют какой-то временной отрезок интенсификации процессов линейной эрозии. Вышележащая толща наносов характеризуется темно-серым цветом с небольшой примесью бурого оттенка. Отсутствие бурых прослоев в современных наносах подтверждает выводы о существенном сокращении талого смыва, как следствие, вероятно, приведшем к сокращению интенсивности линейных размывов в днищах ложбин в последние десятилетия.

В целом сопоставление оценок суммарного смыва на пашне и выноса почвенного вещества за ее пределы, полученных для двух вариантов расчета с использованием почвенно-морфологического метода и расчетом по эрозионным моделям, позволяет утверждать, что модель WATEM/SEDEM совместно с модифицированной моделью ГГИ может быть успешно использована для оценок перераспределения и потерь черноземов в пределах агроландшафтов Среднерусской возвышенности. Хорошая сходимость оценок балансов наносов на основе эрозионного моделирования и почвенно-морфологического метода свидетельствует о том, что моделирование позволяет оценивать темпы деградации почв от эрозии в целом при осреднении на уровне малого водосбора. Сравнение темпов эрозии почв, рассчитанных по моделям и по почвенно-морфологическому методу в среднем по сегментам распахиваемых склонов, показало, что в сегментах 1, 2, 3, 5, 9, 10 расчетные темпы эрозии оказались в диапазоне варьирования оценок по почвенно-морфологическому методу с учетом погрешности методов 15–20%. В сегментах 4, 6, 7, 8 различия составили 25–50%. Тем не менее, тренды различий в темпах эрозии почв (максимальных по водосбору в сегменте 4, средних – в сегментах 6 и 7, низких – в сегменте 8) прослеживаются во всех случаях. Данные сегменты (4, 6, 7, 8) расположены близко друг от друга в северо-восточной части водосбора. Можно предположить, что в данной части водосбора проводились какие-то агротехнические мероприятия, отличные от остальной части распахиваемой территории, которые могли повлиять на состояние почвенного покрова либо характер протекания эрозионных процессов.

Еще более детальное сопоставление расчетных и фактических эрозионных потерь почв в отдельно взятых точках опробования свидетельствует о бóльших различиях в оценках. Таким образом, связь между потенциальными темпами эрозии почв, рассчитанными по модели, и фактическими эрозионными потерями увеличивается при уменьшении масштаба в ряду точки опробования – сегменты склонов–водосбор. Еще более четко подобная связь была выявлена при исследованиях на полях Курской опытной станции на участке площадью около 225 км² [6] и для всей пашни Прохоровского района Белгородской области площадью около 850 км² [5]. Расхождения между расчетными и фактическими эрозионными потерями почв в супердетальном масштабе обусловлены: а) наложением множества локальных факторов почвообразования и переноса почвенного вещества; б) недостаточной детальностью входных параметров моделирования. При переходе в масштаб малого водосбора или бассейна средней реки увеличивается сходимость результатов, диагностируемых разными методами, поскольку детальность входных параметров моделирования лучше соответствует масштабу и при этом некоторые случайные факторы нивелируются.

Важно отметить специфическую пространственную структуру проявлений эрозионно-аккумулятивных процессов на водосборе Спокоевка, характеризующуюся чередованием зон смыва и переотложения наносов и отсутствием больших по площади ареалов смыва почв. В частности, самый большой ареал водной эрозии (в нижней части сегмента 7) является одновременно зоной переотложения наносов в результате перемещения почвенного вещества сельскохозяйственной техникой. В сегментах 4 и 9 зоны смыва чередуются с зонами аккумуляции в днищах мелких распахиваемых ложбин. Указанная структура эрозионно-аккумулятивных процессов привела к формированию специфического рисунка почвенного покрова, при котором эродированные, намытые и смыто-намытые почвы не образуют больших по площади ареалов, происходит формирование мелкоконтурных комплексов почв с различной степенью и знаком (смыв/намыв) эрозионной деградации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сопоставление расчетов по моделям с фактическими потерями почвы на пашне, установленными на основе использования почвенно-морфологического метода, и объемами суммарных отложений смытых с пашни наносов в днище балки, определенными на основе применения радиоизотопного и почвенно-морфологического методов, свидетельствуют об их хорошей сходимости. Важным достоинством модели WATEM/SEDEM, помимо хорошей точности среднемноголетних оценок потерь почвы, является учет вклада механической эрозии в перераспределение почвенного вещества внутри пашни, а также реалистичное отражение расположения участков с различной интенсивностью смыва.

К недостаткам модели следует отнести недостаточную точность оценок расположения зон аккумуляции почвенного вещества, как на пашне, так и за ее пределами, а также отсутствие блока расчетов овражной эрозии. Еще одним ограничением, свойственным всем эрозионным моделям, является сложность сбора достоверной и детальной информации о составе и чередовании полевых культур на пашне за длительный период, и о точном времени выпадения стокоформирующих ливней на протяжении теплого сезона.

Модифицированная модель ГГИ, использованная для расчета темпов талого смыва, ранее верифицирована на основе данных мониторинговых наблюдений [11]. Ее применение позволяет получать достоверные данные о среднегодовых потерях почвы в период снеготаяния, но только при формировании стока на хорошо промерзшей почве. Возможность оценки переотложения наносов на пашне и за ее пределами отсутствует.

Наконец, недостатками использованных моделей является недоучет потерь почвы за счет развития линейной эрозии, а именно формирования крупных промоин. Это важно при большой продолжительности расчетного периода, поскольку интенсивность линейной эрозии на исследованном водосборе в последние десятилетия значительно сократилась, вероятно, в связи с резким уменьшением талого стока и смыва.