<<
>>

4.1. Водная и ветровая эрозия почв

Эрозия почв - это естественный геоморфологический процесс, неотъемлемое звено как глобальных биогеохимических циклов, так и глобального цикла денудации-аккумуляции. Наибольшие величины естественной водной эрозии вне горных территорий наблюдаются в зонах полупустынь и степей.

Здесь количество осадков, составляющее около 250-500 мм в год, еще достаточно велико, чтобы обеспечить размыв и смыв почвы, а естественная растительность уже не полностью защищает почву от воздействия дождевых капель. Наименьшие величины естественной водной эрозии характерны для тех ландшафтных зон, где сплошная, зачастую многоярусная растительность защищает поверхность почвы от размыва (в зонах влажных лесов), или где осадков недостаточно для заметного смыва (зоны пустынь). Распределение естественной водной эрозии почв в мире в целом подчиняется закону географической зональности.

Максимум естественной ветровой эрозии располагается в аридных зонах (полупустыни и пустыни). На глобальном уровне роль ветровой эрозии приблизительно вдвое меньше, чем водной эрозии. Общая площадь в мире, подвергающаяся необратимым изменениям вследствие ветровой эрозии, невелика, но локальный эффект этого процесса может быть весьма серьезным.

При превращении природной экосистемы в сельскохозяйственное поле условия для эрозии резко меняются. Поверхность почвы становится слабо прикрытой растительностью, а значительную часть года и вовсе голой. Многочисленные данные указывают на то, что при преобразовании лесного ландшафта в полевую агроэкосистему величины эрозии увеличиваются по крайней мере на два-три порядка величины, а при преобразовании открытого (нелесного) ландшафта - на один-два порядка. Поэтому при сельскохозяйственном освоении территорий эрозия почв резко увеличивается и остается на высоком уровне.

В России почти половина площади почв подвержена водной и ветровой эрозии.

На 5 млн. га бывшего СССР располагаются сильно эродированные почвы, на которых урожаи не превышают 40% от тех, которые были бы при неизмененной почве. В последние годы существования СССР с полей выносилось 100 млн тонн гумуса и более 40 млн. тонн соединений азота, фосфора и калия в год. Это в полтора раза больше количества вносимых в то время в почву удобрений, и именно таким образом потенциальное плодородие почвы неуклонно снижается.

Многочисленные факты из других районов мира также указывают на чрезвычайно высокую степень снижения естественного плодородия почв.

В США за последние 200 лет смыто около трети верхнего слоя почвы, и естественное плодородие сократилось на 10-15%. Около двух третей пашни США нуждаются в защите от эрозии. Почвенная эрозия в США уносит приблизительно вдвое больше биогенных веществ, чем их вносится в почву в виде удобрений. Около половины наносов рек США обязаны своим происхождением эрозии почв.

Еще хуже ситуация с эрозией почв в развивающихся странах, где благоприятные для эрозии природные условия сочетаются, как правило, с низким уровнем противоэрозионной агротехники. На о.Ява, например, рост доходов сельскохозяйственного производства за последние 10-15 лет составлял около 4% в год, но эта величина примерно равна потерям плодородия почв в результате эрозии. В Зимбабве эрозия уносит втрое больше биогенов, чем их вносится ежегодно.

Главная причина эрозии почв - сельское хозяйство. Например, в штате Нью-Йорк (США) земледельческие системы занимают 20% площади, но они дают 63% всего объема эрозии почв штата.

Противоэрозионная способность почв зависит от содержания гумуса и карбонатов, концентрации катионов в поглощающем комплексе, механических и агрегатных свойств почвы. Каждый генетический тип почвы отличается характерным для него набором параметров. Наибольшей эрозионной устойчивостью среди почв Русской равнины обладают черноземы. К северу и югу от зоны черноземов устойчивость почв к водной эрозии снижается.

С другой стороны, более 70% черноземов мира распахано. Поэтому общий объем эрозии в черноземной зоне под влиянием земледелия значительно увеличился.

Насколько увеличилась эрозия почв мира вследствие трансформации естественных экосистем в пашню? Автором были выполнены расчеты влияния сельского хозяйства на водную эрозию почв мира. Установлено, что с полей смывается ежегодно не менее 90 млрд. тонн почвы. Для сравнения: твердый сток рек мира оценивается в 22 млрд. т в год. В настоящее время водная эрозия почв по крайней мере в пять раз больше, чем она была при ненарушенных земледелием условиях. Объем смытой почвы содержит больше фосфора, чем все производство фосфорных удобрений в мире за год.

Главные потенциальные резервы земельных ресурсов под пашню располагаются в тропических и экваториальных районах. Расширение площади пашни приведет там к значительному росту эрозии почв. Продолжающееся обезлесение приведет к дальнейшему увеличению эрозии почвы, в особенности во влажной экваториальной зоне, где, по сравнению с доземледельческим периодом, эрозия уже увеличилась в 8 раз, и при условии использования всех доступных земельных ресурсов может вырасти в 24 раза.

Наибольшее увеличение эрозии почвы, в 33 раза по сравнению со временем до начала земледелия, отмечается в районах достаточного увлажнения умеренного пояса, где по климатическим условиям изначально произрастали леса и где площадь пашни весьма велика.

На уровне речного бассейна смытые почвы представляют собой наносы, переносимые реками. Увеличение стока наносов приводит к заилению водохранилищ, каналов, оросительных систем и судоходных путей. Для условий США подсчитано, что это приносит больший экономический ущерб, чем снижение плодородия почв в результате эрозии почв.

Далеко не весь рыхлый материал, образующийся вследствие эрозии пахотных почв, достигает больших рек и океана. Преимущественная часть его отлагается ниже по склону и в гидрографической сети первого порядка. Чем выше порядок сети или чем больше площадь бассейна, тем меньшая доля наносов попадает в реки.

В бассейне Оки, например, распределение отложенных наносов по элементам рельефа выглядит следующим образом:

В пределах

В долинах без

В долинах

В долинах сред

Всего:

склонов -

постоянного

малых рек -

них рек и глав

60%

стока - 20%

10%

ной реки - 10%

100%

Отношение объема наносов, достигших определенного створа на реке, к объему наносов, первоначально образовавшихся в этом бассейне, называется показателем поступления наносов (,Sediment Delivery Ratio - SDR).

Величина SDR находится в обратной нелинейной зависимости от площади бассейна. Обширный фактический материал, собранный в различных районах мира, позволил получить следующее выражение для определения показателя поступления наносов (SDR):

SDR = kS"

где S - площадь бассейна, кип- числовые параметры. При этом параметр п изменяется в пределах от -0,01 до -0,25.

Геоморфологические и геологические исследования подтверждают ведущую роль расширяющегося земледелия в увеличении эрозии почв и стока наносов. На юге Украины в балках, не имеющих постоянного стока воды, отмечены значительные отложения наносов, аккумулированные 100-150 лет тому назад, то есть во времена земледельческого освоения южных степей. Анализ кернов осадков в Черном море показал, что средняя скорость осадконакопления в период 7000-2000 лет тому назад составляла 90 млн. т в год. Затем скорость накопления увеличилась до 250 млн т в год, причем она была наибольшей в X-XV вв., когда происходила наиболее активная трансформация лесов в бассейне Дуная в агроэкосистемы.

Русло реки Хуанхэ в нижнем течении чрезвычайно неустойчиво. Река течет в собственных отложениях, очень быстро и резко изменяя свое положение и вызывая катастрофические затопления. За последние 4000 лет было около 1500 наводнений, в результате которых русло реки перемещалось на десятки и сотни километров 26 раз. И все же до времени примерно 1000-2000 лет тому назад река Хуанхэ имела относительно нормальный объем стока наносов. Затем сельскохозяйственное освоение Китая привело к распашке поверхности Лессового плато в бассейне р. Хуанхэ, где эрозии стали подвергаться чрезвычайно легко размываемые, тонкие отложения лесса. Мутность воды необычайно возросла и достигает сейчас 1 т/куб. м. Сток наносов Хуанхэ - около 1 млрд. т в год, или около 10% стока взвешенных наносов всех рек мира. Это ставит ее на второе место в мире после Ганга-Брамапутры. На реке построено несколько водохранилищ, работающих в специальном режиме, препятствующем накоплению большей части переносимых наносов, но выполняющих свою основную функцию увеличения стабильных водных ресурсов.

Для своего развития растения нуждаются в определенном количестве биогенных веществ (соединений азота, фосфора, калия и др.), обычно поглощаемых из почвы.

В естественных экосистемах биогены, ассимилированные растительностью, возвращаются в почву в результате процессов деструкции в круговороте вещества: разложения плодов, растительного опада, отмерших побегов, корней и пр. Некоторое количество соединений азота фиксируется бактериями из атмосферы. Часть биогенов привносится с осадками. На отрицательной стороне баланса находятся инфильтрация и поверхностный сток растворимых соединений биогенов, их вынос с почвенными частицами в процессе эрозии почвы, а также преобразование соединений азота в газообразную фазу с уходом ее в атмосферу.

В природных экосистемах скорость накопления или расходования питательных веществ обычно невелика. Например, для девственной степи на черноземах Русской равнины соотношение между потоком соединений азота через границы избранного участка степи и его запасами в верхнем метровом слое составляет около 0,0001 или 0,01%. Можно сказать, что в масштабах жизни человека баланс биогенных веществ, так же как и гумуса для девственных (первичных) экосистем, замыкается с высокой точностью.

Сельское хозяйство нарушает естественный, практически замкнутый баланс биогенов. Ежегодный урожай уносит часть биогенов, содержащихся в произведенном продукте. В агроэкосистемах скорость выноса питательных веществ на 1-3 порядка больше, чем в природных системах, причем чем выше урожай, тем относительно больше интенсивность выноса. Следовательно, даже если первоначальный запас питательных веществ в почве и был значительным, в агроэкосистеме он может израсходоваться сравнительно быстро.

Всего в мире с урожаем зерна выносится, например, около 40 млн. т азота в год, или примерно 63 кг на 1 га площади зерновых. Отсюда следует необходимость применения удобрений для поддержания плодородия почвы и повышения урожаев, так как при интенсивном земледелии без удобрений плодородие почвы снижается уже на второй год. Обычно применяются азотные, фосфорные и калийные удобрения в различных формах и сочетаниях, в зависимости от местных условий.

В то же время, применение удобрений маскирует деградацию почв, заменяя естественное плодородие на плодородие, базирующееся в основном на химических веществах.

Производство и потребление удобрений в мире неуклонно росло, увеличившись за 1950-1990 гг. приблизительно в 10 раз. Среднее мировое использование удобрений в 1993 г. составляло 83 кг на 1 га пашни, из них примерно половина - азотных удобрений. За этой средней величиной скрыта большая разница в потреблении различных стран. В Нидерландах применяется больше всего удобрений, и там уровень применения удобрений в последние годы даже сократился: от 820 кг/га до 560 кг/га. С другой стороны, среднее потребление удобрений в Африке в 1993 г. составляло лишь 21 кг/га, причем в 24 странах применяли 5 кг/га и менее.

Наряду с положительными эффектами, удобрения создают также экологические проблемы, в особенности в странах с высоким уровнем их применения. О загрязнении природных вод нитратами и о связанной с этим эвтрофикации водоемов уже говорилось в главе, посвященной проблемам гидросферы.

Нитраты опасны для здоровья человека, если их концентрация в питьевой воде или продуктах сельского хозяйства выше установленной ПДК. Концентрация нитратов в воде, стекающей с полей, обычно находится между 1 и 10 мг N/л, а с нераспаханных земель она на порядок меньше. По мере роста массы и продолжительности применения удобрений, все большее количество нитратов попадает в поверхностные и подземные воды, делая их непригодными для питья. Если уровень применения азотных удобрений не превышает 150 кг N/ra в год, то в природные воды попадает примерно 10% от объема применяемых удобрений. При более высокой нагрузке эта доля еще выше. В особенности серьезна проблема загрязнения подземных вод после того, как нитраты попали в водоносный горизонт.

Водная эрозия, унося почвенные частицы, переносит также содержащиеся в них и адсорбированные на них соединения фосфора и азота. Если они попадают в водные объекты с замедленным водообменом, улучшаются условия для развития процесса эвтрофикации. В реках США главным загрязнителем воды стали растворенные и взвешенные соединения биогенов.

Зависимость сельского хозяйства от минеральных удобрений привела к серьезным сдвигам в глобальных циклах азота и фосфора. Промышленное производство азотных удобрений привело к нарушению глобального баланса азота вследствие роста объема доступных

для растений соединений азота на 70% по сравнению с доиндустри- альным периодом. Избыток азота может изменить кислотность почв, а также содержание в них органического вещества, что может привести к дальнейшему выщелачиванию питательных веществ из почвы и ухудшению качества природных вод.

По нашей оценке, смыв фосфора со склонов в процессе почвенной эрозии составляет не менее 50 млн. т в год. Эта цифра сравнима с годовым объемом промышленного производства фосфорных удобрений. По другой оценке, в 1990 г. столько же фосфора было вынесено реками в океан, сколько было внесено на поля, а именно 33 млн. т. Поскольку газообразных соединений фосфора не существует, он перемещается под воздействием силы тяжести, главным образом с водой, преимущественно с континентов в океаны. Это ведет к хроническому дефициту фосфора на суше и к еще одному глобальному геоэкологическому кризису.

Зависимость величины урожая от объема применяемых удобрений в целом похожа для любой культуры: растение заметно реагирует на первые порции применяемых удобрений, при последующих порциях прирост урожая становится меньше, а затем уже прироста практически нет (кривая зависимости в этой области стремится к асимптоте), а при дальнейшем увеличении нагрузки удобрениями может отмечаться и снижение урожая. Деградация почв, обсуждавшаяся выше, не остановила рост сельскохозяйственного производства, потому что фермеры в мире применяли все больше удобрений, чтобы компенсировать теряемое природное плодородие почв, и увеличивать урожаи.

В настоящее время рост применения удобрений вызывает все меньшее приращение урожая (на кривой зависимости урожая от нагрузки удобрениями эта ситуация находится в зоне асимптоты). Вследствие этой причины, а также вследствие изменения типа экономики в ряде стран, объем применения удобрений в мире не растет с 1990 г. В такой ситуации удобрения более не маскируют снижение плодородия почв, потому что они не могут заменить другие важные компоненты почвы как сложного природного тела: органического вещества, тонкой фракции почвы, водоудерживающей способности почвы, почвенной фауны беспозвоночных и микроорганизмов и пр.

В то же время, развивающиеся страны нуждаются в более высоком уровне применения удобрений для повышения сельскохозяйственной продукции, что, с другой стороны, неизбежно повлечет за собой рост геоэкологических проблем.

Научно обоснованные стратегии сельского хозяйства должны исследовать возможности сокращения объема применяемых удобрений с целью поиска оптимального уровня их применения, а также включать такие компоненты, как корректная технология их применения и защита почв от эрозии.

<< | >>
Источник: Голубев Г. Н.. Геоэкология. Учебник для студентов высших учебных заведений. - М.: Изд-во ГЕОС. - 338 с.. 1999

Еще по теме 4.1. Водная и ветровая эрозия почв:

  1. 7.3.6 Пути улучшения использования и охраны земельных ресурсов
  2. 7.4. Земельные ресурсы
  3. IL3. Энергетические и вещественные особенности экосферы
  4. VII.2. Антропогенная деградация почв
  5. 3. Земельные ресурсы мира и их использование
  6. VI 1.4. Геоэкологические проблемы земледелия
  7. 4.1. Водная и ветровая эрозия почв
  8. Х.6. Геоэкологические аспекты сельского хозяйства
  9. ДВИЖЕНИЕ ВОЗДУХА
  10. АНТРОПОГЕННЫЙ ФАКТОР
  11. СТАДО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПАСТБИЩНЫЙ БИОГЕОЦЕНОЗ