Факультет

Студентам

Посетителям

Динамика ионного и твердого стока с безлесного и лесного водосборов

Строгая приуроченность фитоценозов к определенным климатическим и почвенно-грунтовым условиям и, в свою очередь, влияние растительности на абиотические факторы находят свое выражение, в частности, в качественных и количественных вариациях климатических свойств приземного слоя атмосферы, в водно-физических и химических свойствах почво-грунтов, в газовом составе почвенного воздуха, химизме фильтрующихся и поверхностно стекающих вод и т. д.

Атмосферные осадки еще до выпадения на земную поверхность представляют собой растворы определенного ионного состава, а также взвеси твердой, жидкой и газообразной фаз (Максимович, 1953; Посохов, 1962; Колодяжная, 1963, и др.). Взаимодействуя с растительностью и почвой, они трансформируются в растворы иного состава. На поверхностно стекающие и фильтрующиеся воды формирующее влияние оказывают состав и строение ярусов растительности, наличие и свойства лесной подстилки и почвы в целом, степень ее поверхностного разрыхления, крутизна склонов, продолжительность и интенсивность выпадения осадков, различные сельскохозяйственные мероприятия и другие факторы.

Мы предприняли попытку проследить за качественными и количественными изменениями свойств стоковых вод в годовом цикле в зависимости от характера растительного покрова территории. Наблюдения за твердым и ионным стоком велись в течение 1965 г. на двух водосборах: безлесном и лесном, имеющих определенно выраженные тальвеги. На гидрометрических створах учитывалось количество стекающей воды.

Тальвеги безлесного и лесного водосборов входят в гидрографическую сеть речек Волготня и Нахта, которые, в свою очередь, до образования Рыбинского водохранилища являлись притоками

Шексны. Площадь безлесного водосбора 9,8 га, лесного 308 га. Безлесный водосбор входит в состав землепользования колхоза «Заветы Ильича» Рыбинского района Ярославской обл., лесной расположен в Нахтинской даче Рыбинского лесхоза.

Насаждения лесного водосбора представлены рядом типов березняков 35—45 лет и в небольшой степени ельниками 80—100 лет. Еловые насаждения занимают всего 7% территории водосбора, насаждения на почвах проточного увлажнения (ольхово-березовые и сероольшатники) —6%. Из березняков доминируют долгомошные, вейниково-долгомошные, злаково-разнотравные, кислично-щитовниковые типы. Ельники представлены кислично-щитовниковыми, кисличными, кислично-черничными типами.

Описываемые площади типичны для водораздельных пространств, расположенных севернее среднего течения Волги. Они характеризуются слабо расчлененным волнистым рельефом, слабо врезанными водотоками и малыми углами наклона местности (0,1—3°).

Территория изучаемого района сложена покровными легкими суглинками и супесями, подстилаемыми на глубине 0,5—1,0 м моренным валунным средним и тяжелым суглинком. Мощность слоя и характер морены в различных пунктах неодинаковы. Под первым от поверхности слоем суглинистой морены мощностью от 0,2—0,3 м до нескольких метров могут залегать слои песка и супеси, в верхней части зачастую оглиненные. Их мощность — от нескольких сантиметров до 1,5 м и более. В этом случае на глубине 3—5 м от поверхности обнаруживается второй слой суглинков и глин, который является относительно устойчивым водоупором. Моренные суглинки и пески различны по происхождению. Они образовались в результате трансформации главным образом некарбонатных пород, реже — карбонатных. Первые несколько легче по механическому составу, с обломками кислых горных минералов и имеют желтовато-бурую окраску. Вторые более тяжелые, тускло-краснобурого цвета, с включениями мела и мергеля. Верхний горизонт моренных суглинков играет роль временного водоупора, по которому при достаточных уклонах возможен боковой отток почвенно-грунтовых вод. Местами этот суглинистый горизонт выклинивается, представляя собой прослойки и гнезда суглинка в супесчаной массе.

При однородном характере почвообразующей породы определяющим условием размещения почв на водосборах является рельеф местности. К. площадям с уклонами в 1—3° приурочены почвы дерново-слабоподзолистые, при уклонах 0,5—1,0° дерново-средне- и дерново-сильноподзолистые, а при уклонах менее 0,5° средне — и сильноподзолистые и торфянисто-подзолисто — глеевые. Спокойный характер рельефа и близкое залегание суглинистой морены способствуют развитию глеевых процессов в почве, которые в условиях недостаточного дренажа приводят к формированию специфического профиля с осветленным контактным горизонтом на границе с подстилающей легкий суглинок или супесь тяжелосуглинистой мореной (Розанов, 1957). На контакте с суглинистой мореной происходит разрушение илистых и относительное накопление грубодисперсных фракций почвы.

Территория безлесного водосбора не имеет большого набора почв. Она представлена, главным образом, дерново-среднеподзолистой почвой. Водосбор частично распахан (на 65%), а в остальной части залужен.

Почвы лесного водосбора более разнообразны по генезису и свойствам. Наиболее богаты перегнойно-глеевые почвы под сероольхово-березовыми насаждениями. В-горизонте A1 гумуса содержится 4—8%, обменных щелочно-земельных оснований 8—16 мг-экв в 100 г почвы, степень ненасыщенности основаниями: 25—55%. Однако эти почвы занимают менее 6% территории лесного водосбора. Доминируют на лесном водосборе дерново-подзолистые, подзолистые, и торфянисто-подзолисто-глеевые почвы. Горизонт лесной подстилки наиболее выражен в еловых типах леса (до 3—5 см), в березовых с травяным живым напочвенным покровом он маломощен (до 1,5—2,0 см). Аккумулятивный горизонт (A1) дерново-подзолистых почв небогат гумусом (1,2—2,6%) и обменными щелочно-земельными основаниями (1,5—2,8 мг-экв в 100 г почвы). Он имеет довольно высокую гидролитическую кислотность (9—12 мг-экв в 100 г почвы) и соответственно высокую степень ненасыщенности основаниями (75—87%). Актуальная кислотность (pH) колеблется в пределах 4,3—5,6. Торфянистый горизонт торфянисто-подзолисто-глеевых почв образовался за счет березового опада и мхов: кукушкина льна и сфагнума. Мощность его колеблется от 5 до 10 см. Нижележащий горизонт (А2) беден гумусом (0,3—0,5%), сильно выщелоченообменных оснований 0,4—0,7 мг-экв в 100 г почвы), степень ненасыщенности основаниями более 85%, pH 4,3—5,5, оглеен.

На безлесном водосборе находящиеся под пашней (посевы ржи) и залуженные почвы отличаются от лесных большим содержанием обменных оснований (4,2—6,7 мг*экв), более низкой гидролитической кислотностью (6—8 мг*экв) и, следовательно, меньшей степенью ненасыщенности основаниями (40—50%). pH колеблется в пределах 5,6—6,7. В содержании гумуса по сравнению с горизонтом A1 дерново-подзолистых лесных почв существенных различий нет.

Воды, стекающие в тальвеги с водосборов, количественно учитывались на гидрометрических створах при помощи самописцев уровня воды типа «Валдай». В воде определялись минеральные взвеси, твердый остаток, органическое водорастворимое вещество, состав основных ионов по общепринятым в гидрохимии методикам.

Особенность лесного водосбора в том, что сток с него в небольших размерах происходит уже до начала весеннего снеготаяния. Причина в слабом промерзании почвы под пологом леса.

К концу зимы она может полностью оттаять, в результате чего в понижениях рельефа выклинивается верховодка. На безлесном водосборе сток начинается в период интенсивного снеготаяния и нарастает очень быстро и столь же быстро падает. В 1965 г. с лесного водосбора сток в заметных количествах начался в середине марта, а с безлесного только в середине апреля. Затем быстро достиг максимума и к началу мая резко упал. Сток талых вод с лесного водосбора был более продолжительным. В летние и осенние месяцы характер стока с лесного и безлесного водосборов также был различным. При интенсивных дождях с площади безлесного водосбора значительная доля воды сбегала поверхностно. На лесном водосборе поверхностного стока до конца октября не было, а отмечен внутрипочвенный сток. В результате накопления влаги в почве в предшествующие месяцы в ноябре и декабре наблюдался поверхностный сток, причем по объему он не уступал стоку с безлесного водосбора. Сток в декабре был вызван кратковременным, но весьма интенсивным снеготаянием.

Не только различия в характере субстрата, с которым взаимодействуют талые и дождевые воды, но и режим самого стока влияет на величины выноса твердых и водорастворимых веществ с территории водосборов. Необходимо отдельно отметить влияние на твердый и ионный сток хозяйственных мероприятий, особенно резко проявляющихся на безлесном водосборе (вспашка, внесение удобрений, уборка урожая, выпас скота и т. д.). Однако и на лесном водосборе велика роль антропогенного фактора. Здесь, в частности, при трелевке и вывозке леса, особенно в позднелетний и осенний периоды, усиленно разрушался травяной покров и горизонт лесной подстилки, врезались глубокие колеи, во время осенних дождей и при снеготаянии превращающиеся в водотоки. Такие водотоки способствуют размыву почвы, обогащая поверхностно текущие воды минеральными взвесями (Молчанов, 1960). На данных водосборах действовали все перечисленные факторы, влияя на свойства стекающих по тальвегам вод.

В ионном составе воды наблюдается известная закономерность: снижение концентрации ионов в 1 л воды в периоды максимального стока и возрастание концентраций при минимальных значениях, т. е. тогда, когда доминирует внутрипочвенный боковой сток. Максимальные величины сумм ионов превышают минимальные в три — пять раз. В составе катионов преобладают кальций, магний, щелочные металлы, аммоний; в составе анионов гидрокарбонатный ион, SO4, Cl, NO3. Фосфор и нитриты обнаруживаются в следах. Зольных элементов в водах с лесного водосбора меньше, чем в водах полевого водосбора как в периоды максимальных, так и минимальных величин стока.

Суммарный вынос водорастворимых веществ с водосборов резко различен. С лесного водосбора за год зольных веществ вынесено меньше, а органического вещества, аммонийного азота и железа больше, чем с полевого. Причина различий в том, что около половины (43,4%) площади лесного водосбора занимают бедные, выщелоченные подзолистые и торфянисто-подзолистые глеевые почвы. Здесь главный источник зольных и органических веществ, выносимых водами, — лесная растительность, накапливающая в себе и отдающая в составе лесного опада азот и зольные элементы.

Весьма существенны в миграции химических элементов скорости минерализации органических веществ, поступающих на почву и в почву. На пахотных и залежных участках микробиологические процессы идут более интенсивно, чем под пологом лесных насаждений. В результате быстрее освобождаются из состава растительных остатков соединения в виде простых солей и окислов. Из-за замедленного разложения лесного опада до конечных продуктов с лесного водосбора в значительных количествах выносятся соединения в виде органо-минеральных комплексов. Почвы безлесного водосбора, благодаря внесению удобрений, в целом богаче лесных, особенно на распаханной части. В итоге вынос водами ионов за год с безлесного водосбора составил 317,26 кг, а с лесного — 124,11 кг с 1 га. Вынос растворенных и взвешенных веществ количественно коррелирует с величинами стока воды. Наибольшие количества ионов выносились в период весеннего стока: с безлесного 132,93 кг, с лесного 59,77 кг с 1 га. За лето — соответственно 44,60 и 25,14 кг, за осенние месяцы 107,34 и 20,15 кг с 1 га. Сравнительно высокие величины выноса ионов в летние месяцы обусловлены обильными дождями, выпавшими в июне, и интенсивными процессами разложения органического вещества почвы. Резкое возрастание выноса химических веществ с безлесного водосбора в осенние месяцы, помимо прочих причин,— результат уборочных работ, при которых уменьшилось противоэрозионное влияние растительного покрова.

Вынос стоковыми водами щелочноземельных оснований (Ca и Mg), щелочных металлов и других элементов во времени распределился следующим образом. Щелочноземельных оснований в апреле было вынесено с безлесного водосбора 35,3%, с лесного 29,3% от суммарного годового выноса этих веществ. Второй максимум выноса с безлесного водосбора отмечен в июне и третий в октябре. Они составили соответственно 10,9 и 26,1% от величины годового выноса. На лесном водосборе второй максимум пришелся на декабрь и составил 14,4% от годового выноса. В целом с лесного водосбора кальция и магния вымыто втрое меньше, чем с безлесного. В годовом цикле щелочей (калий + натрий) с безлесного водосбора вынесено вдвое больше, чем с лесного. При этом за апрель с безлесного водосбора вынесено 68,2%, с лесного за апрель — май 51,1% от годового выноса щелочей. За осенний период и декабрь щелочей с водами вынесено с безлесного водосбора 4,31 кг, с лесного же 2,87 кг с 1 га, или 23,5 и 31,2% от годового выноса. Несколько более высокая доля выноса щелочей в осенние месяцы с лесного водосбора по сравнению с безлесным обусловлена тем, что здесь основные запасы водорастворимых соединений щелочных металлов сосредоточены в лесном опаде и подстилках, из которых эти элементы вымываются легче, чем из минерального субстрата.

В выносе аммонийного и нитратного ионов отмечена следующая закономерность. В водах, стекающих с территории безлесного водосбора, преобладает нитратный ион, в стекающих с лесного — ион аммония. В целом за год с 1 га безлесного водосбора вынесено 0,33 кг аммонийного и 1,37 кг нитратного азота; с лесного соответственно 1,87 и 0,85 кг. Существенная разница в величинах выноса нитратного и аммонийного ионов обусловлена тем, что под пологом леса преобладают процессы аммонификации, на безлесном — процессы нитрификации. Около половины количества подвижных соединений азота выносится в весенний период. За осенний период и декабрь вынос аммиачного и нитратного азота составил 30% с безлесного и 15% с лесного водосборов от величины годового выноса.

Железо вымывалось в весьма небольших количествах. В течение года с лесного водосбора его вынесено в пять раз больше, чем с безлесного. В водах, стекающих с территории лесного водосбора, в пять раз больше содержалось и веществ, способных, окисляться перманганатом калия (с лесного вынесено 85,37 кг, с безлесного — 16,29 кг с 1 га).

Миграционная способность химических элементов связана с режимом актуальной кислотности почвы и воды. Активная реакция (pH) вод, стекающих с безлесного водосбора, ниже по сравнению с реакцией вод, стекающих с лесного водосбора; pH воды в первом случае колебалась в пределах 5,9—7,2, во втором — в пределах 5,6—6,8. Наиболее низкие значения pH наблюдались в конце апреля, т. е. в тот период, когда основные массы талых вод уже сбежали, сток в значительной мере упал, а органический субстрат почвы и подстилок отдал большую часть легкора створимых щелочноземельных оснований и щелочей. В летние и осенние месяцы колебания pH не выходили за пределы 6,6—7,1 в водах безлесного и 6,1—6,8 в водах лесного водосбора.

Наибольшие величины твердого стока приурочены к периоду максимального весеннего стока талых вод. Так, в 1965 г. весенний твердый сток с безлесного водосбора составил 62,5%, с лесного — 71,1 % от годовой величины твердого стока. Летний период, благодаря обильным июньским дождям, характеризовался довольно высоким твердым стоком с обоих водосборов. В периоды слабых по интенсивности и кратковременных дождей причиной твердого стока явились эрозионные процессы в самом русле ручья.

На примере двух малых водосборов (безлесного и лесного), типичных для подзоны южной тайги, показаны различия в формировании ионного и твердого стока в годовом цикле. В водах, стекающих по тальвегам, максимальные концентрации ионов приходятся на периоды наименьших расходов воды; минимальные — на периоды весеннего и осеннего максимумов стока. Наиболее интенсивно смыв и размыв почво-грунтов совершается в период весеннего стока. На ионный и твердый сток влияют как количество и режим сбега вод, так и свойства омываемого водой субстрата. Воды, стекающие с территории лесного водосбора, беднее вод безлесного водосбора щелочноземельными основаниями, щелочными элементами, гидрокарбонатным ионом, нитратами, но богаче водорастворимыми органическими веществами, аммонийным азотом и железом. Активная реакция их выше. На территории лесного водосбора эрозионные процессы развиты слабее.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: