Введение
Вытеснение почвы водой, ветром и живыми организмами
Эрозия почвы – это разрушение или снос верхнего слоя почвы. Это форма деградации почвы. Этот естественный процесс вызывается динамической активностью эрозионных факторов, то есть воды, льда (ледников), снега, воздуха (ветра), растений и животных (включая человека). В зависимости от этих факторов, эрозия иногда подразделяется на водную эрозию, ледниковую эрозию, снежную эрозию, ветровую (эолическую) эрозию, зоогенную эрозию и антропогенную эрозию, такую как эрозия, вызванная обработкой почвы. Эрозия почвы может быть медленным процессом, протекающим относительно незаметно, или может происходить с тревожной скоростью, вызывая серьезную потерю плодородного слоя почвы. Потеря почвы на сельскохозяйственных угодьях может отражаться в снижении потенциальной урожайности, ухудшении качества поверхностных вод и повреждении дренажных сетей. Эрозия почвы также может приводить к образованию провалов. Человеческая деятельность увеличила скорость эрозии во всем мире в 10–50 раз. Чрезмерная (или ускоренная) эрозия вызывает проблемы как "на месте", так и "вне места". Воздействие "на месте" включает снижение сельскохозяйственной продуктивности и (на природных ландшафтах) экологический коллапс, оба из-за потери верхних слоев почвы, богатых питательными веществами. В некоторых случаях конечным результатом является опустынивание. Внеплощадочные последствия включают осадконакопление в водотоках и эвтрофикацию водоемов, а также повреждение дорог и домов, связанное с осадком. Водная и ветровая эрозия являются двумя основными причинами деградации земель; вместе они ответственны примерно за 84% глобальной площади деградированных земель, что делает чрезмерную эрозию одной из наиболее значительных экологических проблем во всем мире. Интенсивное сельское хозяйство, обезлесение, строительство дорог, кислотные дожди, антропогенное изменение климата и расширение городов – одни из наиболее значимых видов деятельности человека, стимулирующих эрозию. Однако существует множество методов предотвращения и восстановления, которые могут замедлить или ограничить эрозию уязвимых почв.
Осадки и поверхностный сток
Дождь и поверхностный сток, который может возникнуть в результате дождя, вызывают четыре основных типа эрозии почвы: эрозия от удара капель, плоскостная эрозия, эрозия оврагами и овражная эрозия. Эрозия от удара капель обычно рассматривается как первая и наименее серьезная стадия процесса эрозии почвы, за которой следует плоскостная эрозия, затем эрозия оврагами и, наконец, овражная эрозия (самая серьезная из четырех). При эрозии от удара капель воздействие падающей капли дождя создает небольшой кратер в почве, выбрасывая частицы почвы. Расстояние, на которое эти частицы почвы могут разлетаться, достигает 0,6 м (две фута) по вертикали и 1,5 м (пять футов) по горизонтали на ровной поверхности. Если почва насыщена водой или если интенсивность осадков превышает скорость, с которой вода может просачиваться в почву, возникает поверхностный сток. Если сток обладает достаточной энергией, он переносит разрыхленные частицы почвы (осадок) вниз по склону. Плоскостная эрозия – это перенос разрыхленных частиц почвы поверхностным стоком. Овражная эрозия происходит, когда сточная вода накапливается и быстро течет в узких каналах во время или сразу после сильных дождей или таяния снега, удаляя почву на значительную глубину. Другой причиной овражной эрозии является выпас скота, который часто приводит к уплотнению почвы. Поскольку почва остается открытой, она теряет способность поглощать избыточную воду, и в подверженных эрозии местах может развиться разрушение.
Реки и ручьи
Эрозия долины или ручья происходит при непрерывном течении воды вдоль линейного объекта. Эрозия происходит как вниз, углубляя долину, так и вверх по течению, расширяя долину в сторону склона, формируя обрывы и крутые берега. На ранней стадии эрозии ручья эрозионная активность преимущественно вертикальная, долины имеют типичное V-образное поперечное сечение, а уклон ручья относительно крутой. Когда достигается определенный базис эрозии, эрозионная активность переключается на латеральную (боковую) эрозию, которая расширяет дно долины и создает узкую пойму. Уклон ручья становится почти плоским, и латеральное отложение осадочных пород становится важным, поскольку ручей извивается по дну долины. На всех стадиях эрозии ручья наибольшая эрозия происходит во время паводков, когда большее количество воды движется быстрее и способно переносить больший объем наносов. В этих процессах эрозией подвергается не только вода: взвешенные абразивные частицы, галька и валуны также могут оказывать эрозионное воздействие, перемещаясь по поверхности, в процессе, известном как тракция. Эрозия берегов – это разрушение берегов ручьев или рек. Это отличается от изменений на дне водотока, которые называются размывом. Эрозию и изменения формы берегов рек можно измерять, вставляя металлические стержни в берег и отмечая положение поверхности берега вдоль стержней в разное время. Термическая эрозия – это результат таяния и ослабления вечной мерзлоты под воздействием движущейся воды. Она может происходить как вдоль рек, так и на побережье. Быстрая миграция русел рек, наблюдаемая в реке Лена в Сибири, обусловлена термической эрозией, поскольку эти участки берегов состоят из несвязных материалов, сцементированных вечной мерзлотой. Большая часть этой эрозии происходит, когда ослабленные берега обрушаются крупными оползнями. Термическая эрозия также влияет на арктическое побережье, где волновое воздействие и температура прибрежных вод приводят к подмыву обрывов вечной мерзлоты вдоль береговой линии и их обрушению. Годовые темпы эрозии вдоль участка береговой линии моря Бофорта в среднем составляли в год с 1955 по 2002 год.
Наводнения
При чрезвычайно высоких потоках большие объемы быстро несущейся воды образуют колки, или водовороты. Колки вызывают интенсивную локальную эрозию, вырывая породу и создавая географические образования типа воронок, называемые скальными бассейнами. Примеры можно увидеть в районах, затопленных в результате существования ледникового озера Миссула, которое сформировало рифтовые ландшафты (скабланды) в бассейне реки Колумбия в восточной части штата Вашингтон.
Эрозия ветра
Эрозия ветра является важной геоморфологической силой, особенно в засушливых и полузасушливых регионах. Она также является основным источником деградации земель, испарения, опустынивания, вредных взвешенных частиц пыли и повреждения сельскохозяйственных культур – особенно после того, как её интенсивность значительно превысила естественные показатели из-за деятельности человека, такой как обезлесение, урбанизация и сельское хозяйство. Ветровая эрозия имеет два основных типа: дефляция, при которой ветер поднимает и уносит рыхлые частицы, и абразия, при которой поверхности изнашиваются под воздействием частиц, переносимых ветром. Дефляция подразделяется на три категории: (1) поверхностное ползание, при котором более крупные и тяжёлые частицы скользят или перекатываются по земле; (2) сальтация, при которой частицы поднимаются на небольшую высоту в воздух и подпрыгивают и перемещаются скачками по поверхности почвы; и (3) суспензия, при которой очень мелкие и лёгкие частицы поднимаются ветром в воздух и переносятся на большие расстояния. Сальтация является причиной большей части (50–70%) ветровой эрозии, за ней следует суспензия (30–40%), а затем поверхностное ползание (5–25%). Суглинистые почвы наиболее подвержены ветровой эрозии, поскольку частицы ила относительно легко отделяются и уносятся ветром. Ветровая эрозия особенно сильна в засушливых районах и в периоды засухи. Например, на Великих равнинах, по оценкам, потеря почвы из-за ветровой эрозии в засушливые годы может быть в 6100 раз больше, чем во влажные годы.
Массовое движение
Массовое движение – это движение вниз и наружу скал и осадков на наклонной поверхности, главным образом под действием силы тяжести. Массовое перемещение является важной частью процесса эрозии и часто представляет собой первую стадию разрушения и транспортировки выветренных материалов в горных районах. Оно перемещает материал с больших высот на меньшие, где другие эрозионные агенты, такие как ручьи и ледники, могут затем захватывать материал и перемещать его на еще более низкие высоты. Процессы массового движения происходят постоянно на всех склонах; некоторые процессы протекают очень медленно, другие – очень внезапно, часто с катастрофическими последствиями. Любое заметное движение скал или осадков вниз по склону часто в общем смысле называют оползнем. Однако оползни можно классифицировать гораздо более детально, учитывая механизмы, ответственные за движение, и скорость, с которой оно происходит. Одним из видимых топографических проявлений очень медленной формы этой активности является осыпной склон. Смывы происходят на крутых склонах, вдоль четко выраженных зон разломов, часто в материалах, таких как глина, которые, будучи освобожденными, могут довольно быстро двигаться вниз по склону. Они часто демонстрируют ложкообразное изостатическое проседание, где материал начал сползать вниз. В некоторых случаях смыв вызван водой под склоном, ослабляющей его. Во многих случаях это просто результат некачественного проектирования при строительстве дорог, где это является регулярным явлением. Поверхностное ползание – это медленное движение почвы и скальных обломков под действием силы тяжести, которое обычно незаметно, за исключением длительного наблюдения. Однако этот термин также может описывать перекатывание вытесненных частиц почвы ветром по поверхности.
Климат
Количество и интенсивность осадков является основным климатическим фактором, определяющим водную эрозию почвы. Эта взаимосвязь особенно выражена, когда сильные дожди выпадают в периоды или в местах, где поверхность почвы недостаточно защищена растительностью. Это может происходить, например, в периоды, когда сельскохозяйственная деятельность оставляет почву открытой, или в полузасушливых регионах, где растительность от природы разрежена. Ветровая эрозия требует сильных ветров, особенно во время засух, когда растительность скудна, а почва сухая (и, следовательно, более подвержена эрозии). Другие климатические факторы, такие как средняя температура и амплитуда температур, также могут влиять на эрозию, воздействуя на растительность и свойства почвы. В целом, при схожей растительности и экосистемах, можно ожидать, что в районах с большим количеством осадков (особенно высокой интенсивности), сильными ветрами или частыми штормами будет наблюдаться более интенсивная эрозия. В некоторых регионах мира (например, в Средне-Западных штатах США и в бассейне реки Амазонки) интенсивность осадков является главным определяющим фактором эрозионной способности, при этом более интенсивные дожди обычно приводят к большей водной эрозии почвы. Размер и скорость дождевых капель также играют важную роль. Более крупные и быстрые капли обладают большей кинетической энергией, и, следовательно, их удар смещает частицы почвы на большие расстояния, чем от меньших и медленных капель. В других регионах мира (например, в Западной Европе) сток и эрозия происходят в результате относительно невысокой интенсивности слоистых осадков, выпадающих на предварительно насыщенную почву. В таких условиях количество осадков, а не их интенсивность, является основным фактором, определяющим степень водной эрозии почвы.
Структура и состав почв
Состав, влажность и уплотнение почвы – все это основные факторы, определяющие способность дождя вызывать эрозию. Отложения, содержащие больше глины, как правило, более устойчивы к эрозии, чем содержащие песок или ил, поскольку глина способствует связыванию частиц почвы. Почвы с высоким содержанием органических веществ часто более устойчивы к эрозии, так как органические вещества коагулируют почвенные коллоиды и создают более прочную и стабильную почвенную структуру. Уплотнение почвы также влияет на водопроницаемость почвы и, следовательно, на количество воды, стекающей в виде поверхностного стока. Более уплотненные почвы дают больший поверхностный сток, чем менее уплотненные.
Растительный покров
Растительность является посредником между атмосферой и почвой. Она повышает водопроницаемость почвы для дождевой воды, тем самым снижая поверхностный сток. Растительность защищает почву от воздействия ветра, что приводит к уменьшению ветровой эрозии и благоприятным изменениям микроклимата. Корни растений скрепляют почву, переплетаясь друг с другом и образуя более плотную массу, менее подверженную как водной, так и ветровой эрозии. Удаление растительности ускоряет скорость поверхностной эрозии.
Топография
Топография местности определяет скорость поверхностного стока, а следовательно, и его эрозионную способность. Более протяженные и крутые склоны (особенно с недостаточным растительным покровом) гораздо более подвержены интенсивной эрозии во время сильных дождей, чем короткие и пологие склоны. Крутая местность также более склонна к грязевым потокам, оползням и другим формам эрозии, вызванной гравитацией.
Сельскохозяйственные практики
Неустойчивые методы ведения сельского хозяйства увеличивают скорость эрозии на один-два порядка по сравнению с естественной скоростью и значительно превышают скорость восполнения за счет образования почвы. Одним из основных факторов является обработка сельскохозяйственных земель, которая разбивает почву на более мелкие частицы. Проблема усугубилась в современное время из-за механизированной сельскохозяйственной техники, позволяющей проводить глубокую вспашку, что значительно увеличивает количество почвы, доступной для переноса водной эрозией. К другим факторам относятся монокультура, земледелие на крутых склонах, использование пестицидов и химических удобрений (уничтожающих организмы, связывающие почву), рядовой посев и использование поверхностного орошения. Сложная общая ситуация с определением потерь питательных веществ из почв может возникнуть из-за селективного характера процессов эрозии. Например, потеря общего количества фосфора в более мелкой эродированной фракции выше по сравнению с потерей из всей почвы. Экстраполируя эти данные для прогнозирования дальнейшего поведения в принимающих водных экосистемах, следует учитывать, что этот более легко переносимый материал может поддерживать более низкую концентрацию растворенного фосфора по сравнению с более крупными фракциями. Обработка почвы также увеличивает скорость ветровой эрозии, обезвоживая почву и разбивая ее на мелкие частицы, которые могут подниматься ветром. Усугубляет ситуацию то, что большинство деревьев обычно удаляют с сельскохозяйственных полей, позволяя ветрам беспрепятственно разгоняться до высоких скоростей. Интенсивный выпас скота уменьшает растительный покров и вызывает сильное уплотнение почвы, что также увеличивает скорость эрозии.
Вырубка лесов
В нетронутом лесу минеральная почва защищена слоем лесной подстилки и гумусом, покрывающими лесную подстилку. Эти два слоя формируют защитный покров над почвой, который смягчает удар капель дождя. Они пористые и обладают высокой водопроницаемостью, позволяя дождевой воде медленно просачиваться в почву, а не стекать по поверхности в виде стока. Корни деревьев и растений связывают частицы почвы, предотвращая их вымывание. Обезлесение приводит к увеличению скорости эрозии из-за обнажения минеральной почвы в результате удаления слоев гумуса и лесной подстилки с поверхности почвы, уничтожения растительного покрова, скрепляющего почву, и сильного уплотнения почвы лесозаготовительной техникой. После удаления деревьев пожаром или вырубкой, скорость инфильтрации становится высокой, а эрозия – низкой, если лесная подстилка остается неповрежденной. Сильные пожары могут привести к дальнейшей значительной эрозии, особенно при последующих обильных осадках. В глобальном масштабе одним из основных факторов эрозионных потерь почвы в 2006 году являлось подсечно-вырубочное земледелие в тропических лесах. В ряде регионов мира целые сектора стран стали непродуктивными. Например, на высоком центральном плато Мадагаскара, занимающем около десяти процентов территории страны, практически весь ландшафт лишен растительности, с глубокими и широкими оврагами. Подсечно-вырубочное земледелие – это система земледелия, которая в некоторых регионах мира иногда включает в себя метод подсечки и выжигания. Это приводит к деградации почвы и снижению ее плодородия.
Дороги и влияние человека
Влияние человека оказывает значительное воздействие на процессы эрозии – прежде всего, путем лишения земли растительного покрова, изменения рельефа стока и уплотнения почвы в процессе строительства; а затем – путем покрытия земли непроницаемым слоем асфальта или бетона, что увеличивает объем поверхностного стока и повышает скорость ветра на поверхности. Большая часть осадочных пород, выносимых стоком из городских территорий (особенно дорог), сильно загрязнена топливом, маслом и другими химическими веществами. Этот увеличенный сток, помимо эрозии и деградации земель, по которым он протекает, также серьезно нарушает функционирование окружающих водосборных бассейнов, изменяя объем и скорость потока воды в них и заполняя их химически загрязненными отложениями. Увеличение потока воды в местных водных путях также приводит к значительному увеличению скорости размыва берегов.
Изменение климата
Ожидается, что повышение температуры атмосферы, наблюдаемое в последние десятилетия, приведет к более интенсивному гидрологическому циклу, включая более экстремальные осадки. Повышение уровня моря, вызванное изменением климата, также значительно увеличило темпы береговой эрозии. Исследования эрозии почв показывают, что увеличение количества и интенсивности осадков приведет к увеличению темпов эрозии почв. Таким образом, если количество и интенсивность осадков во многих частях мира увеличится, как ожидается, эрозия также усилится, если не будут приняты меры по улучшению ситуации. Ожидается, что темпы эрозии почв изменятся в ответ на изменения климата по ряду причин. Наиболее прямой причиной является изменение эрозионной силы осадков. Другие причины включают: а) изменения в растительном покрове, вызванные сдвигами в производстве биомассы растений, связанными с водным режимом; б) изменения в подстилочном покрове, вызванные изменениями как в скорости разложения растительных остатков, обусловленной температурой и влажностью, влияющей на активность почвенных микроорганизмов, так и в скорости производства биомассы растений; в) изменения во влажности почвы из-за сдвига режимов осадков и испаропотока, что изменяет соотношение инфильтрации и стока; г) изменения в подверженности почвы эрозии из-за снижения концентрации органического вещества в почве, что приводит к структуре почвы, более восприимчивой к эрозии, и увеличению стока из-за уплотнения и образования корки на поверхности почвы; д) сдвиг зимних осадков от неэрозионного снега к эрозионным дождям из-за повышения зимних температур; е) таяние вечной мерзлоты, которое приводит к образованию подверженной эрозии почвы из ранее не подверженной; и ж) изменения в землепользовании, необходимые для адаптации к новым климатическим условиям. Исследования, проведенные Пруски и Нирингом, показали, что при прочих равных условиях, включая не учитываемое землепользование, разумно ожидать примерно 1,7% изменения эрозии почвы на каждый 1% изменения общего количества осадков в условиях изменения климата. В недавних исследованиях прогнозируется увеличение эрозионной силы осадков на 17% в Соединенных Штатах, на 18% в Европе и на 30–66% в глобальном масштабе.
Глобальные экологические последствия
Ввиду серьезности экологических последствий и масштабов распространения, эрозия представляет собой одну из наиболее значительных глобальных экологических проблем, стоящих перед нами сегодня.
Деградация земель
Водная и ветровая эрозия в настоящее время являются двумя основными причинами деградации земель; вместе они ответственны за 84% деградированных площадей. Примерно 40% сельскохозяйственных земель мира серьезно деградированы. По данным Организации Объединенных Наций, ежегодно теряется площадь плодородной почвы, сопоставимая с территорией Украины, из-за засухи, вырубки лесов и изменения климата. Если текущие тенденции деградации почв в Африке сохранятся, к 2025 году континент сможет обеспечить продовольствием лишь 25% своего населения, согласно Институту природных ресурсов в Африке при Университете ООН, базирующемуся в Гане. Недавние разработки в области моделирования позволили количественно оценить эрозионную способность осадков в глобальном масштабе, используя высокое временное разрешение (<30 мин) и высокоточные данные об осадках. Результатом стала масштабная глобальная коллекция данных, созданная в рамках Глобальной базы данных эрозионной способности осадков (GloREDa), включающая данные об эрозионной способности осадков для 3625 станций и охватывающая 63 страны. Эта первая в мире Глобальная база данных эрозионной способности осадков была использована для разработки глобальной карты эрозионной способности с разрешением 30 угловых секунд (~1 км) на основе сложного геостатистического анализа. Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Communications, ежегодно из-за водной эрозии теряется почти 36 миллиардов тонн почвы, а вырубка лесов и другие изменения в землепользовании усугубляют эту проблему. В исследовании изучается динамика глобальной эрозии почв с использованием пространственно распределенного моделирования с высоким разрешением (размер ячейки около 250 × 250 м). Геостатистический подход впервые позволяет всесторонне включить в глобальную модель эрозии почв данные об использовании земель и изменениях в землепользовании, масштабах, типах, пространственном распределении глобальных пахотных земель и влиянии различных региональных систем земледелия. Потеря плодородия почвы из-за эрозии особенно проблематична, поскольку часто в ответ на это применяют химические удобрения, что приводит к дальнейшему загрязнению воды и почвы, вместо того чтобы дать земле возможность восстановиться.
Осадочность водных экосистем
Эрозия почв (особенно вызванная сельскохозяйственной деятельностью) считается основной глобальной причиной рассеянного загрязнения воды, из-за последствий избыточного поступления взвешенных веществ в мировые водоемы. Сами взвешенные вещества выступают в качестве загрязнителей, а также служат переносчиками других загрязняющих веществ, таких как адсорбированные молекулы пестицидов или тяжелые металлы. Воздействие повышенного содержания взвешенных веществ на водные экосистемы может быть катастрофическим. Ил может заносить икры рыб, заполняя пространство между галькой на дне водоема. Это также сокращает их кормовую базу и вызывает серьезные проблемы с дыханием, поскольку взвешенные вещества попадают в жабры. Биоразнообразие водных растений и водорослей снижается, и беспозвоночные также не могут выживать и размножаться. Хотя само событие заиливания может быть относительно кратковременным, экологические нарушения, вызванные массовой гибелью, часто сохраняются на долгое время. Одной из наиболее серьезных и продолжительных проблем, связанных с водной эрозией во всем мире, является ситуация в Китайской Народной Республике, в среднем течении Желтой реки и верхнем течении реки Янцзы. Из Желтой реки ежегодно в океан поступает более 1,6 миллиарда тонн взвешенных веществ. Эти взвешенные вещества образуются главным образом в результате водной эрозии на Лёссовом плато в северо-западной части страны.
Загрязнение воздухом
Частицы почвы, поднимаемые ветровой эрозией, являются основным источником загрязнения воздуха в виде взвешенных частиц – "пыли". Эти частицы почвы, переносимые с воздухом, часто содержат токсичные химические вещества, такие как пестициды или нефтепродукты, что создает экологическую и угрозу для здоровья населения при их последующем оседании, вдыхании или проглатывании. Пыль, образующаяся в результате эрозии, подавляет осадки и изменяет цвет неба с синего на белый, что приводит к увеличению количества красных закатов. Пылевые бури связаны с ухудшением состояния коралловых рифов в Карибском бассейне и во Флориде, особенно начиная с 1970-х годов. Аналогичные пылевые шлейфы формируются в пустыне Гоби, которые, смешиваясь с загрязняющими веществами, распространяются на большие расстояния по направлению ветра, или на восток, в Северную Америку.