Современная эрозия и сток взвешенных наносов на степном юго-востоке Русской равнины (бассейн р. Самара)

Полный текст

В последние десятилетия на Русской равнине фиксируются выраженные направленные изменения климата [4, 20, 23, 30, 37], повлиявшие, в том числе, на меж- и внутригодовое распределение стока воды (Q) рек. C начала 1980-х годов на большей части равнины отмечалось общее увеличение речного стока, внутригодовое перераспределение которого проявилось в деградации половодья как фазы водного режима, обусловленной повышением зимних температур воздуха и увеличением количества и продолжительности оттепелей. Это привело к сокращению предвесенних запасов воды в снежном покрове, уменьшению максимальных расходов воды половодья [29]. Отмеченные гидрометеорологические изменения, вне всякого сомнения, сказались на современных темпах эрозии, объемах транспорта (сток наносов) и аккумуляции ее продуктов во всех звеньях флювиальной сети данного региона Европы. Влияние вышеуказанных изменений на эрозионные процессы было дополнено изменениями в землепользовании (сокращение площади пашни, особенно ощутимое в период 1991–2005 гг., смена севооборотов). Они наиболее сильно затронули юг лесной зоны равнины [32]. В степной зоне площадь сокращения обрабатываемых земель была меньшей. Согласно расчетам по моделям эрозии [32], общие объемы смытых почв в степи сократились, в среднем, на 14%. К сожалению, полевые исследования, которые подтвердили бы модельные выводы, в юго-восточном секторе степной зоны в последние десятилетия не проводились. Также не осуществлялись в это время и проводимые ранее на регулярной основе почвенно-эрозионные съемки.

Цель работы – оценка современного (с 1940-х годов) тренда общей интенсивности эрозионных процессов в степной зоне юго-востока Русской равнины на примере бассейна р. Самара (в границах Оренбургской области) по результатам изучения многолетней изменчивости стока взвешенных наносов (Wвзв.) как объективного показателя активности этих процессов [17], дополненного полевыми исследованиями в типичном малом распаханном водосборе.

Физико-географическая характеристика бассейна р. Самара. Река Самара – левый приток р. Волга, впадающий в нее южнее г. Самара. Общая площадь бассейна реки – 46 500 км2, в Оренбургской области (выше с. Елшанка) – 22 800 км2 (49% от общей площади бассейна).

Рельеф и геологическое строение. Средняя абсолютная высота бассейна (здесь и далее – выше с. Елшанка), расположенного в пределах возвышенности Общий Сырт, – 181 м. Наивысшая высота бассейна – гора Медвежий Лоб, 405 м над ур.м. (междуречье р. Самара и р. Большой Уран). В геологическом отношении бассейн слагается с поверхности в северной (правобережной) своей части терригенно-морскими отложениями пермской системы, в западной и южной частях (левобережье) – преимущественно терригенными отложениями триаса и юры. В долинах рек и по низким приречным водоразделам на поверхность выходят отложения неогеновой и четвертичной систем [8].

Таблица 1. Изменения средней многолетней температуры почвы (°С) на разной глубине весной 1963/1977–2011/2013 гг. на метеорологических станциях в г. Бугуруслан и г. Оренбург (Оренбургская область)

Примечание. В скобках – доля лет (в % от имеющихся данных) в периоде с отрицательной среднедекадной температурой почвы на данной глубине.

Климат бассейна реки – умеренно-континентальный с жарким летом с суховеями и холодной зимой с устойчивым снежным покровом. По данным метеорологической станции в г. Сорочинск (запад Оренбургской области), среднегодовая (за 1946–2015 гг.) температура воздуха составила 4.7 ± 0.3 °C1 (1946–1986 гг. – 4.2 ± 0.3 °С, 1987–2015 гг. – 5.3 ± 0.4 °С). С 1940-х годов наблюдался рост среднемесячной температуры апреля – месяца наиболее активного снеготаяния в регионе: 1946–1986 гг. – 6.0 ± 0.9 °С, 1987–2015 гг. – 6.8 ± 0.9 °С. Среднегодовое количество осадков за 1960–2015 гг. (г. Сорочинск) составило 373 ± 19 мм. Наибольшее количество осадков в бассейне приходится на верховье р. Самара (более 450 мм), наименьшее (менее 300 мм) – на юго-западный сектор бассейна. За апрель–октябрь выпадало 251 ± 16 мм (67%), за ноябрь–март – 122 ± 9 мм (33%). С 1960-х годов также отмечен общий рост количества осадков в теплый период года: 1960–1986 гг. – 231 ± 17 мм/год, 1987–2015 гг. – 268 ± 24 мм/год (разница средних величин между периодами ∆ = +16%) (рис. 1). Период с ноября по март характеризовался такими же соразмерными темпами роста количества осадков: 1960–1986 гг. – 114 ± 14 мм/год, 1987–2015 гг. – 133± 12 мм/год (Δ = +17%). В последние 60 лет в регионе отмечается тенденция как увеличения в конце марта и в начале апреля запасов воды в снежном покрове (по данным метеостанции в г. Сорочинск), так и их слабого сокращения (по метеостанции в г. Бугуруслан) (рис. 2) на фоне общего роста температуры (уменьшения промерзания) почв в это время года (табл. 1).

Рис. 1. Изменения количества дождевых событий (N, ед.) с разным слоем выпадения с апреля по октябрь на метеорологической станции в г. Сорочинск (Оренбургская область) за 1966–2015 гг.

1 – линейный тренд с коэффициентом его аппроксимации (R2).

Примечание. Осадков со слоем выпадения ≥ 51 мм не наблюдалось.

Рис. 2. Многолетняя изменчивость запасов воды в снежном покрове (H, мм) на метеорологических станциях в г. Сорочинск и г. Бугуруслан (Оренбургская область) в марте и начале апреля 1966–2015/2016 гг.

∆ – относительное изменение усредненного показателя Н между периодами; r – коэффициент линейной корреляции.

Примечание. Нулевые значения по ряду лет в марте связаны, как правило, с отсутствием данных в эти годы.

Речной сток. Крупнейшими реками бассейна являются: правобережные притоки Самары – Ток, Малый и Большой Ураны, Боровка, а также ее и ее левобережный приток – р. Бузулук. Средний многолетний модуль Q в бассейне реки (выше с. Елшанка) за 1940–2012 гг. – 2.12 л/с/км2, средний многолетний модуль Wвзв. за 1940–1990 гг. и 2008–2012 гг. – 14.1 т/км2/год.

Ландшафты. Бассейн расположен на востоке степной зоны (подзона южной степи) Русской равнины. Коренной растительный покров состоит здесь преимущественно из типчаково-ковыльных и разнотравно-ковыльных степных формаций. Почвенный покров представлен черноземами обыкновенными и южными глинистыми и тяжелосуглинистыми (на западе бассейна р. Бузулук и в бассейне верховья р. Самара – легко- и среднесуглинистыми) на позднечетвертичных делювиальных суглинках в разной степени эродированных и дефлированных [8]. По долинам рек развиты аллювиальные почвы. Распаханность почв в бассейне реки почти всюду высокая. На 1985 г., по нашим оценкам, доля пашни по бассейну р. Самара выше хут. Кленовый (F = 2874 км2) оценивалась 58.4% (по бассейну левобережной р. Бузулук – около 65% [14]), а в 2015 г. она сократилась до 50.3%2. По данным Федеральной службы государственной статистики (https://fedstat.ru), усредненная по периодам структура посевов по Оренбургской области имела следующую динамику: зерновые культуры – 77% (1950–1956 гг.), 74% (1970–1987 гг.), 70% (1996–2016 гг.); кормовые – 17, 23 и 19% соответственно, технические – 4, 2 и 10% соответственно, овощные – 2, 1 и 1% соответственно.

Методы исследования. Для выявления современных направленных изменений интенсивности эрозии в бассейне р. Самара проанализированы доступные многолетние ряды наблюдений за Q и Wвзв. этой реки и некоторых ее притоков в период с 1940 по 2012 гг., материалы по которым получены из гидрологических выпусков [14, 24, 25], а также фондов ФГБУ “Всероссийского НИИ гидрометеорологической информации–Мировой центр данных” (ФГБУ “ВНИИГМИ–МЦД”): р. Самара (с. Елшанка, F = 22800 км2): Q – за 1940–2012 гг., Wвзв. – за 1940–1990 гг. и 2008–2012 гг.; р. Ток (д. Ероховка, F = 5440 км2): Q и Wвзв. – за 1964–1975 гг. и 2008–2012 гг.; р. Бузуклук (д. Перевозниково, F = 4280 км2): Q – за 1951–2013 гг., Wвзв. – за 1965–1975 гг. и 2008–2012 гг.; р. Большой Уран (с. Ивановка, F = 2110 км2): Q – за 1933–1953 гг. и 2008–2012 гг., Wвзв. – за 1933–1937 гг. и 2008–2012 гг. (рис. 3). Материалы ФГБУ “ВНИИГМИ–МЦД” послужили также основой для анализа распределения числа дождевых событий со слоями выпадения ≤ 10, 11–20, 21–30, 31–40, 41–50 и ≥ 51 мм за период 1966–2015 гг., запасов воды в снеге за период 1966–2015 гг. по метеорологическим станциям в г. Сорочинск и г. Бугуруслан (Оренбургская область), изменений весенней температуры почвы в 1963–2013 гг. по данным станций в г. Оренбург и г. Бугуруслан.

Рис. 3. Изученный малый водосбор (верхний космический снимок, GeoEye) и его географическое положение (показано четырехконечной белой звездочкой) и ближайшие окрестности в бассейне р. Самара (нижний космический снимок высокого разрешения со спутника WorldView-2; дата съемки: 15.09.2010 г.).

а – линия водораздела водосбора относительно створа в балке (разрез IV), б – тальвеги западной и восточной лощин, в – грейдерная дорога, г – почвенные разрезы в днище балки (разрезы III и IV) и ее правобережного “притока” – восточной лощины (разрезы I и II); O – донный овраг.

Населенные пункты Оренбургской области: 1 – г. Бузулук, 2 – г. Сорочинск, 3 – с. Елшанка, 4 – хут. Кленовый, 5 – пгт. Новосергиевка, 6 – д. Перевозниково, 7 – д. Байгоровка, 8 – д. Ероховка, 9 – с. Ивановка, О – г. Оренбург; прочие объекты: ББ – Бузулукский бор.

Примечание. На фотографии – вид балки выше по течению от почвенного разреза III (фото А.В. Гусарова).

Анализ современных разновременных толщ наносов днищ малых отрицательных, в настоящее время относительно стабильных, линейных форм рельефа (нераспахиваемые части ложбин, лощин, балок и т.д.), позволяет выявить общую направленную изменчивость темпов эрозии в пределах их водосборов [10, 12]. Одним из широко применяемых методов оценки современных темпов накопления сносимых со склонов продуктов почвенно-овражной эрозии является использование в качестве хрономаркера радиоактивного цезия-137 (137Cs) [9, 10, 13, 31, 33, 36, 39, 41 и др.]. Этот изотоп появился в окружающей среде с начала массового выпадения (с 1954 г.) при испытаниях ядерного оружия в открытой атмосфере. Выделяют, прежде всего, 137Cs “бомбового” происхождения, который выпадал преимущественно в северном полушарии планеты [38], с максимальным выпадением в 1963 г. (пиковый период – 1962–1964 гг.). Второй (меньший) пик глобальных выпадений пришелся на 1959 г. (на Русской равнине – 1958/1959 гг.). Оба пика предшествуют пику 137Cs чернобыльского (1986 г.) происхождения с ареалом выпадения преимущественно в Восточной, Центральной и Северной Европе [2]. Пики с относительно высокой точностью (±1–3 см) фиксируют высотное положение поверхности почвы (наносов) на момент выпадения 137Cs в эти годы. При условии сохранности в наносах маркирующих 137Cs-пиков появляется возможность датировки темпов седиментации (и эрозии) за три периода – 1958/1959)–1963 гг., 1963/1964–1986 гг. и с 1986/1987 гг. и до момента отбора проб.

Исследованный малый водосбор (с площадью 1.92 км2) расположен в бассейне р. Большая Погромка (левый приток р. Самара, междуречье р. Самара и р. Бузулук) в 3.5 км к северо-западу от центра п. Суворовский (Тоцкий район Оренбургской области) (см. рис. 3). Средняя высота водосбора – ок. 177 м над ур.м. (близка к средней высоте бассейна р. Самара выше с. Елшанка), амплитуда высот водосбора – около 45 м. Средний угол наклона его поверхности – около 2°. Исследованный водосбор является репрезентативным в бассейне р. Самара по ряду морфометрических характеристик рельефа, таких как средняя высота и средние уклоны. С юга на север, в направлении к балке, протягиваются две крупные лощины протяженностью 1890 м (западная, продолжение основной долины) и 1310 м (восточная, лощина-“приток”) (см. рис. 3). Структура землепользования на водосборе следующая: пашня (в 2016 г. – технические культуры – подсолнечник и др.) – 1.59 км2 (82.7%), естественные остепненные луга, используемые под пастбища и сенокос, – 0.3 км2 (15.6%), противоэрозионная и ветрозащитная посадка из клена ясенелистного – 0.028 км2 (1.5%), пруд для водопоя скота к северу от низовья западной лощины – 0.00362 км2 (0.2%).

В ходе полевых работ в августе 2016 г. была проведена съемка балки водосбора электронным тахеометром. По ее результатам выбраны места заложения четырех почвенных (стратоземы) разрезов, каждый из которых характеризует участок транспорта смытых с вышележащей пашни наносов по различным частям верхних звеньев флювиальной сети (см. рис. 3)3. В разрезах послойно (верхние горизонты – через 2–3 см, нижние горизонты – через 5 см), с фиксированной площади 15×15 см отбирались образцы почвы (наносов).

В НИЛ эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева Географического факультета МГУ (исполнитель – М.М. Иванов) в образцах измеряли удельную концентрацию 137Cs на коаксиальном германиевом гамма-спектрометре с погрешностью 5–10%. В НИЛ “Экологические инновации” кафедры прикладной экологии Института экологии и природопользования ФГАОУ ВО “Казанский (Приволжский) федеральный университет” (исполнитель – И.Б. Выборнова) проводен гранулометрический анализ образцов (размерность – менее 2 мм – 2000 µm) на анализаторе Microtrac Bluewave S3500 с технологией трех лазеров.

Результаты. 1. Анализ многолетней изменчивости Q и Wвзв. р. Самара позволяет выделить с 1940 г. как минимум три периода активности эрозионных процессов в ее бассейне – 1940–1967 гг., 1968–1984 гг. и 1985–2012 гг., различающиеся средними величинами этих гидрологических составляющих (рис. 4). Несмотря на возросший с середины 1980-х годов Q реки, нисходящий тренд Wвзв. с 1940-х годов сохранялся устойчивым и даже усилился с начала 1990-х годов: средние многолетние модули Wвзв. в 1985–2012 гг. были вдвое меньшими, чем в период 1940–1967 гг. (см. рис. 4). Отмечалось также общее уменьшение межгодовой неравномерности (коэффициента вариации Cv) обоих стоков: 1940–1967 гг.: Q – 0.44, Wвзв. – 0.64; 1968–1984 гг.: Q – 0.29, Wвзв. – 0.54; 1985–2012 гг.: Q – 0.30, Wвзв. – нет надежных данных. Тренд сокращения Wвзв. р. Самара прослеживался, с той или иной степенью выраженности, и по ее главным притокам: р. Бузулук (д. Перевозниково, F = 4280 км2): Q за 1951–1975 гг. – 1.22 л/с/км2, за 2008–2012 гг. – 1.73 л/с/км2 (увеличение в 1.4 раза), Wвзв. за 1965–1975 гг. – 25.3 т/км2/год, за 2008–2012 гг. – 8.1 т/км2/год (уменьшение в 3.1 раза); р. Ток (д. Ероховка, F = 5440 км2): Q за 1964–1975 гг. – 2.29 л/с/км2, за 2008–2012 гг. – 2.46 л/с/км2 (увеличение в 1.1 раз), Wвзв. за 1964–1975 гг. – 31.3 т/км2/год, за 2008–2012 гг. – 6.5 т/км2/год (уменьшение в 4.8 раза); р. Большой Уран (с. Ивановка, F = 2110 км2): Q за 1933–1937 гг. – 1.04 л/с/км2 (за 1933–1953 гг. – 2.22 л/с/км2), за 2008–2012 гг. – 2.30 л/с/км2 (увеличение в 2.2 (1.04) раза), Wвзв. за 1933–1937 гг. – 16 т/км2/год, за 2008–2012 гг. – 6.9 т/км2/год (уменьшение в 2.3 раза).

Рис. 4. Многолетняя изменчивость стока воды (М(Q), л/с/км2) и стока взвешенных наносов (М(Wвзв.), т/км2/год) р. Самара/Елшанка (см. рис. 3) в период 1940–2012 гг.

М(Q)ср и М(Wвзв.)ср – усредненные за периоды модули стока воды и стока взвешенных наносов соответственно; 1943, 1945 … – годы наблюдений; 1 – М(Q), 2 – полиномиальный тренд шестой степени ряда М(Q), 3 – М(Wвзв.); R2 – коэффициент аппроксимации степенного тренда (4).

Примечание. Данные по величинам М(Wвзв.) за период 1991–2007 гг. отсутствуют.

Таким образом, полученные результаты показывают уменьшение массы взвешенных наносов в 2008–2012 гг. по сравнению с 1960–1970-ми годами (для р. Большой Уран – 1930-ми годами), как минимум, в 2.3–4.8 раза.

2. Анализ вертикального распределения изотопа 137Cs в почвенных (стратоземы) разрезах днища балки малого водосбора, в сочетании с глубинными изменениями гранулометрического состава и полевым описанием отложений, позволяет интерпретировать изменения темпов эрозионных и аккумулятивных процессов на водосборе. Так, во всех почвенных разрезах толща наносов, которая накопилась в период 1959–1986 гг. (нижняя толща), превосходит по мощности вышележащую толщу наносов, отложившуюся в 1986–2016 гг. (верхняя толща). По всем разрезам пик 137Cs чернобыльского происхождения захоронен отложившимися с 1986 г. наносами на сравнительно близкую глубину, а именно: разрез I – 0.18–0.20 м (средняя скорость аккумуляции – 0.63 см/год), разрез II – 0.18–0.21 м (0.68 см/год), разрез III – 0.14–0.17 м (0.55 см/год), разрез IV – 0.14–0.16 м (0.52 см/год). Выделение данного пика 137Cs позволяет расчленить всю вскрытую толщу стратоземов, как минимум, на две разновременные пачки, сформированные до и после 1986 г. соответственно. В толще наносов разреза IV надежно (концентрация цезия – свыше 27 Бк/кг) выделяется также пик 1963 г. (на глубине 0.47–0.50 м) (рис. 5). В остальных разрезах пик 137Cs глобального происхождения выделяется с меньшей достоверностью (содержание изотопа 10–15 Бк/кг), что обусловлено, вероятно, его частичным размывом более концентрированными в пределах данных эрозионных форм потоками талых и дождевых вод после выпадения цезия-137 на поверхность стратозема.

Рис. 5. Вертикальное распределение гранулометрического состава (G) и концентрации 137Cs в почвенных разрезах I и IV днища балки изученного малого водосбора (см. рис. 3).

h – глубина (hmax – максимальная) отбора образцов (см); скорости аккумуляции за периоды: r1 – 1959–1963 гг., r2 – 1963–1986 гг., r3 – 1986–2016 гг.

Гранулометрический состав: глина: 1 – мелкозернистая (0.2–1 µm), 2 – крупнозернистая (1–5 µm); алеврит: 3 – мелкозернистый (5–10 µm), 4 – крупнозернистый (10–50 µm); песок: 5 – тонкозернистый (50–100 µm), 6 – мелкозернистый (100–250 µm), 7 – среднезернистый (250–500 µm), 8 – крупно- и грубозернистый (500–2000 µm); 9 – карбонаты (а – щебень в разной степени окатанный, б – формы новообразований почвы).

В разрезе I4 стратозема обособлены три разнопериодные пачки наносов, различающиеся по соотношению в них глинистой, алевритовой и песчаной фракций (см. рис. 5). Похожая тенденция значительного уменьшения за последние 35 лет содержания физической глины и ила в гранулометрическом составе эродированных черноземов типичных отмечается [6, 27] в соседней Республике Башкортостан. Выделенная, согласно изменению гранулометрического состава отложений по глубине в почвенном разрезе I по времени накопления, периодизация соответствует динамике изменения Wвзв. в бассейне р. Самара, где четко обособляются, в целом, те же три периода и с общей тенденцией сокращения вклада бассейновой составляющей в Wвзв. (см. рис. 4). Соответственно, расчленение толщи наносов в разрезе I позволяет предположить наличие существенного сокращения скорости смыва (тонкозернистых продуктов почвенной эрозии) на пашне почти в 6.7 раза между 1959–1963 гг. и 1986–2016 гг., а между периодами 1963–1986 гг. и 1986–2016 гг. – в 2.3 раза.

Формирование наносов, вскрытых разрезом IV, было сложнее, чем наносов разреза I. Это отразилось в более сложной периодизации накопления наносов с различным соотношением тонких и грубых гранулометрических фракций, вплоть до наличия прослоев из разноокатанного щебня (см. рис. 5). Объясняется это расположением разреза в днище сравнительно глубже врезанной балки, где по ее бортам нередки выходы дочетвертичных пород (в том числе мергеля), а также большей площадью водосбора, расположенного выше по течению разреза IV, что предполагает формирование более значительного поверхностного стока, его более сложную динамику. Тем не менее, здесь также устанавливается сокращение темпов аккумуляции в 9.2 раза между 1959–1963 и 1986–2016 гг., а между периодами 1963–1986 и 1986–2016 гг. – в 2.8 раза, и это характеризует современную динамику эрозионно-аккумулятивных процессов уже на всем водосборе.

Таким образом, полученные результаты показывают уменьшение интенсивности смыва и размыва почв в границах изученного водосбора в последние 30 лет по сравнению с предшествующим периодом: если за 1959–1986 гг. темпы аккумуляции смытого почвенного материала в днище долины составляли минимум 1.9–2.0 см/год (1959–1963 гг. – 4.2–4.8 см/год), то за 1986–2016 гг. – лишь 0.52–0.68 см/год, т.е. сократились между периодами, как минимум, в 3.0–3.6 (6.2–9.2) раза.

Обсуждение. Как и на большей части Русской равнины [29], в бассейне р. Самара отмечается общая деградация половодья: средняя доля половодного стока с 1940–1967 по 1985–2010 гг. сократилась с 64 до 50% годовой его величины (табл. 2), снижаясь в отдельные годы последнего периода часто даже ниже 40%. Деградация половодья выразилась в значительном сокращении наибольших (наиболее эрозионно-опасных) расходов воды в эту фазу: между 1940–1967 и 1985–2010 гг. они уменьшились в реке почти вдвое (см. табл. 2). Более чем на 20% между указанными периодами уменьшился суммарный слой стока воды в половодье в целом по бассейну р. Самара, на 36% уменьшилась интенсивность половодного стока, в том числе в связи с увеличением продолжительности половодья почти на одну неделю. Снижение стока в весеннее половодье сопровождалось его увеличением во внеполоводное время года. Это произошло, в том числе, за счет роста объемов паводкового стока (в 2.6 раза) и его суммарной продолжительности (в 2 раза) (см. табл. 2). Весьма значительно (на 90%) увеличились расходы воды в зимнюю межень по причине более частых оттепелей в последние десятилетия [29].

Многолетняя изменчивость температуры и глубины промерзания почв оказывали наибольшее влияние на развитие эрозии в период весеннего снеготаяния в бассейне реки, поскольку при некотором (лимитирующем) значении одного из факторов (глубина промерзания, температура воздуха и запасы воды в снеге) сток не формируется вне зависимости от значения иных факторов [3]. М.А. Комиссаров и И.М. Габбасова [21] показали, что в годы, когда глубина промерзания чернозема выщелоченного на пахотных склонах Южного Предуралья находилась в пределах 30–38 см, поверхностный сток отсутствовал независимо от снегозапасов, уровня увлажнения почвы и ее защищенности растительностью. Отметим, что изменчивые в пространстве и времени осенние влагозапасы в почво-грунтах, которые находятся в тесной связи с глубиной промерзания последних, являются, с одной стороны, источником дополнительного количества воды весной и, с другой стороны, оказывают влияние на цементацию почвы зимой, увеличивая период ее весеннего оттаивания и, тем самым, внося существенный вклад в формирование максимального стока [7]. Мы не рассматривали отдельно временную изменчивость этого показателя применительно к бассейну р. Самара, но предполагаем, что его тенденция могла быть однонаправленной с той, что наблюдалась в соседнем Башкирском Предуралье: в период с 1961 по 2010 гг. по трем характерным метеостанциям (Аксаково, Будзяк и Чишма) осенние влагозапасы характеризовались тенденцией снижения на фоне циклической изменчивости [7].

Выраженный рост летне-осенних расходов воды р. Самара (см. табл. 2) нельзя объяснить одним лишь отмеченным ранее (см. рис. 1) ростом количества атмосферных осадков со слоем выпадения более 20 мм в теплое время года в бассейне реки. Большей своей частью этот прирост обязан как раз перераспределению талого весеннего стока в почвенный и грунтовый сток, устойчиво питающий реку в теплое время года. Лишь с августа и в осенние месяцы роль ливневых осадков в увеличении расходов воды (на примере р. Бузулук) в последние десятилетия, по нашим оценкам, могла заметно возрасти. Рост количества ливней с 1990-х годов (см. рис. 1) потенциально мог способствовать усилению почвенной и, возможно, овражной эрозии и Wвзв. в бассейне р. Самара. Однако, принимая во внимание тот факт, что почвозащитный коэффициент сельскохозяйственных культур в летнее время как минимум в 1.5–2.3 раза выше, чем весной, и почвы наиболее защищены от смыва и размыва, можно предположить, что влияние возросших после 1990 г. летних ливней было несущественным, так как не каждый из них мог приводить к смыву в связи с различным проективным покрытием растительности.

Уменьшение наибольших расходов воды в половодье (см. табл. 2) потенциально могло заметно снизить и темпы горизонтальных и вертикальных русловых деформаций рек бассейна и, следовательно, объемы Wвзв. руслового происхождения, учитывая, что песчаное строение пойм здесь предопределяет достаточно интенсивные их размывы – до 13–14 м/год [26]. Снижение весенних темпов русловых деформаций могло в последние десятилетия быть частично компенсировано летне-осенним ростом паводковых расходов воды (см. табл. 2).

Таблица 2. Характеристика стока воды (Q) р. Самара у с. Елшанка (Оренбургская область) за различные периоды

Примечание. Выделение трех периодов основано на анализе многолетнего хода среднего годового Q с помощью методов “Сhangepoint detection”, “Сhangepoints analysis”, выполненное с помощью алгоритма PELT [34]. Алгоритм основан на минимизации функции, которая позволяет выделить сегменты ряда, максимально отличающиеся друг от друга, и при этом не допускает выделения избыточного числа точек изменений. Поиск последних выполнен с помощью пакета “Сhangepoint” [35] в среде статистического анализа и программирования R [40].

Отмеченные гидроклиматические изменения происходили на фоне изменений в землепользовании и водопользовании. Так, в 1940–1967 гг. степенная связь между расходами воды и Wвзв. являлась очень тесной (R2 = 0.87) (см. рис. 4), в значительной степени указывая на функционирование эрозионной системы в целом по бассейну реки в условиях устоявшегося влияния со стороны хозяйственной деятельности на водосборе и больших модулей стока воды. Отдельные аномалии стока наносов (эрозии), такие как 1943 г. (+61.5% относительно “нормального” для периода функционирования, описываемого степенной кривой связи), 1945 г. (+87.1%), 1948 г. (–47.8%) и 1949 г. (–34.1%), были обусловлены, скорее всего, гидрометеорологическими аномалиями в эти годы. О высоких, в целом, темпах почвенно-овражной эрозии в этот период говорит и высокая доля ее продуктов в общем Wвзв.: р. Самара (с. Елшанка) – 94.7%, р. Самара (пгт. Новосергиевка) – 90.3%, р. Бузулук (д. Байгоровка) – 92.5% [16]. В 1968–1984 гг. степенная зависимость между Q и Wвзв. была уже менее тесной (R2 = 0.74). Если между периодами 1940–1967 и 1968–1984 гг. средний годовой модуль Q р. Самара сократился на 29% (интенсивность половодного стока – на 47%), то средний модуль Wвзв. – лишь на 13%, что существенно меньше ожидаемого сокращения, учитывая степенную (> 1) связь между Q и Wвзв. [15, 16]. На графике связи расходов воды и наносов этого периода (см. рис. 4) относительно кривой связи выделяются две группы точек. Первая из них характеризуется аномально высокими (относительно “нормального” для периода функционирования, описываемого степенной кривой связи) модулями стока наносов: 1972 г. (+83.5%), 1973 г. (+64.6%) и 1974 г. (+35.4%). За девятую пятилетку (1971–1975 гг.) капитальные вложения в сельское хозяйство Оренбургской области составили 1.4 млрд руб. Колхозы и совхозы получили 22 тыс. тракторов, около 11 тыс. комбайнов, много другой техники [5]. Увеличение тяжелой техники на полях – один из факторов, провоцирующих сильную почвенную эрозию через уплотнение и нарушение ее фильтрационных свойств и т.д. Более того, за 1970-е годы общие посевные площади в Оренбургской области увеличились с 5.9 до 6.3 млн га (почти на 7%), в том числе площадь зерновых — с 4.5 до 4.8 млн га (почти на 7%). Относительно низкие среднегодовые темпы эрозии (величины стока наносов р. Самара – 3.2 т/км2/год) в 1975 г. были связаны с общей засушливостью этого года (М(Q) = 0.84 л/с/км2). Вторая группа точек с аномально низкими величинами Wвзв. приурочена к концу 1970-х и первой половине 1980-х годов – 1979 г. (–21.3%), 1982 г. (–38.7%), 1983 г. (–35.4%), 1984 г. (–40.0%). В эти годы противоэрозионные мероприятия были применены почти на 2 млн га пашни в области [19]. В 1985–2012 гг.5 интенсивность половодного стока была на 36% меньшей, чем в 1940–1967 гг., и данный период отличался самым низким Wвзв.реки (см. рис. 4). Наряду с климатическими изменениями, одна из причин снижения темпов эрозии в эти годы (начиная с 1984–1985 гг.), по-видимому, связана со сменой землепользования в период перестройки в СССР и после его распада – изменениями в системе севооборотов (увеличением доли многолетних трав) в целом в бассейне реки, забрасыванием пашни, хотя темпы смыва в конце 1980-х годов были даже сопоставимы с предшествующим периодом. Другая причина – сооружение искусственных водоемов в долинах, в том числе крупнейшего в бассейне реки Сорочинского водохранилища (с 1997 г.).

Заключение. Полученные результаты отчетливо свидетельствуют о снижении интенсивности эрозии и стока взвешенных наносов в бассейне р. Самара в последние 30 лет по сравнению с 1940–1960 гг. Так, уменьшение стока взвешенных наносов рек бассейна в 2008–2012 гг. по сравнению с 1960–1970-ми годами (для р. Большой Уран – 1930-ми годами) составило, как минимум, 2.3–4.8 раза. Оно было связано, прежде всего, со снижением темпов эрозионных процессов на водосборе р. Самара, в том числе в верхних звеньях ее флювиальной сети, отражая изменения в соотношении русловой и бассейновой составляющих стока наносов [15–17]. На примере изученного малого водосбора в бассейне р. Большая Погромка, являющегося частью бассейна р. Самара, показано сокращение темпов аккумуляции эрозионных продуктов в днище его лощинно-балочной сети, как минимум, в 3.0–3.6 раза. Основной причиной существенного уменьшения темпов смыва почв в последние десятилетия выступило уменьшение стока воды со склонов в период снеготаяния, обусловленное повышением температуры воздуха и сокращением глубины промерзания почв.

Тенденция сокращения талого стока, темпов эрозии, аккумуляции ее продуктов, а также речного стока наносов прослеживается практически по всей лесостепной и степной зонам Русской равнины [1, 11, 22, 31, 32 и др.] и является, на наш взгляд, представительной для всего степного юго-востока последней.

Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект 15–17–20006), а также за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.

Благодарности. Авторы признательны д.г.н., в.н.с. Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова В.Н. Голосову и аспиранту Казанского (Приволжского) федерального университета А.М. Гафурову за помощь в проведении полевых работ в 2016–2017 гг.

Funding. The study was funded by the Russian Science Foundation, project no. 15–17–20006), and also by the subsidy allocated to Kazan Federal University as part of the state program for increasing its competitiveness among the World’s leading centers of science and education.

Acknowledgments. The authors are grateful to Dr. Sn. V.N. Golosov (Moscow State University, Russia) and PhD student A.M. Gafurov (Kazan Federal University, Russia) for their participation in fieldwork in 2016–2017.

Примечания:

1 Здесь и далее доверительные интервалы установлены с надежностью 95%.

2 В середине ХIX в. распаханность бассейна р. Самара в Оренбуржье не превышала первых процентов, но к 1887 г. она уже достигла 53%, увеличившись к 1930-м годам (67%) [18]. К середине XX в. площадь пашни вновь сократилась (до 55%) со значительными вариациями по отдельным малым бассейнам. При этом распаханность левобережной части бассейна р. Самара выше, в целом, чем его правобережной части.

3 Разрез I: максимальная глубина – 1.00 м, максимальная глубина отбора образцов – 0.73 м; разрез II: 1.05 м и 0.80 м соответственно; разрез III: 0.72 м и 0.58 м соответственно; разрез IV: 0.96 м и 0.81 м соответственно.

4 Разрез расположен в нераспаханной (залуженной) части низовий днища восточной лощины, наиболее близко к кромке пашни (см. рис. 3).

5 К сожалению, мы не располагали информацией по стоку воды и наносов с 2013 по 2016 гг. Однако, на фоне выявленного общего тренда сокращения темпов эрозии в бассейне реки на протяжении последних более чем 70 лет (с 1940 г.) эта информация вряд ли внесла бы существенные изменения в полученные в работе выводы.

Об авторах

А. В. Гусаров

Автор, ответственный за переписку.
Email: avgusarov@mail.ru
Россия, 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18

А. Г. Шарифуллин

Email: avgusarov@mail.ru
Россия, 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Изменения количества дождевых событий (N, ед.) с разным слоем выпадения с апреля по октябрь на метеорологической станции в г. Сорочинск (Оренбургская область) за 1966–2015 гг.

Скачать (302KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Многолетняя изменчивость запасов воды в снежном покрове (H, мм) на метеорологических станциях в г. Сорочинск и г. Бугуруслан (Оренбургская область) в марте и начале апреля 1966–2015/2016 гг.

Скачать (219KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Изученный малый водосбор (верхний космический снимок, GeoEye) и его географическое положение (показано четырехконечной белой звездочкой) и ближайшие окрестности в бассейне р. Самара (нижний космический снимок высокого разрешения со спутника WorldView-2; дата съемки: 15.09.2010 г.).

Скачать (260KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Многолетняя изменчивость стока воды (М(Q), л/с/км2) и стока взвешенных наносов (М(Wвзв.), т/км2/год) р. Самара/Елшанка (см. рис. 3) в период 1940–2012 гг.

Скачать (309KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Вертикальное распределение гранулометрического состава (G) и концентрации 137Cs в почвенных разрезах I и IV днища балки изученного малого водосбора (см. рис. 3).

Скачать (503KB)

Метаданные