Вплив рослинності на процеси ерозії

Рослинний покрив має досить значний та різнобічний вплив на розвиток ерозійних процесів, у цілому зменшуючи їхню інтенсивність аж до повного припинення. Ще П.А. Костичев у 1886 р. писав, що зарослий травою грунт з поверхні звичайно не розмивається навіть у тому випадку, коли утворився яр і зарослий грунт знаходиться на самому краю обриву (Костычев, 1951).

Грунтозахисний вплив рослинності виявляється за такими основними напрямками. Надземна маса рослинного покриву приймає на себе енергетичну дію падаючих крапель, охороняючи грунт від їхнього руйнівного впливу. Стебла та листя, що лежить на землі, збільшують гідравлічну шорсткість поверхні схилу, зменшуючи таким чином швидкість поверхневого стікання і, відповідно, його еродуючу та транспортувальну здатності, а також розосереджують потоки води по поверхні, збільшуючи площу контакту стікаючих вод із грунтом і забезпечуючи тим самим більш повне поглинання поверхневих вод. Нарешті, коренева система рослин, скріплюючи коренемісткий шар, збільшує здатність грунту протидіяти ерозійному руйнуванню.

Розглянемо механізм впливу рослинного покриву на розвиток ерозійних процесів більш докладно. Відомо, що кінетична енергія тіла, яке рухається, пропорційна масі тіла і квадрату швидкості його руху. Швидкість вільного падіння крапель дощу з великої висоти в умовах рівноваги сил тяжіння і лобового опору (див. розділ 3) визначається тільки їхньою масою (діаметром). Однак якщо висота падіння обмежена, наприклад, кронами дерев або рослинним покривом на сільськогосподарських угіддях, які перехоплюють краплі, то додається ще один фактор швидкості – висота падіння, оскільки для кожного діаметра крапель існує мінімальна висота, необхідна для того, щоб швидкість краплі досягла своєї сталої (максимальної) величини, яка відповідає однаковості сил, що діють на неї.

Стала швидкість падіння великих крапель (діаметром 3-5 мм) становить 8-9 м/с (див. п. 3.2). При висоті падіння 50 см (низькорослі просапні культури) з формули (3.5) випливає, що їхня швидкість досягає 3 м/с, тобто близько третини сталої швидкості. Кінетична енергія при цьому становитиме лише близько 11- 14% енергії вільнопадаючих дощових крапель того самого діаметра. При висоті падіння 2 м (високостеблові просапні культури) енергія великих крапель уже становить близько 40% енергії дощових крапель того самого розміру. Швидкості, що дорівнює 90% максимальної, великі краплі досягають при падінні з висоти 6-7 м, 95% – з висоти близько 10 м.

Таким чином, захисний вплив надземної частини рослинного покриву визначається ступенем його зімкнутості, що звичайно характеризується проективним покриттям рослинності, і висотою. Проективне покриття рослинності являє собою відношення площі вертикальної проекції надземної частини рослинного покриву в межах розглянутої площі до величини цієї площі! має вираз або в безрозмірних показниках (частках одиниці), або у відсотках.

У США (EPIC., 1990) для кількісної оцінки ролі надземної частини рослинного покриву в захисті грунтового покриву від енергетичного впливу крапель дощу використовується вираз

Відповідно до (4.25) при суцільній зімкнутості рослинного покриву (тобто при F_u = 1,0) для низькорослих культур (висотою 0,2-0,3 м) енергетичний вплив крапель дощу на грунт практично відсутній, для високостеблових (висотою 2-2,5 м) – становить 30-40% від впливу на незахищений грунт за рахунок вторинних крапель, що падають з листя.

Наземна частина рослинного покриву чинить також істотний вплив і на еродуючу та транспортувальну здатність потоків, змінюючи параметри гідравлічного опору (шорсткості) поверхні схилів. При цьому найменшою шорсткістю характеризуються просапні, у першу чергу, високостеблові культури, найбільшою – багаторічні трави (табл. 3.2-3.3).

Як випливає з табл. 3.2, коефіцієнт шорсткості Маннінга для багаторічних трав і густої природної трав'яної рослинності в середньому на порядок більше, ніж для обробленої поверхні без рослинності. Відповідно, на багаторічних травах за інших рівних умов на порядок менше швидкість стікання і на три порядки – еродуюча сила потоку (оскільки остання пропорційна кубові швидкості). Більш того, таке істотне збільшення гідравлічного опору, як правило, зумовлює зменшення швидкості поверхневого стоку до значень, які вже не призводять до розмиву грунту.

Крім цього, густа рослинність розосереджує поверхневий стік, розчленувавши його на безліч дрібних струменів і створюючи тим самим кращі умови для поглинання води в грунт. Багаторічні трави, особливо бобові, збагачують грунт азотом, а також поліпшують його фізичні властивості, у тому числі і водопроникність, що допомагає більш повному поглинанню атмосферних опадів.

У збільшенні водопроникності і в підвищенні протиерозійних властивостей грунтів особливо велику роль відіграє лісова рослинність. Це пояснюється наявністю лісової підстилки, якій притаманна висока водопроникність і водоутримуюча здатність, та здатність до поліпшення структури верхнього шару грунту. Лісовий грунт, як правило, пронизаний ходами землероїв, живими і відмерлими коренями дерев. А тому в лісі дощ практично будь-якої інтенсивності повністю поглинається грунтом, не формуючи поверхневого стоку, а отже, і змиву грунту. Однак при порушенні лісової підстилки та ущільненні грунту в результаті, наприклад, надлишкового рекреаційного навантаження, випасання худоби, при лісорозробках тощо, водопроникність лісового грунту різко зменшується.

Кореневі системи рослин скріплюють грунт, збільшуючи тим самим опір розмиву. Особливо велику роль у цьому відіграють багаторічні трави, які мають добре розвинену кореневу систему, майже половина маси якої знаходиться в межах верхнього 30-сантиметрового шару. Згідно з проведеними дослідженнями (Morgan et al., 1998), коренева система багаторічних трав у середньому удвічі збільшує механічне зчеплення глинистих і важ- косуглинкових грунтів і втроє – легкосуглинкових і супіщаних.

Вплив рослинності на розмиваючі швидкості потоку показано в табл. 4.10. Зазначимо, що у цій таблиці надані розмиваючі швидкості, розраховані без впливу крапель дощу (наприклад, під час весняного сніготанення, поливу по борознах, смугах і т.ін.). При дощах розмиваючі швидкості потоку будуть значно меншими. (Коефіцієнти переходу від значень розвиваючої швидкості потоку, наведених у табл. 4.10, до відповідних значень швидкості при зливах див. табл. 4.11).

Слід також враховувати, що протиерозійні властивості однієї і тієї самої культури залежать від стану посівів, а також від фази розвитку культури, тобто протиерозійна ефективність сільськогосподарської рослинності змінюється в просторі і часі. Найбільш низькою протиерозійною ефективністю характеризуються сільськогосподарські культури в ранніх стадіях вегетації з невеликим проективним покриттям (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Динаміка проективного покриття основних культур для умов степу України (відвальний обробіток) (Справочник., 1990)

Від основної обробки знаряддями полицевого або безполицевого типу до сівби сільськогосподарських культур поверхня грунту відкрита повністю. Від початку сівби до закриття поверхні грунту рослинністю на 50 і більше відсотків, при якому більш помітно виявляються грунтозахисні властивості рослинного покриву, потрібно для ярового вівса і ячменя 45-50 днів, кукурудзи і соняшника 60-70 днів, цукрового буряка 70-80 днів (Справочник., 1990).

Детальне урахування механізму впливу рослинного покриву на інтенсивність ерозійного процесу можливе тільки в рамках динамічного моделювання з використанням складових «фізично обгрунтованих» математичних моделей, до того ж у разі наявності даних, що забезпечують функціонування цих моделей. При оцінці ерозійної небезпеки територій на основі напівкількісних показників (балів, рангів, категорій, коефіцієнтів) або емпіричних моделей змиву грунту звичайно використовують узагальнені показники, що характеризують сумарну протиерозійну ефективність різних сільськогосподарських культур (див. розділ 6). Однак і при цьому бажано враховувати зміни протиерозійної ефективності культур протягом ерозійно-небезпечного періоду.

Питання і завдання для самоконтролю

1. Які характеристики опадів визначають їх ерозійну небезпеку?
2. Охарактеризуйте структуру та просторовий розподіл ерозійного індексу дощу (R) та гідрометеорологічного фактора зливового змиву грунту (К_ГМ^').
3. Наведіть приклади кліматичних параметрів ерозії, що виникає при таненні снігу.
4. Визначте вплив на процеси водної ерозії ухилу поверхні та довжини схилу.
5. Який вплив чинить форма схилу на процеси ерозії грунту та акумуляції наносів?
6. Як експозиція впливає на ерозійні втрати грунту зі схилів?
7. Дайте визначення поняття «протиерозійна стійкість грунту». Які властивості грунту визначають його протиерозійну стійкість?
8. Наведіть кількісні характеристики протиерозійної стійкості грунтів.
9. Охарактеризуйте протиерозійні властивості грунтів України.
10. Визначте напрямки змін протиерозійної стійкості в часі під впливом діяльності людини.
11. Охарактеризуйте роль рослинності в ерозійних процесах. Опишіть головні механізми захисту грунту від ерозії наземними та підземними частинами рослин.
12. У чому полягає грунтозахисна дія багаторічних трав та лісу?