6.2: Ерозія ґрунту та збереження

Цілі навчання

• Визначте умови, при яких грунт найбільш схильний до ерозії водою.
• Визначте умови, при яких грунт найбільш схильний до ерозії водою.
• Використовуйте рівняння RUSLE для оцінки швидкості ерозії заданого схилу пагорба.
• Порівняйте передбачувані швидкості ерозії з «терпимими» швидкостями ерозії, широко відомими як значення T.
• Назвіть та опишіть природоохоронні практики, які зменшують водну та вітрову е
• Ознайомтеся з федеральними, державними та місцевими установами, пов'язаними з охороною ґрунту та води.

Для формування одного дюйма грунту потрібно до 2000 років. За правильних умов цей дюйм ґрунту може бути розмитий вітром або водою за один шторм. Таким чином, якщо не зберегти, грунт, який розвивався протягом тисячоліть, може бути втрачений в межах одного людського покоління. Однак ґрунти можна використовувати знову і знову, використовуючи відповідні методи збереження. У цій лабораторії кілька відео будуть використані для демонстрації механіки, що лежить в основі ерозії ґрунту. Крім того, модель буде використана для оцінки впливу загальних методів збереження ґрунтів на ерозію ґрунтів.

Матеріали

• Комп'ютер з доступом до Інтернету та проектором

*Примітка*

Для цієї лабораторії вам потрібно буде принести свій підручник для лекції, а також ноутбук або планшет. Якщо у вас немає ноутбука або планшета, будь ласка, поділіться з партнером.

Рекомендоване читання

• Модуль 3 — Управління ерозії ґрунтів (Макколи та Джонс, 2005a)
• Проблеми якості ґрунту: Ерозія ґрунту (USDA NRCS, 1998)

Призначення передлабораторії

Використовуючи рекомендоване читання та введення в цю лабораторію, розглянемо питання, перераховані нижче. Ці визначення/питання нададуть стислий виклад основних концепцій, які будуть розглянуті в лабораторії. Вони також послужать основою для післялабораторної вікторини та є корисними навчальними записками до іспитів.

1. Опишіть різницю між швидкостями геологічної ерозії та швидкістю ерозії керованих ґрунтів.
2. Визначте розмір частинок ґрунту, найбільш схильний до ерозії вітром.
3. Визначте клас текстури грунту, розмір найбільш схильний до ерозії водою.
4. Визначте та опишіть три способи транспортування осаду вітром.
5. Визначте лист, риль, і яр ерозії водою.
6. Назвіть фактори, що входять до РУСЛ.
7. Визначте та опишіть три методи збереження, що використовуються для зменшення водної ерозії
8. Визначте та опишіть дві практики збереження, що використовуються для зменшення вітрової ерозії.

Вступ

У всьому світі налічується приблизно п'ять мільярдів гектарів деградованих земель, що становить приблизно 43% поверхні землі Землі. З цих п'яти мільярдів гектарів найпоширенішою причиною деградованих земель (два мільярди гектарів) є деградація ґрунту внаслідок ерозії, ущільнення, поверхневої скоринки, підкислення або накопичення солі. Більша частина цієї деградації (85%) відбувається внаслідок водної та вітрової ерозії.

Однак ерозія - це природний процес. Геологічна ерозія - це процес, який перетворює грунт в осад. Це відбувається природним шляхом без впливу будь-якої діяльності людини. Швидкість геологічної ерозії - це те, що вирізало та сформувало всі ландшафти, які ми населяємо сьогодні. Типові показники геологічної ерозії становлять приблизно 1 тонна/ак щорічно.

Прискорена ерозія виникає, коли діяльність людини збільшує темпи ерозії до значно вище темпів геологічної ерозії. Вона виникає, коли люди порушують грунт, або рослинність, що покриває грунт. Такі практики включають надмірний випас худоби, вирубку лісів, оранку схилів пагорбів або розривання землі для будівельних проектів. Прискорена ерозія може бути в 10-1000 разів такою ж руйнівною, як геологічна ерозія

Ерозія ґрунту включає два окремих процеси — ерозія ґрунту водою та ерозія ґрунту вітром. Водна ерозія починається з відшарування, оскільки краплі дощу бомбардують ґрунтові агрегати, відокремлюючи частину з них від агрегату. Ці автономні частинки грунту набагато менше, і легше транспортуються. Транспортовані частинки в кінцевому підсумку осідають в низинній зоні, завершуючи три частини процесу відшарування-транспорту-осадження. Транспортування може відбуватися через бризки від дощової краплі, або від проточної води, що несе осад під гору.

Водна ерозія починається з листової ерозії, де розбризкуваний грунт переміщається рівномірно, але деякі стовпи грунту, які були захищені галькою, можуть залишитися. Коли вода збирається в невеликі канали через нерівності ландшафту, ці канали врізаються в поверхню грунту, утворюючи риль. Свердла можна згладжувати ґрунтообробною технікою. Якщо набирається достатня кількість води, може утворитися яр, який по суті є великим буром, який настільки глибокий, що його неможливо згладити ґрунтообробним обладнанням. Міжповерхова ерозія - це ерозія листів, яка виникає між рилами. Більшість ерозії ґрунту відбувається через ерозію листів та рилів.

Вітрова ерозія найбільша в посушливих і напівпосушливих регіонах, таких як Канзас, хоча вона може в деякій мірі виникати у вологих регіонах. Подібно до водної ерозії, вітрова ерозія включає три процеси — відшарування, транспортування та осадження. Відшарування відбувається, коли важкі вітри штовхають і відскакують важкі частинки уздовж поверхні. Оскільки це відбувається, частинки мулу та глини можуть відриватися від агрегатів, а можуть перебувати в повітрі і транспортуватися на великі відстані. Осад транспортується трьома способами — засолюванням, повзучістю ґрунту та суспензією. Засолення відбувається, коли частинки грунту рухаються короткими відскоками, і відбувається з частинами середнього розміру діаметром від 0,1 до 0,5 мм. Повзування ґрунту відбувається з більшими частинками діаметром >1,0 мм і включає ці великі частинки, що котяться по поверхні. Суспензія виникає, коли частинки підвішуються в повітрі на кілька метрів до багатьох кілометрів. Суспензією транспортуються тільки найдрібніші частинки (діаметром <0,1 мм).

Діяльність 1: Відео ерозії ґрунту

Перегляньте наступні відео, розміщені на K-State Online, дайте відповідь на наступні запитання.

Відео: Вплив краплі дощу на піщану поверхню (Cheng et al., 2014)

З трьох показаних ударів краплі дощу, яка швидкість, здавалося, мала найбільший вплив, 1,0 м/с, 3,3 м/с або 5,4 м/с? (Вони показані в такому порядку на відео)

Як може швидкість падіння дощу вплинути на відшарування? Поясніть.

Як швидкість краплі дощу може вплинути на відстань, яку частинки ґрунту переміщуються через бризок? Поясніть.

Відео: Дощ Повільний Рух HD Сильний дощ Краплі Падають в повільному Mo Відео крапель, що потрапляють у воду (Каталог туристичних посилань, 2013)

Турбулентний (бурхливий) потік води більш ерозійний для частинок грунту, ніж ламінарний (плавний) потік. У цьому відео вода турбулентна? Крім того, як може змінюватися ерозивність дощової бурі залежно від того, наскільки інтенсивні опади?

Відео: Вітрова ерозія (officemmdivide, 2011)

Яка швидкість, з якою краплі дощу можуть «розбити землю»?

Якщо швидкість вітру збільшується з 20 миль/год до 30 миль/год, на скільки збільшується швидкість ерозії?

Заповніть відсотки транспортування осаду кожним з трьох видів транспорту вітром:

Таблиця 16.1. Відсотки осаду, що перевозяться кожним видом транспорту

засолювання
Підвіска
повзучість

Намалюйте схему нижче, яка показує три типи транспортування осаду вітром.

Діяльність 2: Оцінка ерозії ґрунту водою

Для того, щоб оцінити поточні темпи водної ерозії та призначити найкращі методи управління (БМП), які знижують рівень ерозії, потрібен точний метод оцінки ерозії ґрунту. Перша модель, яка була використана для оцінки ерозії, відома як універсальне рівняння втрат ґрунту (USLE). Це емпірична модель, що означає, що вона була розроблена на основі експериментів. Пізніше він був переглянутий, щоб сформувати переглянуте універсальне рівняння втрат ґрунту (RUSLE). Для обох моделей використовувалося наступне рівняння:

\[\text{A}=\text{R}\times\text{K}\times\text{LS}\times\text{C}\times\text{P} \nonumber\]

Де A - річна втрата ґрунту (тонн/змінний струм), R - ерозивність опадів, K - ерозивність ґрунту, LS - комбінований коефіцієнт довжини схилу та градієнта схилу, C - для покриття, а P - фактори контролю ерозії. Фактори R і K не можуть бути змінені через управління. Коефіцієнт LS можна змінити за допомогою терасування. Фактор С може бути змінений при управлінні рослинними залишками, наприклад, за допомогою консерваційного обробітку ґрунту або покривних культур. Коефіцієнт P може бути змінений за допомогою використання стрип-обрізки, контурного обробітку грунту або терасування.

Інформацію, необхідну для цього розрахунку, можна знайти з різних джерел. Фактор R можна знайти на картах, доступних у Службі охорони природних ресурсів (NRCS) або через службу розширення. Фактор K можна знайти в веб-огляді ґрунту. Коефіцієнт LS визначається з таблиці факторів (якщо припустити, що ви зібрали довжину схилу та градієнт нахилу з вашого поля) або з топової карти. Коефіцієнт C можна оцінити за допомогою таблиць, часто з служби розширення. Нарешті, P можна знайти з таблиць, наданих NRCS.

Ви збираєтеся оцінити швидкість ерозії для схилу на студентській навчальній фермі, розташованій в агрономії Північної ферми на північ від сімейного стадіону Білла Снайдера, в Манхеттені, штат Канзас, який знаходиться в окрузі Райлі. Коефіцієнт ерозивності (R) для округу Райлі становить 175.

Значення K ви знайдете за допомогою веб-обстеження ґрунту. За допомогою комп'ютера перейдіть до веб-обстеження ґрунту. Перейдіть до округу Райлі, штат Канзас, а потім збільште масштаб, поки поле на північ від стадіону не заповнить більшу частину екрана. Поле межує з Marlatt Ave на півночі, Denison Ave на сході, Kimball Ave на півдні та коледжу Ave на заході. Використовуючи прямокутний інструмент AOI, намалюйте прямокутник над полем з цими дорогами в якості кордонів, а потім натисніть на вкладку «Карта ґрунту». Зверніть увагу, що 3919 Смоланський муловий суглинки, від 1 до 3% схилів є найбільш помітною одиницею картографування ґрунту, що охоплює приблизно 35% поля (або приблизно 150 ac). Перейдіть на вкладку «Провідник даних ґрунту», потім перейдіть на підвкладку «Властивості та якості ґрунту». Розгорніть «Фактори ерозії ґрунту» та натисніть «K фактор, весь ґрунт». Натисніть «Переглянути рейтинг», щоб завантажити ці дані на карту. Прокрутіть униз та зверніть увагу на «Рейтинг» для символу одиниці карти 3919. Запишіть його нижче.

Далі ви визначите топографічний (ЛС) коефіцієнт. Поверніться до вкладки «Карта ґрунту». Ви збираєтеся оцінити швидкість ерозії для верхньої тераси поля вздовж коледжу Ave. Ваш інструктор покаже вам, де саме. Визначте довжину схилу за допомогою інструменту «Виміряти відстань» у верхній частині карти, яка виглядає як лінійка зеленого кольору лайма. Клацніть на вершині пагорба біля канави, потім двічі клацніть на першій терасі. Прокрутіть вниз екрана, щоб визначити довжину сегмента. Потрібен і процентний ухил. Зазвичай це вимірюється в польових умовах за допомогою клінометра. Однак сьогодні ми будемо вважати, що це ухил 2% (середина опису одиниці картографування ґрунту від 1 до 3% схилу). Використовуючи таблицю 16.2, визначте коефіцієнт LS, враховуючи довжину нахилу, яку ви виміряли в поєднанні з ухилом 2%. Зверніть увагу, що якщо ваше значення падає між двома переліченими значеннями в таблиці, рекомендується використовувати або більш високе значення для градієнта схилу та/або довжини схилу, щоб обчислити більш консервативну оцінку ерозії (тобто вищу швидкість ерозії).

Таблиця 16.2. Значення топографічного фактора (LS).

Градієнт нахилу				Довжина схилу (фути)
(%)	50	100	150	200	300	400	600
2	0,16	0,20	0,23	0,25	0,28	0,30	0,34
4	0,30	0,40	0,47	0,53	0,62	0,70	0.82
6	0,49	0,67	0.82	0,95	1.17	1.35	1.65
8	0,70	0,99	1.21	1.41	1.72	1.98	2.43
10	0,97	1.37	1.68	1.94	2.37	2.74	3.36
12	1.28	1.80	2.21	2.55	3.13	3.61	4.42
14	1.62	2.30	2.81	3.25	3.98	4.59	5.62
16	2.01	2.84	3.48	4.01	4.92	5.68	6.95
18	2.43	3.43	4.21	4.86	5.95	6.87	8.41
20	2.88	4.08	5.00	5.77	7.07	8.16	10.00

Таблиця адаптована з Jones et al. (1988) з дозволу.

Далі визначте середньорічні втрати ґрунту в тонн/акр, припускаючи, що не використовуються методи збереження, і що використовується звичайна обробка грунту (прямо вгору і вниз по пагорбу):

\[\text{A}1=\text{R}\times\text{K}\times\text{LS} \nonumber\]

\[\text{A}1= \nonumber\]

Щоб порівняти цю швидкість ерозії з «допустимою швидкістю», широко відомою як T, перейдіть на вкладку «Властивості та якості ґрунту» на вкладці «Огляд даних ґрунту» у веб-огляді ґрунту. Натисніть «T Factor», потім натисніть «Переглянути рейтинг», щоб заповнити карту. Прокрутіть униз сторінки, щоб побачити рейтинг у тонн на акр на рік.

Як швидкість ерозії при звичайному обробітку ґрунту порівнюється з допустимою швидкістю ерозії?

Фермер хоче зменшити щорічну швидкість ерозії з цього схилу, і потребує вашої допомоги, щоб порівняти вплив потенційних методів збереження. Однією з можливостей є перехід на консерваційну практику обробітку ґрунту в ротації пшениці на пшениці, що залишає на момент посадки наступної культури не менше 30% поверхні ґрунту. Використовувати таблицю 16.3 для визначення коефіцієнта С для обертання пшениці на пшениці, якщо 30% поверхні ґрунту покрито залишком на момент посадки наступної культури під консерваційний обробіток ґрунту.

Таблиця 16.3. Покривні та управлінські значення (С) для комбінацій обробітку ґрунту та залишкового покриву після посіву та послідовності посівів для обертання пшениці.

	Обробіток ґрунту	Обробіток ґрунту	Обробіток ґрунту	Обробіток ґрунту	Обробіток грунту	Обробіток грунту	Без обробітку грунту	Без обробітку грунту	Без обробітку грунту	Без обробітку грунту	Без обробітку грунту	Без обробітку грунту
Залишок	< 5% (падіння)	< 5% (весна)	20%	30%	40%	50%	20%	30%	40%	50%	60%	70%
Обертання
W-Б		-		-	-	-	-	-	-	0,07	0,06	-
Ш-М		-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
W-W	0,20	0,20	0,10	0,09	0,08	0,07	-	-	-	-	-	0,04
W-O	0,23	0,23	0,12	0,11	0,09	0,08	-	-	-		0,05	0,04
W-Co	0,16	0,16	0,13	0,11	0,10	0,08	-	-	-	0,06	0,05	-
Ко-W	0,34	0,30	0,14	0,11	0,10	0,09	0,14	0,13	0,11	0,10	0,08	0,06
Б-Б	0,30	0,28	0,18	0,16	0,12	-	-	-	-	-	-	0,03

Таблиця адаптована з Jones et al. (1988) з дозволу.
† Сорго (milo) може бути замінено на кукурудзу; всі значення С призначені для широких рядових насаджень.
‡ Скорочення врожаю такі: Co, кукурудза; B, соя; W, озима пшениця; М, лугова (люцерна, конюшина, трава та ін.); Fl, pallow.

Використовуючи значення з попереднього розрахунку RUSLE (A1) вище, включити коефіцієнт С для визначення результуючої швидкості ерозії після здійснення консерваційного обробітку грунту.

\[\text{A}2=\text{R}\times\text{K}\times\text{LS}\times\text{C} \nonumber\]

\[\text{A}2= \nonumber\]

Як швидкість ерозії при консерваційному обробітку ґрунту порівнюється з допустимою швидкістю ерозії?

Як швидкість ерозії при консерваційному обробітку ґрунту порівнюється зі швидкістю ерозії при звичайному обробітку ґрунту?

Фермер хоче знати, які варіанти доступні, які не вимагають придбання нового обладнання (наприклад, сівалки або свердла, призначені для посадки через стерню). Визначте коефіцієнт ПК для контурного землеробства, використовуючи таблицю 16.4, використовуючи ухил 2% для нашого поля.

Припускаючи, що традиційний обробіток ґрунту все ще буде використовуватися (без коефіцієнта C), обчисліть швидкість ерозії, якщо використовувався лише контурний обробіток ґрунту, використовуючи ті самі значення R, K та LS з попереднього розрахунку RUSLE вище (A2).

\[\text{A}3=\text{R}\times\text{K}\times\text{LS}\times\text{C}\times\text{Pc} \nonumber\]

\[\text{A}3= \nonumber\]

Таблиця 16.4. Значення практики збереження (P) для контурного землеробства та обрізки контурної смуги.

	Контурне землеробство	Контурне землеробство	Обрізка контурної смуги	Обрізка контурної смуги	Обрізка контурної смуги
Градієнт нахилу (%)	Максимальна довжина нахилу (фути)	P Значення	Ширина смуги (фути)	P Значення, RGMM	P Значення, RRGM
1 - 2	400	0.6	130	0,30	0,45
3 - 5	300	0.5	100	0,25	0,38
6 - 8	200	0.5	100	0,25	0,38
9 - 12	120	0.6	80	0,30	0,45
13 - 16	100	0.7	80	0,35	0,52
17 - 20	100	0.8	60	0,40	0,60

Таблиця адаптована з Jones et al. (1988) з дозволу. †Стрічкова обрізка використовує чотирирічну ротацію міжрядних культур, а потім один рік дрібного зерна та два роки лугу (кормів) для RGM, або використовує два роки рядових культур, а потім один рік дрібного зерна та один рік лугу для RRGM. Луг включає люцерну, конюшину, траву та ін.

Як швидкість ерозії при контурному обробітку ґрунту порівнюється з допустимою швидкістю ерозії?

Як швидкість ерозії при контурному обробітку ґрунту порівнюється зі швидкістю ерозії лише при консерваційному обробітку ґрунту?

Далі ми перевіримо вплив установки терас на ландшафт. Використовуючи таблицю 16.5, визначаємо коефіцієнт Pt. При установці терас зазвичай використовується контурний обробіток грунту. Також зверніть увагу, що установка тераси призводить до меншої довжини схилу (оскільки тераса зупиняє воду від продовження стікати вниз по схилу), тому цей розрахунок виконується для кожної тераси індивідуально. Також зверніть увагу, що чистий коефіцієнт P визначається множенням на

Значення Pc і Pt разом, або запис RUSLE наступним чином:

\[\text{A}4=\text{R}\times\text{K}\times\text{LS}\times\text{Pc}\times\text{Pt} \nonumber\]

Таблиця 16.5. Значення практики збереження (P) для терас з підземними виходами або водними шляхами.

Інтервал тераси	Підземні розетки	Водні шляхи з відсотковим класом:
(футів)		0,1-0,3	0,4-0,7	0.8
	Значення Pt	Значення Pt	Значення Pt	Значення Pt
<110	0.5	0.6	0.7	1.0
110-140	0.6	0.7	0.8	1.0
140-180	0.7	0.8	0.9	1.0
180-225	0.8	0.8	0.9	1.0
225-300	0.9	0.9	1.0	1.0
300+	1.0	1.0	1.0	1.0

Таблиця адаптована з Jones et al. (1988) з дозволу.

Припустимо, що одна тераса має довжину схилу 130 футів, має той же відсоток нахилу, що і вище (2%), використовує підземні виходи для видалення надлишку води, і що контурні методи обробки грунту використовуються, як описано вище, обчислити швидкість ерозії для цієї однієї тераси.

\[\text{A}4= \nonumber\]

Як ця швидкість ерозії порівнюється з терпимою швидкістю ерозії?

Як ця швидкість ерозії порівнюється з ймовірною швидкістю геологічної ерозії 1 тонна/ак/рік?

Тепер розрахуйте швидкість ерозії, якщо консерваційний обробіток ґрунту, контурний обробіток ґрунту та тераси були використані разом для збереження ґрунту, як вони були описані вище.

\[\text{A}5=\text{R}\times\text{K}\times\text{LS}\times\text{C}\times\text{Pc}\times\text{Pt} \nonumber\]

\[\text{A}5= \nonumber\]

Як ця швидкість ерозії порівнюється з терпимою швидкістю ерозії?

Як ця швидкість ерозії порівнюється з ймовірною швидкістю геологічної ерозії 1 тонна/ак/рік?

Враховуючи ваші результати, чи буде встановлення терас на додаток до використання контурного обробітку ґрунту та консерваційного обробітку ґрунту економічним сенсом, якщо метою є зниження швидкості ерозії до майже геологічних показників?

Опишіть, як модель USLE може бути використана для прийняття управлінських рішень щодо практики обробітку ґрунту або терасування - зокрема, як може працювати захисник ґрунту з фермером, щоб досягти справді стійкої швидкості ерозії найпростішим та економічно доцільним способом.

Діяльність 3: Запобігання ерозії вітру

На початку оцінка швидкості вітрової ерозії спиралася на рівняння ерозії вітру, подібне до RUSLE. Вона полягає в наступному:

\[\text{E}=\text{F}\times\text{I}\times\text{C}\times\text{K}\times\text{L}\times\text{V} \nonumber\]

Де E - річна швидкість вітрової ерозії в тоннах/змінний струм, I - коефіцієнт ерозивності ґрунту, C - кліматичний фактор, K - коефіцієнт шорсткості ґрунту, L - коефіцієнт ширини поля, а V - фактор рослинного покриву. Хоча ця модель робить хорошу роботу з візуалізації первинних факторів, які контролюють вітрову ерозію, точність прогнозування швидкості вітрової ерозії значно зросла за допомогою комп'ютерних моделей, таких як переглянуте рівняння ерозії вітру (RWEQ) та система прогнозування вітрової ерозії (WEPS). Однак, як бачите, рослинний покрив, шорсткість поверхні та довжина поля - все це фактори, якими фермер може маніпулювати для зменшення вітрової ерозії.

Опишіть хоча б один спосіб, яким можна керувати шорсткістю поверхні, щоб зменшити швидкість вітру, і, таким чином, вітрову ерозію.

Опишіть, як працюють вітрозахисні і укритніремені, і як вони повинні бути орієнтовані щодо переважаючого вітру.

Стрип-обрізка є однією з практик збереження, що використовується для зменшення водної ерозії. Він також використовується для зменшення вітрової ерозії. Опишіть обрізку смуг, порівняйте та порівняйте, як ця практика використовується для зменшення вітрової ерозії та зменшення водної ерозії.

Завдання: Онлайн-вікторина

Вікторина для цієї лабораторії буде доступна в Інтернеті. Будь ласка, перейдіть до нього відповідно до вказівок інструктора.