Spatio-Temporal Changes in Erosion-Accumulation Processes on a Small Watershed in the Northern Part of the Central Russian Upland

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

First time comprehensive studies of soil erosion were carried out in a 42-hectare catchment area (near the Lomovets, Orel region) in the zone of Luvic Phaeozems with erosion resistance is significantly lower than that of Chernozems. Analysis of archival and historical cartographic materials showed that the duration of plowing of the catchment is 200 ± 10 years. The rates of soil erosion and accumulation over the entire plowing period, post Chernobyl period, last 50 ± 25 years and single erosion event (which occurred on May 31, 2022) were determined based on the use of field methods (soil-morphological, radiocesium, rain rills method, detailed survey using drone) and WaTEM/SEDEM erosion model calculation. The estimates of soil losses and accumulation indicate significant fluctuations in the rates of erosion-accumulative processes over the past 200 years, which are mainly due to the conditions of the formation of melt runoff, the repeatability and distribution of runoff-forming heavy rain within the warm season, the set of crops sown, the frequency and methods of tillage, changes in field boundaries. The average annual estimates of soil erosion for the agricultural period are higher than those for the post-Chernobyl period, since the rates of soil erosion have decreased in the last three decades. Estimates of soil losses using the WaTEM/SEDEM model are generally comparable with the results of determining soil losses based on the soil-morphological method, provided that the redistribution of sediment to the lower boundaries of arable land is taken into account. The spatial structure of a single erosive event turned out to be largely close to the spatial structure of the location of the areas of eroded and aggradational soils formed during the entire agricultural period.

About the authors

V. N. Golosov

Lomonosov Moscow State University; Dokuchaev Soil Science Institute

Email: shamshyr@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119199; Moscow, 119017

E. N. Shamshurina

Lomonosov Moscow State University; Dokuchaev Soil Science Institute

Author for correspondence.
Email: shamshyr@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119199; Moscow, 119017

G. I. Kolos

Dokuchaev Soil Science Institute

Email: shamshyr@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119017

A. I. Petel’ko

Novosilskaya ZAGFES – branch of FSC of agroecology RAS

Email: shamshyr@mail.ru
Russian Federation, Mtsensk, 303035

A. P. Zhidkin

Dokuchaev Soil Science Institute

Email: shamshyr@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119017

References

  1. Амелин А.В., Петрова С.Н. Особенности изменений климата на территории Орловской области за последние 100 лет и их влияние на развитие растениеводства в регионе // Вестник Орловского гос. аграрного ун-та. 2006. № 2–3. С. 76–79.
  2. Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Кашутина Е.А., Барабанова Е.А. Природно-климатические и антропогенные изменения стока Волги и Дона // Фундаментальная и прикладная климатология. 2016. № 2. С. 55–78. https://doi.org/10.21513/2410-8758-2016-2-55-78
  3. Голосов В.Н. Использование радиоизотопов при исследовании эрозионно-аккумулятивных процессов // Геоморфология. 2000. № 2. С. 26–33.
  4. Голосов В.Н., Беляев В.Р., Маркелов М.В., Шамшурина Е.Н. Особенности перераспределения наносов на малом водосборе за различные периоды его земледельческого освоения (водосбор Грачева Лощина, Курская область) // Геоморфология. 2012. № 1. С. 25-35. https://doi.org/10.15356/0435-4281-2012-1-25-35
  5. Голосов В.Н., Геннадиев А.Н., Олсон К.Р., Маркелов М.В., Жидкин А.П., Чендев Ю.Г., Ковач Р.Г. Пространственно-временные особенности развития почвенно-эрозионных процессов в лесостепной зоне Восточно-Европейской равнины // Почвоведение. 2011. № 7. С. 861–869.
  6. Голосов В.Н., Жидкин А.П., Петелько А.И., Осипова М.С., Иванова Н.Н., Иванов М.М. Полевая верификация эрозионных моделей на основе исследований малого водосбора в бассейне р. Воробжи (Курская область) // Почвоведение. 2022. № 10. С. 1321–1338. https://doi.org/10.31857/S0032180X22100045
  7. Голосов В.Н., Иванова Н.Н., Гусаров А.В., Шарифуллин А.Г. Оценка тренда деградации пахотных почв на основе изучения темпов формирования стратоземов с использованием 137Сs в качестве хрономаркера // Почвоведение. 2017. № 10. С. 1–15. https://doi.org/10.7868/S0032180X17100033
  8. Голосов В.Н., Маркелов М.В., Беляев В.Р. Современные тенденции перераспределения наносов в центре Русской равнины // Эрозия почв и русловые процессы. 2010. Т. 17. С. 46–60.
  9. ГОСТ 12536-2014. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.
  10. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества.
  11. Гулярян А.Б. Состояние сельского хозяйства Орловской губернии в конце XIX века и роль земств в его улучшении // Вестник ОрелГау. 2006. № 2–3 С. 116–123.
  12. Гусаров А.В., Шарифуллин А.Г., Голосов В.Н. Современный тренд эрозии пахотных черноземов обыкновенных Приволжской возвышенности (Саратовская область) // Почвоведение. 2018. № 12. С. 1517–1538. https://doi.org/10.1134/S0032180X18120043
  13. Доклад об экологической ситуации в Орловской области в 2021 году.
  14. Иванова Н.Н., Голосов В.Н., Сидорчук А.Ю. История земледельческого освоения европейской части России и его влияние на развитие эрозионных процессов // Пространственно-временные закономерности развития современных процессов природно-антропогенной эрозии на Русской равнине. Казань, 2019. С. 17–35.
  15. Иванова Н.Н., Фомичева Д.В., Рухович Д.И., Шамшурина Е.Н. Ретроспективный анализ истории земледельческого освоения и оценка темпов эрозии почв в бассейне р. Локна, Тульская область // Почвоведение. 2023. № 7. С. 872–886. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601475
  16. Карта физико-географического районирования СССР. Масштаба 1: 8 млн. М., 1983.
  17. Кашутина Е.А., Ясинский С.В., Коронкевич Н.И. Весенний поверхностный склоновый сток на Русской равнине в годы различной водности // Известия РАН. Сер. Географическая. 2020. № 1. С. 37–46. https://doi.org/10.31857/S2587556620010100
  18. Ковальченко И.Д., Бородкин Л.И. Аграрная типология губерний Европейской России на рубеже XIX–XX веков // История СССР. 1979. № 1. С. 59–95.
  19. Коротеев В.И. Агроэкологическая оценка темно-серых лесных почв юга Нечерноземья. Дис. … канд. с./х. наук. Курск, 2005. 194 с.
  20. Ларионов Г.А., Кирюхина З.П., Самодурова Л.С. Определение темпов смыва методом парных разрезов // Эрозия почв и русловые процессы. 2000. Вып. 12. С. 63–70.
  21. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки. М.: Изд-во МГУ, 1993. 200 с.
  22. Лебедева М.Г., Крымская О.В., Толстопятова О.С. Климатические условия Белгородской области // Географический атлас Белгородской области: природа, общество, хозяйство. Белгород: Константа, 2018. С. 71–76.
  23. Лисецкий Ф.Н., Голеусов П.В. Воспроизводство сельскохозяйственных земель подверженных эрозионной деградации // Доклады Рос. акад. с./х. наук. 2012. № 3. С. 33–37.
  24. Литвин Л.Ф., Кирюхина З.П., Краснов С.Ф., Добровольская Н.Г. География динамики земледельческой эрозии почв на Европейской территории России // Почвоведение. 2017. № 11. С. 1390–1400. https://doi.org/10.7868/S0032180X17110089
  25. Литвин Л.Ф. География эрозии почв сельскохозяйственных земель России. М.: ИКЦ Академкнига, 2002. 255 с.
  26. Лукашина, П. И., Хархардина Е.Л. Динамика изменения климата на территории Орловской области 2015–2021 гг. // Природные ресурсы: состояние и рациональное использование. Матер. Междунар. науч.-пр. конф. Орел, 15–16 декабря 2021 года. Орел: Орловский гос. ун-т им. И.С. Тургенева, 2022. С. 240–245.
  27. Ляхов М.Е. Климатические экстремумы в центральной части Европейской территории СССР в ХIII–XX веках // Изв. АН СССР. Сер. География. 1984. № 6. С. 68–74.
  28. Мельнийчук М.М., Мольчак Я.А. Определение роли отчуждения мелкозема с урожаем пропашных культур в проявлении эрозии // Двенадцатое межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: краткие сообщения. Пермь, 1997. С. 104–105.
  29. Пацукевич З.В., Геннадиев А.Н., Герасимова М.И. Допустимый смыв и самовосстановление почв // Почвоведение. 1997. № 5. С. 634–641.
  30. Петелько А.И., Панов В.И. Характеристика поверхностного стока талых вод с разных угодий за 50 лет // Вестник АПК Ставрополья. 2014. № 4. С. 155–162.
  31. Раскатов Г.И. Геоморфология и неотектоника территории Воронежской антеклизы. Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1969. 164 с.
  32. Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов европейской на территории европейской части России и борьба с ними. Т. 1. М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1948. 305 с.
  33. Подробная карта Российской империи и близлежащих заграничных владений, подготовленная Собственным Его Императорского Величества Депо карт. М-б 20 верст в 1 дюйме. 1816 г.
  34. Уткаева В.Ф., Сапожников П.М., Щепотьев В.Н. Влияние уплотняющего действия сельскохозяйственной техники на почвенную структуру // Почвоведение. 1986. № 2. С. 54–62.
  35. Фомичева Д.В., Жидкин А.П., Комиссаров М.А. Полимасштабные оценки варьирования эродируемости почв в условиях высокой неоднородности почвенного покрова северной лесостепи среднерусской возвышенности // Почвоведение. 2024. № 2. С. 314–358. https://doi.org/10.31857/S0032180X24020116
  36. Чернышев Е.П. Тенденции изменения эрозии на территории Южной части Русской равнины // Вопросы антропогенных изменений водных ресурсов. М.: Изд-во АН СССР. 1976. С. 47–63.
  37. Beuselinck L., Steegen A., Govers G., Nachtergaele J., Takken I., Poesen J. Characteristics of sediment deposits formed by intense rainfall events in small catchments in the Belgian Loam Belt // Geomorphology. 2000. V. 32. P. 69–82. https://doi.org/10.1016/S0169-555X(99)00068-9
  38. Bulygina O.N., Razuvaev V.N., Korshunova N.N., Groisman P.Ya. Climate variations and changes in extreme climate events in Russia // Environ. Res. Lett. 2007V. 2. P. 045020. https://doi.org/10.1088/1748-9326/2/4/045020
  39. Chizhikova N., Yermolaev O., Golosov V., Mukharamova S., Saveliev A. Changes in the Regime of Erosive Precipitation on the European Part of Russia for the Period 1966–2020 // Geosciences. 2022. V. 12(7). P. 279. https://doi.org/10.3390/geosciences12070279
  40. Contractor S, Donat M.G, Alexander L.V. Changes in observed daily precipitation over global land areas since 1950 // J. Climate. 2021. V. 34(1). P. 3–19. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0965.1
  41. Evans R. Factors controlling soil erosion and runoff and their impacts in the upper Wissey catchment, Norfolk, England: a ten-year monitoring programme // Earth Surface Processes and Landforms. 2017. V. 42(14). P. 2266-2279. https://doi.org/10.1002/esp.4182
  42. Fiener P., Wilken F., Aldana-Jague E., Deumlich D., Gómez J.A., Guzmán G., Hardy R.A., Quinton J.N., Sommer M., Van Oost K., Wexler R. Uncertainties in assessing tillage erosion – how appropriate are our measuring techniques? // Geomorphology. 2018. V. 304. P. 214–225. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2017.12.031
  43. Fischer E.M., Knutti R. Observed heavy precipitation increase confirms theory and early models // Nature Climate Change. 2016. V. 6(11). P. 986–991. https://doi.org/10.1038/nclimate3110
  44. García-Ruiz J.M., Beguería S., Nadal-Romero E., González-Hidalgo J.C., Lana-Renault N., Sanjuán Y. A meta-analysis of soil erosion rates across the world // Geomorphology. 2015. V. 239. P. 160–173. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2015.03.008
  45. Golosov V.N., Collins A.L., Dobrovolskaya N.G., Bazhenova O.I., Ryzhov Yu V., Sidorchuk A.Yu. Soil loss on the arable lands of the forest-steppe and steppe zones of European Russia and Siberia during the period of intensive agriculture // Geoderma. 2021. V. 381. P. 114678. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114678
  46. Golosov V., Koiter A., Ivanov M., Maltsev K., Gusarov A., Sharifullin A., Radchenko I. Assessment of soil erosion rate trends in two agricultural regions of European Russia for the last 60 years // J. Soils Sediments. 2018. V. 18. P. 3388-3403. https://doi.org/10.1007/s11368-018-2032-1
  47. Golosov V.N., Walling D.E., Konoplev A.V., Ivanov M.M., Sharifullin A.G. Application of bomb- and Chernobyl-derived radiocaesium for reconstructing changes in erosion rates and sediment fluxes from croplands in areas of European Russia with different levels of Chernobyl fallout // J. Environ. Radioact. 2018. V. 186. P. 78–89. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2017.06.022
  48. Golosov V., Yermolaev O., Litvin L., Chizhikova N., Kiryukhina Z., Safina G. Influence of climate and land use changes on recent trends of soil erosion rates within the Russian Plain // Land Degradation and Development 2018. V. 29(8). P. 2658–2667. https://doi.org/10.1002/ldr.3061
  49. Hoffmann T.O., Baulig Y., Vollmer S., Blöthe J.H., Auerswald K., Fiener P. Pristine levels of suspended sediment in large German river channels during the Anthropocene? // Earth Surface Dynamycs. V. 11(2). P. 287–303. https://doi.org/10.5194/esurf-11-287-2023, 2023
  50. Malinowski R., Heckrath G., Rybicki M., Eltner A. Mapping rill soil erosion in agricultural fields with UAV-borne remote sensing data // Earth Surface Processes and Landforms. 2022. V. 48(3). P. 1–17. https://doi.org/10.1002/esp.5505
  51. Maltsev K., Yermolaev O. Assessment of soil loss by water erosion in small river basins in Russia // Catena. 2020. V. 195. P. 104726. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104726
  52. Panagos P., Borrelli P., Meusburger K., Yu B., Klik A., Lim K.J., et al. Global rainfall erosivity assessment based on high-temporal resolution rainfall records // Sci. Rep. 2017. V. 7(1). P. 4175. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04282-8
  53. Prasuhn V. Twenty years of soil erosion on-farm measurement: annual variation, spatial distribution and the impact of conservation programmes for soil loss rates in Switzerland // Earth Surf. Process. Landf. 2020. V. 45(7). P. 1539–1554. https://doi.org/10.1002/esp.4829
  54. Prasuhn V. Experience with the assessment of the USLE cover-management factor for arable land compared with long-term measured soil loss in the Swiss Plateau // Soil Till. Res. 2022. V. 215. P. 105199. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105199
  55. Renard K., Foster G., Weesies G., McDool D., and Yoder D. Predicting Soil Erosionby Water: A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Agricultural Handbook 1997. 703 p.
  56. Rodzik J., Furtak T., Zgłobicki W. The impact of snowmelt and heavy rainfall runoff on erosion rates in a gully system, Lublin Upland, Poland // Earth Surf Process Landf. 2009. V. 34(14). P. 1938–1950. https://doi.org/10.1002/esp.1882
  57. Smetanova A., Verstraeten G., Notebaert B., Dotterweich M., L´etal A., Landform transformation and long-term sediment budget for a Chernozem-dominated lowland agricultural catchment // Catena. 2017. V. 157. P. 24–34. https://doi.org/10.1016/j.catena.2017.05.007
  58. Smolska E. Extreme rainfalls and their impact on slopes-evaluation based on soil erosion measurements (as exemplified by the Suwalki Lakeland, Poland) // Geogr. Pol. 2007. V. 80. P. 151–163.
  59. Steinhoff-Knopp B., Burkhard B. Mapping control of erosion rates: comparing model and monitoring data for croplands in northern Germany // One Ecosystem 2018. V. 3. P. e26382. https://doi.org/10.3897/oneeco.3.e26382
  60. Thaler E.A., Larsen, I.J., Yu Q. The extent of soil loss across the US Corn Belt // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2021. V. 118. P. e1922375118. https://doi.org/10.1073/pnas.1922375118
  61. Van Oost K., Govers G. and Desmet P. Evaluating the effects of changes in landscape structure on soil erosion by water and tillage // Landscape Ecology. 2000. V. 15. P. 577–589. https://doi.org/10.1023/A:1008198215674/
  62. Van Oost K., Govers G., de Alba S., Quine T.A. Tillage erosion: a review of controlling factors and implications for soil quality // Progress in Physical Geography. 2006. V. 30(4). P. 443–466. https://doi.org/10.1191/0309133306pp487ra
  63. Van Rompay A., Verstraeten G., Van Oost K., Govers G., Poesen J. Modelling mean annual sediment yield using a distributed approach // Earth Surface Processes and Landforms. 2001. V. 26(11). P. 1221–1236. https://doi.org/10.1002/esp.275
  64. Walling D.E., Russell M.A., Hodgkinson R.A., Zang Y. Establishing sediment budgets for two small lowland agricultural catchments in the UK // Catena. 2002. V. 47(4). P. 323–353. https://doi.org/10.1016/S0341-8162(01)00187-4
  65. Zhidkin A., Gennadiev A., Fomicheva D., Shamshurina E., Golosov V. Soil erosion models verification in a small catchment for different time windows with changing cropland boundary // Geoderma. 2023. V. 430. P. 116322. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116322
  66. https://rp5.ru
  67. https://57.rosstat.gov.ru/
  68. https://istmat.org/files/uploads/63059/statisticheskiy_ezhegodnik_2017._orlovskaya_oblast_2011-2016._orlovskoy_oblasti_80_let.pdf

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The Lomovets catchment (a) and its location relative to the relief and large cities with weather stations in the Orel region (b). 1A – soil sections and points of layered sampling in the bottom of the hollow; 2A – points of soil drilling and sampling from arable horizons, the installed capacity of horizons A+AB is shown next to it; 3A – horizontal with a cross section of 2 m; 4A – the boundary of the catchment area; 5A – the plowed part of the catchment area; 1B – the border between the forest and forest–steppe regions of the Russian plain according to [16]; 2B - absolute height, m.

Download (547KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. a – orthophotoplan of the Lomovets catchment area; b – a schematic map of a network of washouts and large removal cones; c - a map of soil erosion; d – a map of the estimated rates of erosion and accumulative processes in the Lomovets catchment area. 1B – a dirt road; 2B – the border of the catchment area; 3B – the border of the part of the catchment area tinted with individual trees and shrubs; 4B – small gullies; 5B – large gullies, mainly formed along the bottoms of the potholes, well expressed in relief; 6B – large cones of outflow on the edge of arable land; 1B – the degree of soil washout: a – unwashed, b – weakly, c – medium, d – strongly washed, d – washed; 1G – rates of soil erosion (–) and sediment accumulation (+).

Download (546KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Location of soil sections in the bottom of the beam and diagrams of the distribution of specific activity of 137Cs in depth. 1 – the location of the cut; 2 – a dirt road, 3 – the estimated surface at the time of the fall of 137Cs in 1986.

Download (774KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The total area of soil habitats of different degrees of washout, obtained on the basis of morphological properties of soils and erosion modeling: 1 – unwashed, 2 – weakly, 3 – medium, 4 – strongly washed, 5 – washed.

Download (124KB)
Indexing metadata
6. Supplement
Download (2MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences