Динамика эрозии и поступления наносов в реки на слабо освоенных равнинных водосборах Центральной Сибири в связи с изменениями землепользования и лесными пожарами

В работе исследуются интенсивность бассейновой эрозии и особенности формирования стока взвешенных наносов слабо освоенных водосборов в бассейне р. Лены, расположенных возле г. Якутска (15 740 км²) и в верхнем течении р. Б. Черепаниха (1709 км²). Впервые в пределах залесенных водосборов бассейна р. Лены проведена адаптация эрозионно-аккумулятивной модели WaTEM/SEDEM, дополненная использованием модифицированной Г. А. Ларионовым модели ГГИ. Сделан вывод о важнейшей роли разрешения цифровой модели рельефа в расчетах стока наносов: четырехкратное уменьшение шага сетки (со 100 до 25 м) меняет оценку стока наносов на 25%. Установлено, что среднемноголетние эрозионные потери почвы в районе г. Якутска возросли с 4.7 (2003–2007) до 4.9 (2015–2019) т/км² в год, что объясняется сокращением площади лесной растительности и появлением луговых сообществ на месте прошедших здесь лесных пожаров. В пределах водосбора р. Б. Черепанихи произошли сокращения с 7.2 (1985–1990) до 6.4 (2015–2019) т/км² в год вследствие увеличения площади лесов, сокращения естественной луговой растительности и исчезновения пахотных угодий. Наблюдаемая величина стока наносов по данным гидропоста Бом с территории водосбора р. Б. Черепанихи также сократилась за два рассматриваемых периода с 0.41 до 0.37 т/км² в год. Тренды стока наносов в пределах участка у г. Якутска и самой р. Лены также связаны между собой: измеренная величина стока взвешенных наносов р. Лены на посту Табага за те же периоды возросла с 8.76 до 10.82 т/км² в год. Полученные результаты свидетельствуют об исключительной роли бассейновой эрозии в формировании стока наносов малых рек (р. Б. Черепаниха) и ее незначительном влиянии на сток наносов крупных рек (р. Лена).

1. Буряк Ж.А., Нарожняя А.Г., Маринина О.А. (2023) Эрозионная опасность пахотных земель Белгород- ской области. Региональные геосистемы. Т. 47. № 1. С. 101–115. https://doi.org/10.52575/2712-7443-2023-47-1-101-115

2. Голосов В.Н. (2006) Эрозионно-аккумулятивные процессы в речных бассейнах освоенных равнин. М.: ГЕОС. 296 с.

3. Григорьев А.А. (2011) Формирование древостоев лиственницы и березы в высокогорьях Приполярного Урала в условиях современного изменения климата. Автореф. дис. … канд. с.-х. наук. Екатеринбург: Уральский государственный лесотехнический университет. 23 с.

4. Григорьев В.Ю., Фролова Н.Л., Киреева М.Б., Степаненко В.М. (2022) Пространственно-временная изменчивость ошибки воспроизведения осадков реанализом ERA5 на территории России. Известия Российской академии наук. Серия географическая. Т. 86. № 3. С. 435–446. https://doi.org/10.31857/S2587556622030062

5. Ермолаев О.П., Мальцев К.А., Мухарамова С.С. и др. (2017) Картографическая модель речных бассейнов европейской России. География и природные ресурсы. № 2. С. 27–36. https://doi.org/10.21782/GIPR0206-1619-2017-2(27-36)

6. Жидкин А.П., Смирнова М.А., Геннадиев А.Н. и др. (2021) Цифровое моделирование строения и степени эродированности почвенного покрова (Прохоровский район Белгородской области). Почвоведение. № 1. С. 17–30. https://doi.org/10.31857/S0032180X21010159

7. Краснощеков Ю.Н. (2018) Почвы горных лесов Прибайкалья и их трансформация под влиянием пожаров. Почвоведение. № 4. C. 387–401. https://doi.org/10.7868/S0032180X18040019

8. Ларионов Г.А. (1993) Эрозия и дефляция почв. М: Изд-во МГУ. 200 с.

9. Литвин Л.Ф., Кирюхина З.П., Краснов С.Ф. и др. (2021) География динамики земледельческой эрозии почв Сибири и Дальнего Востока. Почвоведение. № 1. С. 136–148. https://doi.org/10.31857/S0032180X2101007X

10. Магрицкий Д.В. (2022) Новые данные о распределении нормы стока воды на Северо-Востоке России и притоке речных вод в арктические моря. Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. № 6. С. 70–85. https://doi.org/10.35567/19994508_2022_6_5

11. Магрицкий Д.В., Банщикова Л.С. (2021) Реакция стока наносов в бассейне р. Лены на изменения климата и хозяйственную деятельность. В сб.: Динамика и взаимодействие геосфер земли. Материалы Всероссийской конференции с международным участием, по- священной 100-летию подготовки в Томском государственном университете специалистов в области наук о Земле. В 3 т. Т. II. Науки о Земле. С. 61–65.

12. Магрицкий Д.В., Чалов С.Р., Гармаев Е.Ж. и др. (2023) Новые данные о трансформации стока воды и наносов в дельте реки Лены по итогам экспедиционных измерений в августе 2022 г. Пробл. Аркт. Антаркт. Т. 69. № 2. С. 171–190. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2023-69-2-171-190

13. Мальцев К.А., Ермолаев О.П. (2019) Потенциальные эрозионные потери почвы на пахотных землях европейской части России. Почвоведение. № 12. С. 1502–1512. https://doi.org/10.1134/S0032180X19120104

14. Рыжов Ю.В. (2009) Эрозионно-аккумулятивные процессы в бассейнах малых рек юга Восточной Сибири. Гео графия и природные ресурсы. № 3. С. 94–101.

15. Цыпленков А.С., Чалов С.Р., Шинкарева Г.Л. (2022) Водная эрозия почв в бассейнах крупнейших рек Сибири. Известия Русского географического общества. Т. 154. № 5–6. С. 86–111.

16. Шынбергенов Е.А., Ермолаев О.П. (2017) Потенциальная эрозия почв бассейна р. Лены. Вестник Удмурт- ского университета. Серия Биология. Науки о Земле. T. 27. № 4. С. 513–528.

17. Baartman J.E.M., Masselink R., Keesstra S.D. et al. (2013) Linking landscape morphological complexity and sediment connectivity. Earth Surf. Processes Landforms. Vol. 38. Iss. 12. P. 1457–1471. https://doi.org/10.1002/esp.3434

18. Belillas C.M., Rodà F. (1993) The effects of fire on water quality, dissolved nutrient losses and the export of par- ticulate matter from dry heathland catchments. J. Hydrol. Vol. 150. Iss. 1. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/0022-1694(93)90153-z

19. Bhattarai R., Dutta D. (2008) A comparative analysis of sediment yield simulation by empirical and process-oriented models in Thailand (Une analyse comparative de simulations de l’exportation sédimentaire en Thaïlande à l’aide de modèles empiriques et de processus). Hydrol. Sci. J. Vol. 53. Iss. 6. P. 1253–1269. https://doi.org/10.1623/hysj.53.6.1253

20. Boomer K.B., Weller D.E., Jordan T.E. (2008) Empirical models based on the universal soil loss equation fail to predict sediment discharges from Chesapeake Bay catchments. J. Environ. Qual. Vol. 37. Iss. 1. P. 79–89. https://doi.org/10.2134/jeq2007.0094

21. Borrelli P., Alewell C., Alvarez P. et al. (2021) Soil erosion modelling: A global review and statistical analysis. Sci. To- tal Environ. Vol. 780. 146494. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146494

22. Borrelli P., Robinson D.A., Fleischer L.R. et al. (2017) An assessment of the global impact of 21st century land use change on soil erosion. Nat. Commun. Vol. 8. No. 1. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02142-7

23. Borselli L., Cassi P., Torri D. (2008). Prolegomena to sediment and flow connectivity in the landscape: A GIS and field numerical assessment. Catena. Vol. 75. Iss. 3. P. 268–277. https://doi.org/10.1016/j.catena.2008.07.006

24. Brasington J., Richards K. (1998) Interactions between model predictions, parameters and DTM scales for TOPMODEL. Comput. Geosci. Vol. 24. No. 4. P. 299–314.

25. Burke J.M., Prepas E.E., Pinder S. (2005) Runoff and phosphorus export patterns in large forested watersheds on the western Canadian Boreal Plain before and for 4 years after wildfire. J. Environ. Eng. Sci. Vol. 4. No. 5. P. 319–325. https://doi.org/10.1139/s04-072

26. Chalov S., Ivanov V. (2023). Catchment and in-channel sources in three large Eurasian Arctic rivers: Combining monitoring, remote sensing and modelling data to construct Ob’, Yenisey and Lena rivers sediment budget. Ca- tena. Vol. 230. 107212. https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107212

27. Chalov S., Prokopeva K. (2022) Sedimentation and Erosion Patterns of the Lena River Anabranching Channel. Water. Vol. 14. Iss. 23. 3845. https://doi.org/10.3390/w14233845

28. Chalov S., Prokopeva K., Habel M. (2021) North to south variations in the suspended sediment transport budget within large Siberian River deltas revealed by remote sensing data. Remote Sens. Vol. 13. Iss. 22. P. 4549. https://doi.org/10.3390/rs13224549.

29. Cohen S., Kettner A.J., Syvitski J.P.M. et al. (2013) WBM-sed, a distributed global-scale riverine sediment f lux model: Model description and validation. Comput. Geo- sci. Vol. 53. P. 80–93. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2011.08.011

30. De Vente J., Poesen J., Verstraeten G. et al. (2008) Spatially distributed modelling of soil erosion and sedi- ment yield at regional scales in Spain. Global and Planetary Change. Vol. 60. Iss. 3-4. P. 393–415. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2007.05.002

31. Earl S.R., Blinn D.W. (2003) Effects of wildfire ash on water chemistry and biota in South-Western U.S.A. streams. Freshwater Biol. Vol. 48. Iss. 6. P. 1015–1030. https://doi.org/10.1046/j.1365-2427.2003.01066.x

32. Emelko M.B., Stone M., Silins U. et al. (2016) Sediment-phosphorus dynamics can shift aquatic ecology and cause downstream legacy effects after wildfire in large river systems. Global Change Biol. Vol. 22. Iss. 3. P. 1168–1184. https://doi.org/10.1111/gcb.13073

33. Emmerton C.A., Cooke C.A., Hustins S. et al. (2020) Severe western Canadian wildfire affects water quality even at large basin scales. Water Resourses. Vol. 183. 116071. https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116071

34. Farr T.G., Rosen P.A., Caro E. et al. (2007) The shuttle radar topography mission. Rev. Geophys. Vol. 45. Iss. 2. RG2004. https://doi.org/10.1029/2005RG000183

35. Ferro V., Porto P. (2000) Sediment delivery distributed (SEDD) Model. J. of Hydrologic Engineering. Vol. 5. Iss. 4. P. 411–422. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(2000)5:4(411)

36. Gao J. (1998) Impact of sampling intervals on the reliability of topographic variables mapped from grid DEMs at a microscale. Int. J. of Geogr. Inform. Sci. Vol. 12. Iss. 8. P. 875–890. https://doi.org/10.1080/136588198241545

37. Gay A., Cerdan O., Mardhel V. et al. (2016) Application of an index of sediment connectivity in a lowland area. J. Soils Sediments. Vol. 16. No. 1. P. 280–293. https://doi.org/10.1007/s11368-015-1235-y

38. Gerla P.J., Galloway J.M. (1998) Water quality of two streams near Yellowstone Park, Wyoming, following the 1988 Clover-Mist wildfire. Environ. Geol. Vol. 36. No. 1-2. P. 127– 136. https://doi.org/10.1007/s002540050328

39. Golosov V., Yermolaev O., Litvin L. et al. (2018) Influence of climate and land use changes on recent trends of soil erosion rates within the Russian Plain. Land Degradation & Development. Vol. 29. Iss. 8. P. 2658–2667. https://doi.org/10.1002/ldr.3061

40. Hansen M.C., Potapov P.V., Moore R. et al. (2013) High-resolution global maps of 21st-century forest cover change. Science. Vol. 342. No. 6160. P. 850–853. https://doi.org/10.1126/science.1244693

41. Hansen M.C., Potapov P.V., Pickens A.H. et al. (2022) Global land use extent and dispersion within natural land cover using Landsat data. Environ. Res. Lett. Vol. 17. No. 3. P. 034050. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac46ec

42. Hartmann J., Moosdorf N. (2012) The new global lithological map database GLiM: A representation of rock properties at the Earth surface. Geochem., Geophys., Geosyst. Vol. 13. Iss. 12. https://doi.org/10.1029/2012GC004370

43. Heckmann T., Cavalli M., Cerdan O. et al. (2018) Indices of sediment connectivity: opportunities, challenges and limitations. Earth-Sci. Rev. Vol. 187. P. 77–108. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2018.08.004

44. Hengl T., Mendes de Jesus J., Heuvelink G.B.M. et al. (2017) SoilGrids250m: Global gridded soil information based on machine learning. PLoS ONE. Vol. 12. No. 2. e0169748. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0169748

45. Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. (2020) The ERA5 global reanalysis. Quart. J. Royal Meteorol. Soc. Vol. 146. Iss. 730. P. 1999–2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803

46. Inbar M., Tamir M., Wittenberg L. (1998) Runoff and erosion processes after a forest fire in Mount Carmel, a Mediterranean area. Geomorphology. Vol. 24. Iss. 1. P. 17–33. https://doi.org/10.1016/s0169-555x(97)00098-6

47. Jumps N., Gray A.B., Guilinger J.J. (2022) Wildfire impacts on the persistent suspended sediment dynamics of the Ventura River, California. J. of Hydrol.: Region. Studies. Vol. 41. 101096. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2022.101096

48. Lane P.N.J., Sheridan G.J., Noske P.J. et al. (2008) Phosphorus and nitrogen exports from SE Australian forests follow- ing wildfire. J. Hydrol. Vol. 361. No. 1-2. P. 186–198. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.07.041

49. Lappalainen H.K., Kerminen V., Petäjä T. et al. (2016)

50. Pan-Eurasian Experiment (PEEX): towards a holistic understanding of the feedbacks and interactions in the land– atmosphere–ocean–society continuum in the northern Eurasian region. Atmos. Chem. Phys. Vol. 16. Iss. 22. P. 14421–14461. https://doi.org/10.5194/acp-16-14421-2016

51. Magritsky D.V., Frolova N.L., Pakhomova O.M. (2020) Potential Hydrological Restrictions on Water Use in the Basins of Rivers Flowing into Russian Arctic Seas. GES. Vol. 13. No. 2. P. 25–34. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2019-59

52. Maltsev K., Golosov V., Yermolaev O. et al. (2022) Assessment of Net Erosion and Suspended Sediments Yield within River Basins of the Agricultural Belt of Russia. Water. Vol. 14. Iss. 18. P. 2781. https://doi.org/10.3390/w14182781

53. Melkonian A.K., Willis M.J., Pritchard M.E. et al. (2016) Recent changes in glacier velocities and thinning at Nоvaya Zemlya. Remote Sensing of Environment. Vol. 174. P. 244–257. https://doi.org/10.1016/j.rse.2015.11.001

54. Nasonova O.N., Gusev Y.M., Kovalev E. (2023) Climate Change Impact on Water Balance Components in Arctic River Basins. GES. Vol. 15. No. 4. P. 148–157. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2021-144

55. Nearing M.A. (1997) A single, continuous function for slope steepness influence on soil loss. Soil Sci. Soc. Am. J. Vol. 61. Iss. 3. P. 917–919. https://doi.org/10.2136/sssaj1997.03615995006100030029x

56. Nummelin A., Ilicak M., Li C., Smedsrud L.H. (2016) Con- sequences of future increased Arctic runoff on Arctic Ocean stratification, circulation, and sea ice cover. J. Geo- phys. Res.: Oceans. Vol. 121. Iss. 1. P. 617–637. https://doi.org/10.1002/2015JC011156

57. Panagos P., Borrelli P., Meusburger K. et al. (2017) Global rainfall erosivity assessment based on high-temporal resolution rainfall records. Sci. Rep. Vol. 7. 4175. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04282-8

58. Panagos P., Borrelli P., Meusburger K. et al. (2015) Estimating the soil erosion cover-management factor at the Eu- ropean scale. Land Use Policy. Vol. 48. P. 38–50. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2015.05.021

59. Park H., Sherstiukov A.B., Fedorov A.N. et al. (2014) An observation-based assessment of the influences of air temperature and snow depth on soil temperature in Russia. Environ. Res. Lett. Vol. 9. No. 6. 064026. https://doi.org/10.1088/1748-9326/9/6/064026

60. Pietroń J., Chalov S.R., Chalova A.S. et al. (2017) Extreme spatial variability in riverine sediment load inputs due to soil loss in surface mining areas of the Lake Baikal basin. Catena. Vol. 152. P. 82–93. https://doi.org/10.1016/j.catena.2017.01.008

61. Prepas E.E., Burke J.M., Chanasyk D.S. et al. (2003) Impact of wildfire on discharge and phosphorus export from the Sakwatamau watershed in the Swan Hills, Alberta, during the first two years. J. Environ. Eng. Sci. Vol. 2. No. S1. P. 63–72. https://doi.org/10.1139/s03-036

62. Renard K.G., Foster G.R., Weesies G.A. et al. (1997) Predicting soil erosion by water: A guide to conservation planning with the resived Universal Soil Loss Equation (RUSLE). In: Agriculture Handbook. No. 537. 403 p.

63. Reuter H.I., Neison A., Strobl P. et al. (2009) A first assessment of Aster GDEM tiles for absolute accuracy, relative accuracy and terrain parameters. In: IEEE Int. Geosci. and Remote Sensing Symp. Cape Town, South Africa: IEEE. P. 240–243. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2009.5417688

64. Rhoades C.C., Entwistle D., Butler D. (2011) The influence of wildfire extent and severity on streamwater chemistry, sediment and temperature following the Hayman Fire, Colo- rado. Int. J. Wildland Fire. Vol. 20. No. 3. P. 430–442. https://doi.org/10.1071/WF09086

65. Scott D.F., Versfeld D.B., Lesch W. (1998) Erosion and sediment yield in relation to afforestation and fire in the mountains of the western cape province, south Africa. South African Geogr. J. Vol. 80. Iss. 1. P. 52–59. https://doi.org/10.1080/03736245.1998.9713644

66. Sheng M., Fang H. (2014) Research progress in WaTEM/SEDEM model and its application prospect. Progress in geography. Vol. 33. Iss. 1. P. 85–91. https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2014.01.010

67. Smith H.G., Sheridan G.J., Lane P.N. et al. (2011) Wildfire effects on water quality in forest catchments: A review with implications for water supply. J. Hydrol. Vol. 396. Iss. 1-2. P. 170–192. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2010.10.043

68. Tadono T., Ishida H., Oda F. et al. (2014) Precise global DEM generation by ALOS PRISM. ISPRS Annals of the Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Inf. Sci. Vol. II-4. P. 71–76. https://doi.org/10.5194/isprsannals-II-4-71-2014

69. Temnerud J., Bishop K. (2005) Spatial Variation of Stream-water Chemistry in Two Swedish Boreal Catchments: Implications for Environmental Assessment. Environ. Sci. Technol. Vol. 39. Iss. 6. P. 1463–1469. https://doi.org/10.1021/es040045q

70. Van Rompaey A.J.J., Verstraeten G., Van Oost K. et al. (2001) Modelling mean annual sediment yield using a distributed approach. Earth Surf. Processes Landforms. Vol. 26. Iss. 11. P. 1221–1236. https://doi.org/10.1002/esp.275

71. Van Rompaey A., Bazzoffi P., Jones R.J.A. et al. (2005) Modeling sediment yields in Italian catchments. Geomorphology. Vol. 65. Iss. 1-2. P. 157–169. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2004.08.006

72. Verstraeten G., Prosser I.P., Fogarty P. (2007) Predicting the spatial patterns of hillslope sediment delivery to river channels in the Murrumbidgee catchment, Australia. J. Hydrol. Vol. 334. Iss. 3-4. P. 440–454. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2006.10.025

73. Vieira D.C.S., Borrelli P., Jahanianfard D. et al. (2023) Wildfires in Europe: Burned soils require attention. En- viron. Res. Vol. 217. 114936. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.114936

74. Vihma T., Uotila P., Sandven S. et al. (2019) Towards an advanced observation system for the marine Arctic in the framework of the Pan-Eurasian Experiment (PEEX). Atmos. Chem. Phys. Vol. 19. Iss. 3. P. 1941–1970. https://doi.org/10.5194/acp-19-1941-2019

75. Wessel B., Huber M., Wohlfart C. et al. (2018) Accuracy assessment of the global TanDEM–X Digital Elevation Model with GPS data. ISPRS J. of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. 139. P. 171–182. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2018.02.017

76. Wischmeier W.H., Smith D.D. (1978) Predicting rainfall erosion losses: A guide to conservation planning. U.S. Depart- ment of Agricultural HandBook. No. 537. 67 p.

77. Yamazaki D., Ikeshima D., Tawatari R. et al. (2017) A high-accuracy map of global terrain elevations: Accurate Global Terrain Elevation map. Geophys. Res. Lett. Vol. 44. Iss. 11. P. 5844–5853. https://doi.org/10.1002/2017GL072874

78. Zhang X, Drake NA, Wainwright J, Mulligan M. (1999) Comparison of slope estimates from low resolution DEMs: scaling issues and a fractal method for their solution. Earth Surf. Processes Landforms. Vol. 24. Iss. 9. P. 763–779. https://doi.org/10.1002/(SICI)1096- 9837(199908)24:9<763:: AID-ESP9>3.0.CO;2-J

79. Zhao G., Gao P., Tian P. et al. (2020) Assessing sediment connectivity and soil erosion by water in a representative catchment on the Loess Plateau, China. Catena. Vol. 185. 104284. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.104284