Эрозия и выветривание в засушливых и полузасушливых средах: вызовы и адаптации

Засушливая и полузасушливая среда покрывает приблизительно одну треть поверхности Земли. Эти регионы определяются низкими годовыми осадками - обычно ниже 250 мм в засушливых зонах и между 250-500 мм в полузасушливых зонах - в сочетании с высокими скоростями испарения. Взаимодействие между ограниченной влажностью, интенсивной солнечной радиацией и разреженной растительностью создает отчетливый набор процессов выветривания и эрозии, которые формируют драматические ландшафты и представляют уникальные проблемы управления. Понимание того, как эти процессы работают, имеет важное значение для устойчивого землепользования, сельскохозяйственной производительности и борьбы с опустыниванием в некоторых из самых хрупких экосистем мира.

Процессы выветривания в засушливых и полузасушливых средах

В выветривании в засушливых районах преобладают физические (механические) механизмы, хотя химическое и биологическое выветривание также происходит с пониженной скоростью. Крайние колебания температуры между днем и ночью, нехватка воды для химических реакций и распространенность солей — все это способствует режиму выветривания, который заметно отличается от влажных регионов.

Физическая погода

Физическое выветривание является основным фактором разрушения пород в засушливом и полузасушливом климате. Наиболее значительные процессы включают:

Тепловой стресс от колебаний температуры:] Ежедневные колебания температуры могут превышать 30 °C (54 °F) в пустынях, таких как Сахара или Атакама. Скалы расширяются при нагревании в течение дня и сжимаются при охлаждении ночью. Со временем эта повторяющаяся тепловая усталость вызывает развитие и распространение микротрещин, в конечном итоге разрывая породы. Этот процесс наиболее эффективен на темных породах, которые поглощают больше тепла.
Морозоохлаждение:] В более высоких полузасушливых регионах или в зимние месяцы вода может замерзать в трещинах горных пород. Расширение воды при замерзании оказывает огромное давление (до 2000 атмосфер), которое расширяет трещины. Хотя морозоохлаждение чаще встречается во влажных холодных климатах, оно играет роль в горных засушливых зонах, таких как Сьерра-Невада или Анды.
Соль выветривания (Галопластика): Возможно, наиболее характерный процесс выветривания в засушливых районах. Подземные воды или случайные осадки переносят растворенные соли (например, хлорид натрия, сульфат кальция) в поры и трещины породы. Когда вода испаряется, кристаллы соли растут и расширяются, создавая внутренний стресс, который разрушает породу. Это особенно активно в соляных плоскостях, прибрежных пустынях и районах с высоким содержанием минералов. Выветривание соли отвечает за культовые структуры сот, известные как тафони, и за отшелушивание арок песчаника.
Выброс давления (Оболочка): По мере того, как материал перегрузки разрушается, глубоко сидящие породы расширяются и трескаются параллельно поверхности. Это отшелушивание создает куполообразные формы рельефа, подобные тем, которые видны в гранитных образованиях Национального парка Дерево Джошуа.

Химическое выветривание

Химическое выветривание ограничено в засушливых регионах из-за низкой доступности воды, но это происходит, особенно после редких осадков или в микросредах, где влажность сохраняется:

Гидратация и гидролиз:] Когда вода присутствует, минералы, такие как полевой шпат, могут распадаться на глинистые минералы. Это медленно в пустынях, но ускоряется вблизи эфемерных потоков или в туманозависимой прибрежной пустыне, такой как Намибия.
Окисление: Железоносные минералы реагируют с кислородом с образованием оксидов железа (ржавчины), давая многим пустынным породам красноватую или желтоватую патину.Распространенные красные песчаники плато Колорадо являются классическим примером.
Углекислый газ:] Углекислый газ, растворенный в дождевой воде, образует слабую углекислую кислоту, которая медленно растворяет кальцит в известняке. Этот процесс может производить карстовые особенности в засушливом климате, таком как воронки и пещеры пустыни Атакама.
Растворение растворимых минералов: Гипс и другие испаряемые минералы растворяются относительно легко, способствуя образованию пустынных тротуаров и соляных сковородок.

Биологическое выветривание

Организмы играют тонкую, но важную роль в засушливом выветривании. Лишайники и цианобактерии, растущие на поверхности горных пород, производят кислоты, которые выделяют минералы. Корни растений, особенно из засухоустойчивых кустарников, могут вклиниваться в трещины и расширять их. Зарыбленные животные и термиты смешивают и аэрируют почву, увеличивая воздействие выветривающих агентов.

Эрозионные процессы в засушливых и полузасушливых регионах

Эрозия в засушливых районах носит эпизодический характер и часто носит насильственный характер. Поскольку растительный покров является редким, почвенные и горные поверхности непосредственно подвергаются воздействию эрозионных сил ветра и воды. Деятельность человека, такая как чрезмерный выпас скота, обезлесение и плохое орошение, может резко ускорить темпы эрозии.

Эрозия ветра (эоловые процессы)

Ветер является мощным агентом эрозии в засушливых средах, где легко доступны мелкозернистые сухие осадки. Ключевые механизмы включают:

Дефляция: Подъем и удаление рыхлых частиц ветром.Дефляция опускает поверхность суши и создает такие особенности, как выдувающиеся наружу, пустынные тротуары (лаговые гравии) и дефляционные полости.В крайних случаях дефляция может понизить уровень земли на несколько метров за тысячелетия.
Истирание: Ветровые частицы песка и пыли действуют как естественные песчаные брызги. Они абразируют поверхности пород, создавая обтекаемые формы рельефа, называемые ярданами, вентифактами (граненые породы) и бороздками в породе. Истирание наиболее эффективно в пределах нескольких метров от поверхности земли, где концентрации частиц самые высокие.
Сольтационные: Основной способ транспортировки песка, при котором зерна отскакивают вдоль поверхности. Этот процесс отвечает за формирование дюн, в том числе звёздных дюн, барханных дюн в форме полумесяца и линейных дюн, распространённых в пустынях.
Приостановка: Очень мелкие частицы (истильный и глинистый) могут быть подняты высоко в атмосферу и транспортированы на сотни или тысячи километров, как видно из пылевых шлейфов Сахары, которые достигают Амазонки.

Эрозия воды (флувиальные процессы)

Хотя воды мало, когда она падает, как правило, как интенсивные, кратковременные грозы, возникающий сток может вызвать катастрофическую эрозию. Разреженная растительность и часто непроницаемые, коркистые почвы позволяют быстрое сухопутное течение.

Всплеск эрозии:Воздействие капли дождя вытесняет частицы почвы, которые затем легко транспортируются последующим потоком.Даже в пустынях значительна эрозия капли дождя.
Эрозия листа: Тонкие слои воды текут по поверхности, удаляя однородный слой почвы. Часто это первая стадия эрозии воды до того, как разовьются рилы.
Рилл и Гулли Эрозия: Концентрированный поток создаёт небольшие каналы (рилли), которые могут углубиться в овраги в течение одного штормового события.Арройос и вади — классические овраги засушливых земель, несущие эфемерные внезапные наводнения.
Вспышка наводнений: Внезапное высвобождение больших объемов воды после интенсивных осадков может транспортировать огромное количество осадка. Эти высокоэнергетические события меняют русло реки, относят аллювиальные вентиляторы и резные каньоны. Знаменитые вади системы Аравийского полуострова и аррой американского юго-запада являются продуктами таких процессов.

Массовое истощение и гравитационная эрозия

В крутых засушливых местностях важны процессы, управляемые гравитацией.Каменные водопады, оползни и потоки мусора возникают, когда выветривание ослабляет склоны и осадки или сейсмическая активность запускает движение.Сухие обрушения из-за подрезания оснований скалы солевым выветриванием или внезапными наводнениями производят талусовые склоны у основания бюстов и мез.

Отличительные формы рельефа, созданные засушливыми выветриваниями и эрозией

Сочетание выветривания и эрозии в засушливых районах создает некоторые из наиболее визуально поразительных ландшафтов на Земле.

Буттес и Месас: Плоские вершины холмов с крутыми сторонами, образующиеся при стойкой кепке породы, защищают подстилающие более мягкие слои от эрозии.
Арки и Гуду: Арки из песчаника (например, в Национальном парке Арки, штат Юта) создаются путем выветривания соли и заморозки. Гуду — это высокие тонкие шпили скалы, оставшиеся после дифференциальной эрозии.
Ярданы: Обтекаемые, покрытые ветром хребты, напоминающие перевернутые корпуса лодок. Они выровнены с преобладающими ветрами и распространены в гипераридных пустынях, таких как иранский Дашт-и-Лут.
Пустынные тротуары: Поверхности, покрытые плотно прилегающей мозаикой из фрагментов горных пород, образованные при дефляции, устраняют штрафы. Они защищают подстилающую почву от дальнейшей ветровой эрозии.
Плайя-Лейкс и Соленые Площади: Сухие озёрные пласты, где накапливаются испарительные минералы, такие как соляные Площади Бонневилля в Юте.
Песчаные дюны: Накопления песка в форме ветра. Типы дюн варьируются в зависимости от направления ветра и подачи осадочных пород, от изолированных барханных дюн до массивных линейных цепей.

Проблемы, связанные с эрозией и выветриванием в засушливых землях

Эти природные процессы, усиливаемые изменчивостью климата и давлением человека, создают серьезные экологические и социально-экономические проблемы.

Деградация почв и опустынивание

Потеря почвы в результате ветровой и водной эрозии значительно превышает темпы образования почв в засушливых регионах. Удаление богатых питательными веществами верхних слоев почвы снижает производительность сельского хозяйства и может привести к необратимой деградации земель. Опустынивание — распространение пустынных условий в ранее продуктивные районы — ускоряется за счет чрезмерного выпаса, обезлесения и неустойчивого орошения. По оценкам Конвенции Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием (КБОООН) [1] опустынивание угрожает средствам к существованию более одного миллиарда человек во всем мире.

Нехватка воды и риск внезапного наводнения

Те самые штормы, которые обеспечивают живительную воду, также вызывают быструю эрозию, иллюзию водохранилищ и разрушение инфраструктуры.Флешовые наводнения в вади и арроях являются ведущей причиной гибели людей в пустынных районах, связанных с погодой. Кроме того, потеря водоснабжающей способности в деградировавших почвах усугубляет нехватку воды.

Утрата биоразнообразия и фрагментация среды обитания

Эрозия удаляет почву и растительность, которые поддерживают специализированные засушливые виды. Фрагментация среды обитания оврагами и ветровыми районами затрудняет миграцию или поиск ресурсов. Иконические виды, такие как пустынная черепаха в Мохаве и антилопа аддакса в Сахаре, находятся под угрозой потери среды обитания, связанной с эрозией почвы.

Влияние на инфраструктуру и культурное наследие

Эолийская истирание повреждает дороги, здания и солнечные батареи. Солевое выветривание разъедает бетонные и каменные сооружения, угрожая древним памятникам, таким как руины Петры в Иордании и Большой Сфинкс в Египте. Ветровая пыль снижает качество воздуха и видимость.

Стратегии адаптации и смягчения

Управление эрозией и выветриванием в засушливых и полузасушливых средах требует комплексных подходов, сочетающих традиционные знания с современной наукой.Стратегии направлены на стабилизацию почвы, сохранение воды и восстановление растительности.

Вегетативные техники

Восстановление местной растительности: Посадка глубоко укоренившихся, засухоустойчивых видов, таких как кустарник креозота, акация и суккуленты, помогает связать почву с корнями и снизить скорость ветра вблизи земли.
Агролесоводство и пояса укрытия: Линейные посадки деревьев или кустарников (ветровые побеги) перехватывают ветер и ловушки, выдувающие снег или песок. Инициатива Великой зеленой стены через Сахель является крупномасштабным примером использования поясов для борьбы с опустыниванием.

Контурное земледелие и террасирование: На склонах контурная вспашка и каменные террасы снижают скорость стока воды, позволяя больше проникать и захватывать осадок.

Механические и структурные методы

Песчаные заборы и сеттинг: Временные или постоянные барьеры снижают скорость ветра и ловушки мигрирующих песчаных дюн. Они широко используются в пустыне Гоби для защиты железных и автомобильных дорог.

Проверить плотины и габионы: Небольшие плотины, построенные на оврагах, замедляют поток воды и захватывают осадок, постепенно стабилизируя канал.

Подмышечное орошение: Такие методы, как глубокое вспашка с подповерхностным покрытием или размещение больших пород на открытой почве, создают шероховатость, которая уменьшает эрозию ветра.

Стабилизация соли: В некоторых областях добавление гипса или других химических поправок помогает связывать частицы почвы.

Сохранение и управление водными ресурсами

Сбор дождевой воды: Захват стока с холмов или крыш в цистерны или небольшие резервуары обеспечивает воду для орошения и уменьшает эрозионный стоок. Древние методы, такие как qanat системы Ирана по-прежнему функционируют.

Орошение капель и мульчирование: Эффективное орошение уменьшает потери воды и предотвращает засоление почв.Мульчирование камнями или органическим мусором уменьшает испарение и защищает от всплеска дождевой капли.

Управляемый водоносный пополнение:] Направление паводковых вод в проницаемые бассейны пополняет грунтовые воды и снижает пиковые скорости потока.

Планирование и политика землепользования

Контролируемый выпас: Ротационные системы выпаса и ограничение размеров стада предотвращают выпас, который полоскает растительность и уплотняет почву. Программа пастбищ и пастбищ USDA содержит руководящие принципы для устойчивого выпаса в полузасушливых пастбищах.

Установка Запасных территорий: Защита остатков природных экосистем засушливых земель от развития помогает сохранить экологические буферы, которые смягчают эрозию.

Обеспечение соблюдения правил землепользования: Предотвращение обезлесения, неустойчивого сельского хозяйства и разрастания городов в хрупкие засушливые районы.

Адаптация к изменению климата

Климатические модели предсказывают увеличение засушливости и более интенсивные штормовые явления во многих засушливых регионах. Стратегии адаптации включают в себя разработку засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур, совершенствование систем раннего предупреждения о внезапных наводнениях и пыльных бурях и восстановление экосистем для повышения поглощения углерода и удержания воды. В Шестом докладе об оценке МГЭИК подчеркивается, что комплексное управление земельными ресурсами в засушливых районах может обеспечить многочисленные сопутствующие выгоды для адаптации и смягчения последствий.

Заключение

Эрозия и выветривание в засушливых и полузасушливых средах являются мощными естественными процессами, которые формируют некоторые из самых драматических ландшафтов планеты. Однако, когда деятельность человека и изменение климата усиливают эти процессы, они представляют серьезную угрозу для здоровья почв, водных ресурсов, биоразнообразия и средств к существованию. Эффективное управление требует глубокого понимания местной физической среды, тщательного планирования землепользования и принятия различных адаптивных методов - от восстановления местной растительности до инженерных структур сбора воды. Изучая традиционную практику и инвестируя в исследования и мониторинг, сообщества в засушливых районах могут повысить устойчивость и поддерживать производительность этих замечательных, но уязвимых ландшафтов для будущих поколений.