«Н.А. БИТЮКОВ ЭКОЛОГИЯ ГОРНЫХ ЛЕСОВ ПРИЧЕРНОМОРЬЯ Сочи - 2007 УДК630(07):630*58 ББК-20.1 Экология горных лесов Причерноморья: Монография / Н.А.Битюков. Сочи: СИМБиП, ФГУ НИИгорлесэкол. 2007. -292 с., с ил. Автор: Битюков ...»

2.8. Изучение экологии горных лесов на речных водосборах На уровне основных речных систем при изучении экологических функций горных лесов использованы следующие методические особенности. Как известно, достаточно достоверных данных по всем элементам водного баланса для речных систем региона не имеется, поскольку неизвестна ни длительность изменений во времени элементов водного баланса (под влиянием хозяйственных мероприятий), ни распределение их по площади (из-за чрезвычайно сложных взаимодействий факторов среды). Наиболее точными в расчете для речных систем являются величины стока (5%), и значительно менее точны данные об осадках (даже при наличии достаточно густой сети осадкомерных пунктов) вследствие влияния орографии на ливневые осадки и случайности их распределения по площади и во времени).

Речной сток в теории гидрологии рассматривается как эргодический гармонизируемый процесс с годовым циклом. Нарушение эргодичности речного стока в основном вызывается хозяйственной деятельностью человека, в частности - изменением лесной растительности под влиянием рубок, лесовосстановления и т.д.

При изучении водоохранной роли леса следует иметь в виду нарушение эргодичности стока вследствие явления цикличности. Под цикличностью стока понимают календарные группировки многоводных и маловодных лет. При наличии неизменных стокообразующих факторов в речных бассейнах, сток в речных бассейнах является детерминированной функцией. Задача определения водоохранной роли леса, т.е. влияния лесной растительности на формирование речного стока в горных экосистемах, состоит в выделении составляющей этой функции, зависящей только от наличия и состояния лесной растительности.

Методический прием, примененный нами для этой цели, заключается в подборе пары водосборов, один из которых может служить в качестве контроля для исследуемого водосбора с лесохозяйственной деятельностью. Отнесение стока (в любой фазе) исследуемого бассейна к аналогичному по фазе стоку в бассейне-аналоге при удачном подборе аналоговой реки должно исключить влияние сезонной и годовой цикличности стока. Исходными данными для этой цели служили среднемесячные расходы воды, пересчитанные в дальнейшей обработке в суммарные слои стока за различные периоды, а также сведения о максимумах и минимумах годовых и месячных расходов. Аналогичные данные использованы при анализе осадков по метеостанциям и постам региона.

На основных речных системах в целях определения гидрологической роли лесных экосистем, включающих одну или несколько лесорастительных формаций, проводился сбор и анализ материалов по характеристике лесной растительности и режиму стока по данным лесоустройства и опорной сети наблюдений на реках Роскомгидромета [288…290].

Изменение структуры горных лесов на элементарных и речных водосборах в связи с лесохозяйственной деятельностью изучались на основании экспериментальных данных (по материалам закладки постоянных пробных площадей на лесогидрологических стационарах, включающих несколько элементарных водосборов с опытными рубками), а также по материалам лесоустройства отдельных лесохозяйственных предприятий (для речных водосборов основных рек региона).

Для указанных целей подбирали несколько водосборов с длительным периодом наблюдений за стоком воды и твердых наносов, на которых проводилась интенсивная лесохозяйственная деятельность. По данным учета лесного фонда и материалов лесоустройства определяли количественные характеристики состояния и изменения состава, строения и структуры насаждений, находящихся на водосборах (возраст, состав, доля вырубок, процент лесистости, по возможности - динамика лесопользования с учетом различных видов рубок). Указанные характеристики анализировали параллельно с анализом изменений режима речного стока на опорной сети Роскомгидромета, имеющихся на выбранных водосборах.

Период стабилизации водоохранных, водорегулирующих и почвозащитных свойств горных лесов после проведения лесохозяйственных мероприятий (в основном после проведения рубок главного пользования) определялся по материалам стационарных и экспедиционных исследований почвенного покрова на площадях рубок различного возраста, а также по материалам воднобалансовых исследований на лесогидрологических стационарах за длительный период наблюдений (20…30 лет). Анализировалась динамика суммарного стока за разные периоды наблюдений, его грунтовой и склоновой составляющих, минимального стока и максимальных паводков до проведения опытных рубок и после них (на различных стадиях естественного лесовосстановления и формирования нового поколения насаждений на водосборах).

По материалам опорной сети Роскомгидромета [288…290] были подобраны гидрометрических створов на 9 реках региона с площадями водосборов от 14,6 до км2 (бассейны рек Белой, Пшехи и Псекупса - на северном макросклоне региона, и рек Мзымты, Псий, Дюрсо, Шахе, Туапсе и Вулана - на южном макросклоне). Для некоторых гидрометрических постов и станций понадобилось удлинение рядов наблюдений - с целью получения однородных данных, корректных для оценки их статистических характеристик. Для удлинения рядов использованы корреляционные зависимости, как правило, имеющие линейный вид и коэффициенты корреляции от 0,63 до 0,96. Длина рядов наблюдений была увеличена до 57…60 лет. Каждый ряд наблюдений подвергнут статистической обработке для получения статистических характеристик годовых слоев стока. Аналогичная работа проведена и по годовым и сезонным суммам осадков по 11 метеостанциям и постам.

Анализ стока проводили в многолетнем разрезе (для гидрологических лет), при этом сток был переведен в относительные величины (модульные коэффициенты, представляющие отношения годовых значений стока к норме стока). Установлено, что цикличность осадков и речного стока для отдельных частей региона носит общий характер, что облегчает задачу определения периода и размеров изменения стока на водосборе под влиянием изменения состояния лесной растительности.

Проведенными исследованиями установлены региональные закономерности изменения режима стока под влиянием лесохозяйственных мероприятий, из которых основное воздействие оказывают рубки главного и промежуточного пользования. Наиболее обоснованные и надежные выводы получены на целевых лесогидрологических стационарах, где на экспериментальных водосборах имеется возможность проследить во времени динамику стока в процессе лесопользования. Однако, суммарный эффект от влияния лесохозяйственных мероприятий на гидрологический режим основных речных систем имеет значительно более сложные закономерности.

При изучении гидрологической роли горных лесов на уровне крупных речных систем использованы следующие методические подходы. Как известно, достаточно достоверных данных по всем элементам водного баланса для речных систем не имеется, поскольку неизвестна ни длительность изменений во времени элементов водного баланса (под влиянием хозяйственных мероприятий), ни закономерность их распределений по площади (из-за чрезвычайно сложных взаимодействий факторов среды). Наиболее точными в расчете для речных систем являются величины стока, и значительно менее точны данные об осадках (даже при наличии достаточно густой сети осадкомерных пунктов).

Теоретически речной сток можно рассматривать как эргодический гармонизируемый процесс с годовым периодом. Под влиянием хозяйственной деятельности человека (в частности - изменений лесной растительности вследствие проведения рубок, лесовосстановления и т.д.) сказывается через нарушение эргодичности речного стока.

При анализе изменения водоохранной роли леса очень важно изучить вопрос о нарушении эргодичности стока вследствие явления цикличности. Под цикличностью стока понимают календарные группировки многоводных и маловодных лет. При наличии неизменных стокообразующих факторов в бассейне сток в речной системе является детерминированной функцией. Выделить составляющую этой функции, зависящую только от состояния лесной растительности, - в этом и состоит задача определения водоохранной роли леса в горных экосистемах. Методический прием, примененный нами для этой цели, заключается в подборе пары водосборов, один из которых может служить в качестве контроля для водосбора с лесохозяйственной деятельностью.

Анализ региональных гидрологических зависимостей проведен на примере модульных коэффициентов годового и минимального стока и годовых сумм осадков. Установлено, что изменение норм осадков в бассейнах рек определяется высотой местности над уровнем моря и ориентацией хребтов относительно влагонесущих воздушных потоков. Так, по данным 8 метеостанций в бассейне р.Белой увеличение осадков с высотой описывается уравнением:

где Х - норма годовых сумм осадков, в мм; Н - высота станций над ур. м., м.

Для установления периода цикличности годовых характеристик стока произведено выравнивание модульных коэффициентов по методу скользящих средних:

где Ki - модульные коэффициенты первичных рядов, K'i - модульные коэффициенты выровненных рядов.

Установлено, что цикличность осадков и речного стока для отдельных частей региона носит общий характер, что облегчает задачу определения периода и размеров изменения стока на водосборе под влиянием изменения лесной растительности. Средний период короткого цикла определен в 5,7…6,1 года, а длинного - около 16 лет.

Анализ хронологических графиков модульных коэффициентов стока и осадков позволил установить наличие асинхронности хронологических изменений Кi по отношению к контрольным водосборам, что объясняется изменением состояния лесной растительности на бассейне.

Выявлена достаточно достоверная связь модульных коэффициентов стока и осадков на контрольных бассейнах. Например, для бассейна р. Мзымты определена зависимость, которая может быть использована для оценки влияния рубок на сток.:

Анализ минимального (базисного) речного стока в регионе позволил установить, что этот сток, представляет собою глубоководное грунтовое питание, которое определяется как климатическими и геолого-геоморфологическими характеристиками речного бассейна, так и лесорастительными условиями на водосборе. В связи с этим, изменение лесной растительности на водосборе неизбежно влечет за собой (при прочих неизменных условиях) изменение базисного стока - как его величины, так и его доли в общем годовом стоке реки.

Минимальные суточные расходы воды могут быть определены с ошибками, и поэтому давать неверные представления о базисном стоке. Более устойчивой величиной является минимальный годовой сток из средних минимумов за период 30 суток. Базисный сток, определяемый по этой величине, достаточно хорошо коррелирует с базисным стоком, рассчитанным по суточным минимумам (табл. 20).

Таблица 20 - Зависимость минимальных годовых расходов за 30 суток (Qmin ) от минимальных годовых расходов за 1 сутки (Qmin 1 cут) cут Определено 6 гидрологических районов, характеризующихся своими особенностями в условиях формирования стока (геоморфологии, высотах над уровнем моря, климате и др.):

Первый район (верховья реки Кубань до р.Уруп - со средними высотами бассейнов 1500…2800 м. над ур.м.): Мmin = 12,79 - 1,267 * ln F, = 0,58 (47) Второй район (от бассейна реки Малой Лабы до бассейна р. Пшехи включительно с высотами от 500 до 1700 м. над ур.м.): Мmin = - 4,60 + 1,69 * ln F, = 0,53 (48) Третий район (от бассейна реки Пшиш до бассейна р.Адагум - высоты от 150 до Четвертый район (реки Черноморского побережья от р. Дюрсо до р. Туапсе - северозападная часть ЧПК): Мmin = 0,419 + 0,0042 * F, = 0,78 (50) Пятый район (реки от р. Аше до р.Псезуапсе): Мmin =2,20 + 0,0147 * F, = 0,83 (51) Шестой район (реки ЧПК от р. Шахе до р. Мзымты - юго-восточная часть побережья с максимальным в регионе увлажнением): Мmin = 12,4 + 0,0111 * F, = 0,94 (52) В зависимостях (47)…(52): Мmin - минимальный (базисный) сток реки в мм за год с 1 км ; F - площадь водосбора в км2.

В пределах каждой районной зависимости может быть определена связь базисного стока от лесистости водосбора. Однако, ввиду сравнительно небольшой численности групп водосборов с наблюдениями за стоком (не более 12…16) в каждом районе выделить влияние лесистости представляется достаточно сложной задачей.

Выделенные гидрологические районы рекомендуется применять при подборе рек-аналогов, поскольку только для водосборов рек, входящих в один гидрологический район, можно ожидать сходные гидрологические процессы, для которых будут действительны разработанные модели. Для других водосборов необходима корректировка моделей путем внесения поправочных коэффициентов. В пределах каждой районной зависимости существует связь базисного стока от лесистости водосбора.

Таблица 21 - Статистические характеристики максимальных расходов воды за гидрологический год на реках Причерноморья расходов 3,0 5,0 10,0 50,0 90,0% 95,5 97,0% вариации асимметрии Для выявления зависимости коэффициентов стока рек от водности года проведен анализ режимных наблюдений р.Белой у пос. Гузерипль. Данный створ принят по соображениям наименьшего влияния здесь побочных факторов на сток, поскольку этот бассейн находится на территории Кавказского госзаповедника. Экспериментальные данные свидетельствуют о наличии очень слабой корреляции между годовыми коэффициентами стока и модульными коэффициентами:

где А - коэффициенты стока в % от осадков, а Кm - модульные коэффициенты стока, т.е. отношение стока за отдельные годы к норме стока, в долях от 1.

Анализ по гипотезе о влиянии водности года на коэффициент относительного стока К= Р(Киша)/Р(Белая-Гузерипль) показал наличие сравнительно слабой связи величин К от водности года:

Если взять относительную водность года в виде модульных коэффициентов М = Нi /Нo (где Нi - сумма стока за отдельные годы, а Нo - норма годового стока), то получим зависимость: К = 0,764 - 0,188*М, r= - 0,472 (55) Подобный анализ выполнен по годовому стоку пары бассейнов: р. Белойпос.Гузерипль, и р.Шахе-Солох-Аул, т.е. по водосборам, где хозяйственное воздействие на гидрологическую ситуацию было минимальным. Коэффициенты относительного годового стока КБ =Н(Белая-Гузерипль) /Н(Шахе-Солох-Аул) зависят от водности года:

Полученные результаты анализа доказывают существование зависимости коэффициентов относительного стока от водности года.

Влияние рубок леса в речных бассейнах на режим стока Для характеристики водорегулирующей роли горных лесов юго-восточной части Черноморского побережья привлечены материалы многолетних наблюдений на постах Гидрометслужбы.

Водный баланс побережья характеризуется резко ограниченным контуром, внутри которого происходит почти весь процесс круговорота влаги. Осадки, выпадающие в бассейнах рек в виде дождя и снега, частично расходуются на испарение и транспирацию, остальная их часть в виде поверхностных и подземных вод возвращается в море.

Для зоны буково-каштановых лесов репрезентативным является бассейн р. Псий правобережного притока р. Шахе (площадь водосбора - 20,4 км2, длина реки - 9,8 км).

Бассейн р. Псий характеризуется очень четким ограничением в пространстве (при югозападной ориентации). Водораздельная линия бассейна проходит по хребтам с высотами до 695 м, а в верхней части- до 1356 м над ур.м. и выше. Средняя высота бассейна м.

В верхней части бассейна преобладают склоны крутизной более 300 (занимают 35% площади бассейна), в средней и нижней частях - склоны 20…300 (около 40%), 11…200 (около 20%) и до 100 (не более 5%).

Верхняя треть бассейна занята разновозрастными буковыми насаждениями II-го класса бонитета, средняя - преимущественно спелыми каштановыми древостоями II-го класса бонитета, а нижняя - дубравами (бонитет II) и частично буковыми насаждениями (бонитет III). Общая площадь букняков - 44,5%, дубрав - 26,4%, каштанников - 25,5%.

Насаждения характеризуются высокими полнотами и слабо затронуты хозяйственной деятельностью.

Наблюдения за осадками в бассейне р. Псий показывают, что осадки холодного периода обычно превышают осадки теплого сезона в 1,5…2,5 раза, и водность года определяется в основном водностью холодного периода. Колебания как годовых, так и сезонных сумм осадков очень велики. Так, годовая сумма осадков здесь за 22-летний период наблюдений изменялась от 2156 до 3681 мм; из них - в холодный период - от 1241 до 2565 мм, в теплый период – 478…1540 мм. Варьирование стока оказалось большим, чем колебания количества осадков. Максимум стока за год (2485 мм) более чем в 2 раза превышает минимум (1128 мм). Сток холодного периода изменялся от 1966 до 738 мм, т.е.

почти в 3 раза, а теплого периода - от 1097 до 140 мм (почти в 8 раз).

Расчет суммарного испарения как разницы между осадками и стоком имеет приближенный характер даже при условии полного дренирования руслом реки глубоких грунтовых вод, поскольку имеет место бассейновое регулирование стока. Наиболее правильным будет расчет водного баланса для одного или нескольких гидрологических циклов, т.е. периода от одного из самого маловодного года до другого. Для бассейна р.

Псий средний баланс (по формуле осадки = сток + испарение) за гидрологический цикл 1951-65 гг. выглядит следующим образом:

Основную часть в балансе занимает глубоководное грунтовое питание - в сумме со склоновым стоком достигает 66 % для р. Псий. Суммарное испарение составляет здесь около 1/3 баланса.

На р. Псий для отдельных паводков коэффициенты склонового стока (при осадках 100…200 мм) колеблются от 0,03 до 0,61, а во время максимального ливня в июле 1956 г. при слое осадков 384 мм коэффициент стока за поводок достиг 0,90.

Обычно стокообразующими являются ливни более 20 мм.

Водорегулирующая роль леса северо-западной части побережья (дубравная зона) в условиях недостаточного увлажнения могут характеризовать данные по бассейну р. Дюрсо, который расположен в предгорьях крайней северо-западной части региона.

Площадь его 51,9 км2, средняя высота над ур.м. - около 170 м. В геологическом отношении бассейн находится в зоне широкого распространения верхне-меловых известняков и мергелей. Почвы в основном горные коричневые, маломощные, лишь в пойме реки встречаются аллювиальные слитые карбонатные почвы. Бассейн занят преимущественно низкобонитетными (V…Va классы) дубовыми насаждениями VI…VIII-го класса возраста с запасом древесины около 64 м3/га.

Среднее годовое количество осадков составляет 806 мм, что в 3,7 раза меньше, чем в бас. р. Псий. За 20 лет наблюдений наибольшее количество осадков выпало в 1956 г.

(1183 мм), наименьшее - в 1957 г. (528 мм). Годовые максимумы суточных осадков - от 26 до 111 мм.

Водный баланс бассейна р. Дюрсо характеризуется недостатком выпадающих осадков, что накладывает свой отпечаток как на взаимоотношения элементов баланса, так и на их внутригодовой режим. Так, сток проходит в основном в зимнее время; в летнее время он уменьшается в 5 раз, и происходит в основном за счет бассейнового регулирования зимних осадков. Наибольшая величина месячного стока отмечается в январемарте (до 152 мм), наименьшие величины - почти ежегодно регистрируются в сентябреоктябре, иногда в ноябре (0,8…5,5 мм).

В течение гидрологического года весенние влагозапасы в бассейне расходуются почти полностью. Поэтому расчет суммарного испарения для отдельных гидрологических лет будет достаточно точным. По среднемноголетним данным водный баланс реки Дюрсо выражается следующим образом:

Основную долю расхода составляет суммарное испарение. В отдельные годы, когда летом осадков выпадает достаточное количество, испарение только за летний период достигает 582 мм. Коэффициент естественной зарегулированности стока Кf для бассейна реки Псий определен Kf = 0,65; для реки Дюрсо Kf =0,59, а для ЛГС “Аибга” Кf=0,75. Отсюда следует, что девственные буковые насаждения обладают наибольшим водорегулирующим воздействием на сток рек. В процессе хозяйственного освоения лесная растительность претерпевает большие изменения, что влечет за собой изменение условий стока поверхностных и грунтовых вод.

Таким образом, анализ изменений гидрологического режима рек в зависимости от режима лесопользования, показал, что рубки главного и промежуточного пользования оказывают существенное воздействие на режим стока воды и взвешенных наносов горных рек. При этом изменения в режиме речного стока проявляются после вырубки определенной части бассейна реки. Наиболее уязвимой в гидрологическом отношении частью водосбора является область формирования речного стока, т.е. верховья рек. В связи с этим в истоках рек должен быть введен строго ограниченный режим лесопользования.

Вырубка лесов на площади формирования речного стока в бассейнах рек приводит к устойчивому снижению их грунтового питания и увеличению мутности речного стока в 9…26 раз (как следствие активизации эрозионных процессов на площадях рубок).

Следует отметить некоторое запаздывание (до 5 лет) изменений в режиме стока в связи с изменением интенсивности лесопользования, а также наличие сложных закономерностей в изменении стока в течение продолжительного периода.

Можно сделать вывод о предельных размерах водосборов рек, при которых имеется возможность проследить существенные изменения режима стока под влиянием рубок не более 700 км2. Большие по площади бассейны способны нивелировать изменения гидрологического режима. Анализом зависимостей базисного стока р.Псекупс с контрольными бассейнами установлено уменьшение минимального годового стока р. Псекупс в 1,75…1,92 раза (при воздействии рубок) - в сравнении с калибровочным периодом.

В целом, по результатам исследований влияния рубок леса на режим речного стока горных бассейнов можно отметить следующее:

- Анализ изменений гидрологического режима основных рек региона в зависимости от режима лесопользования, показал, что рубки главного и промежуточного пользования оказывают существенное воздействие на режим стока воды и взвешенных наносов горных рек. При этом изменения в режиме речного стока проявляются после вырубки леса в определенной части бассейна реки.

- Наиболее уязвимой в гидрологическом отношении частью водосборов горных рек является область формирования речного стока, т.е. верховья рек. В связи с этим в истоках рек должен быть введен строго ограниченный режим лесопользования.

- В средней и нижних частях водосборов основных рек Северного Кавказа, которые находятся в интенсивном лесохозяйственном обороте, ежегодный объем рубок главного и промежуточного пользования не должен превышать 1,0 % площади водосбора.

Главной причиной эрозии почв на горных склонах является поверхностный сток.

Леса в регулировании поверхностного стока имеют исключительно важное значение, поэтому почвозащитное значение горных лесов тесно связано с их водорегулирующими функциями. Водная эрозия - очень сложный процесс взаимодействия стекающих по поверхности осадков и почвенного покрова, тесно связанной с водностью, гидравлическими характеристиками стока, морфологическими условиями поверхности и свойствами подстилающих пород. На развитие поверхностно-склоновой или плоскостной эрозии большое влияние оказывает рельеф местности (протяженность и форма склона, уклон, форма водосборных бассейнов), характер подстилающей поверхности, почвенный покров и растительность.

Устойчивость почв к водной эрозии определяется, прежде всего, водопрочностью структуры почв, зависящей в свою очередь от содержания и качества состава гумуса, илистых фракций. В связи с эрозией изменяются многие свойства почв - уменьшается мощность почвенного профиля, ухудшаются водно-физические характеристики, снижается содержание биогенных элементов.

Проявление почвозащитных функций лесной растительности можно разделить на две фазы. На первой фазе они проявляются через трансформацию дождевых осадков в связи с явлением перехвата и через снижение кинетической энергии дождевых капель под влиянием надземной массы древостоя. Вторая фаза проявления защитной роли связана с качественным и количественным перераспределением составляющих стока, что обусловлено изменением водовместимости почв и других водно-физических характеристик почв под влиянием леса. Особую роль в защите почвенного покрова выполняет лесная подстилка. Она оказывает огромное влияние на защиту почв от энергетического воздействия ливней, на почвообразовательный процесс и физику почв, увеличивая их водопроницаемость и гидравлическую шероховатость. Тем самым подстилка способствует резкому замедлению скорости поверхностного стока и переводу его во внутрипочвенный, а также предохраняет структуру верхних горизонтов почвы от механического разрушения ливневыми осадками. Важным свойством лесной подстилки является также задержание ею выносимых стоком эродированных частиц почвы. При этом защитные свойства подстилки определяются ее мощностью, плотностью и фракционным составом. Известную роль в защите почв от эрозии выполняют корневые системы как древесно-кустарниковой растительности, так и травяного покрова.

Предотвращение водной эрозии почв на горных склонах имеет двойное значение:

1) сохранение почв обеспечивает продуцирование первичной органической массы, что сопряжено с формированием определенного водного и теплового режима склонов; 2) стабилизация и развитие почвенного покрова на склонах обусловливает минимальную мутность воды в реках и наибольшее значение грунтовой (подземной) составляющей в годовом объеме стока.

Экспериментально установлено, что существует связь мощности почвенного покрова с крутизной склона. Так, для Черноморского побережья Кавказа получены осредненные данные связи мощности бурых лесных почв под буковыми лесами с крутизной:

- почвы маломощные (глубиной до 40 см) - располагаются на склонах крутизной 31- 400;

- почвы среднемощные (глубиной 40-90 см) - на склонах крутизной 21-310;

- почвы мощные (глубиной свыше 90 см) - на склонах крутизной до 200.

Имеющийся опыт экспериментальных работ в ряде стран Европы, Азии, Америки показывает, что потери почвы от эрозии после рубок достигают существенных величин.

Это отрицательно сказывается на водоохранных и водорегулирующих свойствах леса.

Накопление эродированных площадей на водосборах сопровождается увеличением продуктов эрозии, поступающих в реки. В связи с нарушением условий стока, увеличением доли поверхностного стока и снижением инфильтрации возрастают паводки. Быстрый сброс воды в реки склоновым путем ведет не только к снижению дебита пресных и минеральных источников, но также резко увеличивает степень внутрирусловых эрозионных процессов, наносящих ущерб сельскому хозяйству за счет заиления водохранилищ продуктами эрозии. Для правильного учета последствий эрозии и прогноза эрозионных процессов в связи с хозяйственной деятельностью необходимо располагать как количественными, так и качественными характеристиками эрозии в определенных физикогеографических условиях.

- Водно-физические свойства почв Одной из наиболее существенных физических характеристик почв общепризнано считать их объемный вес (плотность). С одной стороны, как отмечают И.Б. Ревут (1962,1972), В.С. Шумаков (1970, 1973) и др., объемным весом почвы (для одинаковых почвенных разностей) определяется водный, воздушный и температурный режимы и, следовательно - биохимические процессы в почве и режим основных элементов питания растений. С другой стороны, гидрологическая роль лесной растительности в значительной мере проявляется благодаря влиянию леса на воднофизические характеристики почв, и прежде всего - на их объемный вес (плотность). Поэтому объемный вес может служить в качестве интегрального показателя водорегулирующих свойств покрытых лесом площадей, отражать их изменения в связи с антропогенными факторами.

На примере почв, сформировавшихся под буковыми и дубовыми лесами СевероЗападного Кавказа, нами изучен объемный вес и другие водно-физические свойства почв в роли количественных показателей водорегулирующих функций растительного покрова.

Для выполнения условий репрезентативности результатов, исследования проводили в наиболее распространенных типах леса и почв: дубравах азалиевых, грабовых и грабинниковых (бурые лесные и перегнойно-карбонатные почвы); букняках разнотравноежевиковых, колхидских (бурые горно-лесные почвы). Изучение состояния поверхности почвенного покрова и отбор образцов почв для лабораторных исследований осуществлялись на временных и постоянных пробных площадях, заложенных в незатронутых и изреженных рубками буковых и дубовых насаждениях.

Величины скорости фильтрации, полученные при стабилизации процесса просачивания воды через почвенный монолит, представляют собой так называемый “условный коэффициент фильтрации” (УКФ). В отличие от интенсивности впитывания воды почвой в естественных условиях, УКФ характеризует скорость движения воды при установившемся режиме только для горизонта почвы, из которого взят образец. В природных же условиях коэффициент фильтрации определяется водопроницаемостью наиболее плотных (и, следовательно, наименее проницаемых) горизонтов в почвенном профиле.

Рассмотрим изменение объемного веса по площади под пологом незатронутых хозяйственной деятельностью насаждений в основных растительных формациях региона букняках и дубравах Причерноморья.

Анализ статистических параметров показывает, что объемный вес поверхности почвы варьирует в небольших пределах - коэффициент вариации составляет 10…14%.

Асимметрия и эксцесс статистических рядов близки к 0, что позволяет отнести статистические распределения объемного веса к нормальным рядам, к которым применимо tраспределение Стьюдента. Статистические ряды объемных весов различаются в основном лишь своими среднеарифметическими. Так, для почв под буковыми древостоями средний объемный вес поверхностного горизонта получен равным 0,92 г/см3, а для дубрав - 1, г/см3, т.е. в 1,3 раза больше.

Поскольку варьирование объемного веса почвы под пологом леса невелико, оказалось возможным построение обобщенных кривых изменения объемного веса с глубиной.

Для буковых лесов корреляционная зависимость объемного веса г/см3 от глубины слоя (h см) имеет следующий вид:

Зависимость (62) оценивается высоким корреляционным отношением = 0, ± 0,04 со средней ошибкой уравнения S=0,08 г/см3.

Для дубрав аналогичная зависимость выглядит следующим образом:

Уравнение (63) оценивается корреляционным отношением = 0,89 ± 0,03 и средней ошибкой уравнения S=0,10 г/см3. Таким образом, средний объемный вес почв с глубиной возрастает по логарифмическому закону. При этом бурые горно-лесные почвы под буковыми лесами по всему метровому профилю имеют плотность примерно на 30% меньше, чем перегнойно-карбонатные и бурые лесные почвы дубовых лесов. Ввиду достаточной тесноты корреляции зависимости (62) и (63) могут быть использованы в качестве расчетных.

Почвы буковых лесов характеризуются тяжелым механическим составом: в верхних горизонтах они легкоглинистые, иловато-пылеватые; в нижних - средне-тяжелоглинистые, пылевато-иловатые. В сравнении с ними лесные почвы дубрав содержат почти в 2 раза больше физического песка, в связи с чем фильтрационные свойства этих почв значительно выше.

Скелетность верхних горизонтов почв под буковыми и дубовыми насаждениями существенно различна. Результаты, приведенные в табл.24, получены отмывкой монолитов, подвергавшихся фильтрованию, с последующей сушкой и взвешиванием фракций крупнее и мельче 3 мм. Как показали исследования, для бурых лесных почв под букняками характерна очень малая каменистость - в среднем 1,4% по объему, в том числе частиц крупнее 3 мм - 0,8%. Растительные включения (в основном корни) составляют в среднем 2,1% по объему, а общий объем твердых включений - 3,5% по объему.

В зоне дубрав каменистость почв колеблется от 4,6 до 16,3% по объему, составляя в среднем 9,3%, в том числе частиц крупнее 3 мм - 6,4%. Растительных включений здесь меньше - около 1%. Таким образом, скелетность почв в дубравах в среднем в 6,6 раза превышает скелетность почв под буковыми насаждениями. Более легкий механический состав почв дубовых лесов и повышенное содержание в них скелета создают условия для увеличения УКФ в 4-8 раз по сравнению с почвам буковых древостоев.

Таблица 22 - Механический состав бурых лесных почв под букняками и дубравами (осредненные величины в %) 1,0… 0,25… 0,50… 0,01… 0,005... менее менее более 40…50 8,2 2,8 19,0 37,2 7,8 25,0 70,0 30,0 -“ - “ Наиболее подробно изучены водно-физические свойства почв на лесогидрологическом стационаре “Аибга”. Почвенный покров здесь представлен бурыми лесными почвами. Почвообразующими породами являются глинистые и мергелистые сланцы, залегающие в виде крупных обломков и глыб различного размера. Сланцы чередуются с прослойками глин. В верхней части участка иногда встречаются известняки, реже - песчаники. Мощность профиля почв изменяется в широких пределах, практически от 0 до 1 м и более. Она определяется как характером почвообразующих пород, так и крутизной склона. На крутых участках и при плотных почвообразующих породах мощность профиля почв имеет минимальные величины, в некоторых местах на дневную поверхность выходят горные породы.

Мощность гумусового горизонта почв участка ЛГС “Аибга” ограничивается 35…39 см. Почвенный профиль характеризуется неясным расчленением на горизонты и постепенным изменением окраски от темно-бурой в верхнем до светло-бурой, буроватожелтой и палевой - в нижних горизонтах. Содержание гумуса колеблется от 4 до 10%, реакция почв слабокислая (рН = 4,5…5,5). Кроме окраски, горизонт В отличается также уплотнением. Основная масса корней бука сосредоточена в верхнем 24…40-см слое.

Почвам стационара свойственен тяжелый механический состав. В верхних горизонтах они в основном легко-глинистые, иловато-пылеватые, в нижних - средне- и тяжелоглинистые, пылевато-иловатые.

Физические свойства почв тесно связаны с их механическим составом. Анализ осредненных данных позволяет отметить следующее. Удельный вес бурых лесных почв изменяется с глубиной незначительно, в пределах 6,3%, при этом в верхних горизонтах он имеет наименьшие значения, а в нижних возрастает до 2,73 г/см3.

Объемный вес (плотность) варьирует в значительно большей степени. В верхних горизонтах он меньше 1. По данным 68 определений величин объемного веса оказалось возможным построить обобщенную кривую изменения объемного веса с глубиной характеризуемого им слоя, которая может быть описана следующим уравнением:

где: - объемный вес, г/см ; h - глубина слоя, см.

Таблица 23 - Некоторые осредненные показатели физических и водных свойств бурых лесных почв под буковыми насаждениями ЛГС “Аибга” Зависимость оценивается корреляционным отношением = 0,871 ± 0,029, что свидетельствует о высокой степени связи между объемным весом слоя почвы и глубиной (В.Г.Вольф,1966).

Данные по объемному весу почв позволяют отметить их высокую структурность и благоприятные водно-воздушные свойства. В особенности это относится к верхнему 20…30 сантиметровому слою. Так, общая порозность горизонта А колеблется в пределах 65…73%; с глубиной она снижается до 51…61%.

Капиллярная влагоемкость также уменьшается от 51 до 48%. Максимальная гигроскопичность в верхней части профиля почв находится в пределах 7…8%. Влажность завядания, определенная биологическим методом (по проросткам кукурузы), изменяется по профилю от 18,1 до 15,9. Для поверхностного слоя этот показатель (W),был определен также по всходам бука (22,2 %) и рассчитан по полуторной максимальной гигроскопичности (10,5%).

По формуле П.И. Андрианова (приведено по Н.Ф.Созыкину, 1965):

где W2 - гигроскопическая влажность, влажность завядания Wз оказалась равной 17,8 %.

Таким образом, данные по водно-физическим свойствам бурых лесных почв свидетельствуют об их исключительно высокой водопроницаемости под естественными буковыми лесами, при этом максимальная водопроницаемость характерна для верхнего 20…40 см слоя почвы. Полевые опыты подтверждают такие закономерности, установленные лабораторными методами, однако график изменения коэффициента фильтрации с глубиной (КФ) в полевых определениях располагается гораздо ближе к вертикальной оси, чем аналогичная кривая УКФ, т.е. фильтрация, определенная в лабораторных условиях, имеет более высокие значения (в 1,3…3,9 раза). Присутствие сравнительно водонепроницаемого слоя, подстилающего поверхностные слои почвы, при большой крутизне склонов создает благоприятные условия для формирования внутри почвенного стока. При этом наиболее активной зоной почв в буковых лесах является верхний деятельный слой 0…40 см.

Оценка гидрологической (водорегулирующей) роли почв определяется не только поверхностным впитыванием, но и емкостью почвенного профиля, способной вместить то или иное количество осадков. По кривой связи УКФ = f () можно установить, что в букняках почва имеет величины УКФ < 0,1 мм/мин при среднем объемном весе 1,3 г/см3, а в дубравах - при = 1,5 г/см3. По осредненной кривой в буковых насаждениях почва достигает объемного веса, равного 1,3 г/см3 на глубинах более 1 м. В дубравах объемный вес почвы, равный 1,5 г/см3, отмечается на глубине 0,4…0,5 м. Следовательно, глубина слоя быстрого впитывания в дубравах оказывается в 3 раза меньше, чем в букняках.

Используя полученные зависимости, определим осредненные параметры воднофизических свойств лесных почв под буковыми и дубовыми насаждениями (табл.26). Полученные расчетным путем по лабораторным данным величины водопоглощения хорошо согласуются с полевыми исследованиями. Так, предельная полевая влагоемкость в 1метровом слое для букняков - 470 мм - совпадает с НВ по многолетним стационарным наблюдениям за влажностью почвы, колебавшейся от 454 до 486 мм и составившей в среднем 470 мм. Для дубрав предельная полевая влагоемкость (390 мм в 1-метровом слое) также почти совпадает с НВ = 385 мм.

Сравнивая общее количество влаги, которую способен вместить слой почвы глубиной 1,0 м в букняках и дубравах, можно отметить, что общая водовместимость почв в букняках на 120 мм выше, чем в дубравах. По свободной гравитационной влаге это превышение составляет 40 мм.

Для оценки водорегулирующей роли лесных площадей практическое значение может иметь водовместимость той части почвенного слоя, которая характеризуется впитыванием, превышающем интенсивность выпадающих осадков. Для буковых лесов общая водовместимость 1-метрового слоя почвы составляет 567 мм, а для дубрав в 50-см слое мм. По величине предельной полевой влагоемкости - соответственно 470 и 209 мм.

Следовательно, свободная гравитационная влага наиболее проницаемой части почвенного профиля в букняках составляет 97 мм, а в дубравах - всего 28 мм, т.е. в 3,5 раза меньше.

Таким образом, несмотря на лучшую водопроницаемость поверхностных горизонтов почв, площади под дубравами региона не могут регулировать склоновым стоком ливни более 30…40 мм, и интенсивностью - более 0,1 мм/мин, в то время как почвы под буковыми насаждениями способны вместить осадков такой же интенсивности в 3 раза больше.

Таблица 24 - Изменение водно-физических свойств бурых лесных почв с глубиной (усредненные данные) ли водновлаги в свойств Удельн.

г/см П р и м е ч а н и е : ОВ - объемный вес (плотность) в г/см3 ; ОП - общая порозность в %; ППВ - предельная полевая влагоемкость в %; КВ - капиллярная влагоемкость в %.

Изучение гидрологической роли почвенного покрова в регионе позволяет сделать следующие выводы:

- Исследования изменений объемного веса (плотности) поверхностных горизонтов почв по площади в буковых и дубовых насаждениях региона показали наличие нормального закона статистических распределений этого показателя.

- Объемный вес почвы хорошо коррелирует с основными водными свойствами лесных почв - водопроницаемостью и водовместимостью и может служить в качестве интегрального показателя водорегулирующих свойств покрытых лесом площадей, отражать их изменение в связи с антропогенными факторами.

- Анализом изменений объемного веса и водно-физических свойств почв установлено, что площади под буковыми лесами обладают более высокими водорегулирующими свойствами и способны регулировать ливни редкой повторяемости; почвы дубрав региона в 3 раза слабее выполняют водорегулирующие функции.

2.10. Вероятностная оценка водорегулирующей роли лесных насаждений Как указывалось выше, речной водосбор представляет собой сочетание различных элементов, для каждого из которых характерны процессы разных масштабов, формирующих сток на склоне. Обычно в прогнозах ранее использовались детерминистические модели, для которых существует однозначная связь входных и выходных данных. Влияние неравномерности стокообразующих факторов на сток в замыкающем створе зависит от площади водосбора. Чем меньше водосбор, тем меньшую роль играют сглаживающие эффекты, и тем большее влияние на сток оказывают мелкомасштабные неоднородности.

С увеличением размеров площади водосбора влияние мелкомасштабных неоднородностей снижается, однако может существенно повыситься роль крупномасштабных неоднородностей, связанных со значительными различиями водно-физических характеристик почвы на больших участках водосбора, с изменчивостью водоподачи и др.

В настоящее время при изучении гидрологической роли леса применяются как модели детерминистических процессов, так и модели вероятностных (или стохастических) процессов, при рассмотрении которых принимается в расчет и вводится понятие вероятности появления переменных, участвующих в формировании стока, и учитывается последовательность появления переменных. Генетическая теория стока устанавливает детерминированные связи между стоком и стокообразующими факторами, однако ввиду сложности этих связей зачастую приходится прибегать к методам вероятностной оценки гидрологических процессов. Так, при анализе зависимостей величин паводков от стокобразующих ливней даже на малых водосборах (по данным ЛГС "Аибга" и "Горский") получены корреляционные отношения не более 0,7…0,8, и чем мощнее почвенный покров, тем менее точными являются эти зависимости. Еще менее точны подобные зависимости для водосборов основной речной сети.

Следовательно, при оценке водорегулирующей роли леса целесообразно использовать вероятностную оценку выполнения данной лесорастительной формацией (насаждением, древостоем) функций регулирования паводков, образующихся под воздействием комплекса факторов. Аналогично тому, как в гидротехнике расчет сооружений ведется на определенный запас прочности, зависящий от вероятности наступления критических моментов (а также от класса сооружения), так и при определении нормативов водорегулирования лесной растительностью в конкретных климатических условиях следует принять норматив вероятности (или обеспеченности) водорегулирующей роли леса. Расчет повторяемости паводка, регулируемого насаждением (1 раз в 100, 50 или 20 лет) необходимо производить на основе опытных данных и социальной значимости защищаемых лесом территорий.

На современном этапе исследований нельзя говорить об идеализации гидрологической роли горных лесов без учета повторяемости критических экологических ситуаций в регионе, иначе полученные в эксперименте данные не будут иметь сравнительной оценки (значения). Общая схема нормирования максимального склонового стока, регулируемого данным насаждением, включает расчет кривых обеспеченности наблюденных значений стока, оценку обеспеченности (повторяемости) стокообразующих ливней, а также нормативов водорегулирования расчетного расхода воды лесонасаждением. При этом возможно использование аналитических функций распределения, обычно применяемых в инженерно-гидрологических расчетах, т.е. биномиального распределения Пирсона III типа и трехпараметрического гамма-распределения Крицкого-Менкеля. Для этих распределений параметрами являются: математическое ожидание (среднее ряда) Хср, среднеквадратическое отклонение или коэффициент изменчивости (вариации) Сv, а также коэффициент асимметрии Сs. В силу ограниченности ряда наблюдений за стоком и осадками на реальных гидростворах и постах особой задачей является оценка смещенности ординат аналитического распределения относительно эмпирических точек, для чего рекомен дуется применять графо-аналитические методы.

Из всех методов оценки параметров кривых распределения (метод моментов, метод наибольшего правдоподобия, графо-аналитические методы), предпочтительнее графический метод как наиболее простой. Эмпирические и аналитические кривые обеспеченности строят на клетчатках вероятностей, известных в гидрологии для выравнивания, а в некоторых случаях - для спрямления интегральных функций распределения. В гидрологических справочниках можно легко найти таблицы координат для распределения Пирсона III типа, а также величин Кр (Сv, Р) для трехпараметрического гамма-распределения Крицкого-Менкеля.

Если продолжить аналогию вероятностной оценки водорегулирования лесной растительностью с гидротехническими сооружениями, следует задаться (или рассчитать) допустимой величиной ежегодной вероятности превышения максимального стока. Так, для гидротехнических сооружений 1-го класса капитальности расчетная ежегодная вероятность превышения принимается 0,01%, для 2-го класса - 0,1%, для 3-го класса - 0,5%, для 4-го класса - 1,0%, а при проектировании временных гидротехнических сооружений (5-й класс) - 10%. Очевидно, для насаждений определенного региона и целевого назначения должна быть разработана своя шкала классности (включая и социальную значимость водорегулирования в данном бассейне, например - защита населенных пунктов от наводнений).

По предлагаемой методике обычным путем по кривой обеспеченности максимальных расходов воды (а также суточных максимумов осадков) устанавливается расчетное значение при нормативной вероятности ежегодного превышения Р. При этом нормируется не только величина обеспеченности ежегодного превышения (Р), но и уровень значимости q (уровень доверительной вероятности), характеризующий уровень гарантии расчета максимального расхода воды, соответствующий классу капитальности сооружения (в нашем случае - лесонасаждения). Доверительные границы при заданном уровне значимости Q зависят от принятого закона распределения и его параметров (Хср, Сv, Сs).

Нормативный расчет максимальных расходов воды конечной целью имеет прогноз экологических последствий как для нетронутых хозяйственной деятельностью древостоев на водосборах, так и при ведении определенных систем хозяйствования. Уменьшение водорегулирования лесной растительностью в связи с рубками и различными технологиями лесозаготовок должно быть оценено количественно для принятия альтернативных решений о проведении лесохозяйственных мероприятий.

ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГИИ ГОРНЫХ ЛЕСОВ

ПРИ ХОЗЯЙСТВЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

3.1. Изменение экологии буковых лесов в связи с рубками леса Динамика запаса древесины буковых древостоев на ЛГС «Аибга»

Как указывалось выше, исследования динамики буковых насаждений на ЛГС “Аибга” проводились в два этапа: 1) организация (1964-1966 гг.) и калибровочные (сравнительные) наблюдения на водосборах, не затронутых хозяйственной деятельностью (1967гг.); 2) опытные рубки и изучение динамики естественных и пройденных различными способами рубок насаждений, водного режима водосборных бассейнов и других характеристик среды после рубок (1974-1999 гг.). При этом на 3-х водосборах ЛГС в течение 1973-74 гг. проведены:

а) на 1-ом водосборе площадью 7,8 га - сплошнолесосечная рубка; технология лесозаготовок - тракторная трелевка хлыстов по горизонтальным волокам-террасам, проложенным через 80-100 м (1974 год);

б) на 2-ом водосборе (11,7 га) - 3 приема 4-приемной котловинной рубки (размер котловин 0,25 га) с использованием тракторных технологий. Сроки проведения очередных приемов котловинной рубки составили 8…12 лет и обусловлены ходом естественного возобновления на освоенных котловинах. На котловинах в рубку назначались деревья диаметром с 28 см.

в) на 3-ем водосборе (5,7 га) проведена добровольно-выборочная рубка с выборкой около 28% запаса; технология лесозаготовок - тракторная трелевка хлыстов по серпантинным волокам.

г) 4-ый водосбор (19,9 га) оставлен в качестве контрольного.

Общая динамика запаса буковых древостоев на постоянных пробных площадях и постоянных пунктах наблюдений приводится в таблице 25.

Таблица 25 – Динамика запаса буковых древостоев на ЛГС «Аибга»

На 1-ом водосборном бассейне отпад за 4 года до опытной рубки составил м *га, или по 6 м3 в год. После сплошнолесосечной рубки с 1973 г. по 2005 г. наблюдается накопление запаса до 282 м3*га-1.

Рисунок 25 – Рост запаса древесины в молодняках бука на сплошной вырубке ЛГС «Аибга» (водосбор №1) На 2-ом водосборе за 9 лет до 1-го приема группово-постепенной котловинной рубки определен текущий прирост, равный 16 м3*га-1(по 1,8м3 в год). После 1-го приема рубки в 1973 г. осталось по 448м3*га-1 и до 1977 г.приросло 4 м3*га-1, а затем отпад превысил прирост к 2005 г. на 67 м3*га-1 или по 2,4 м3*га-1 в год.

На котловинах 1-го приема рубок осталось 13 м3*га-1 молодняковой части древостоев, и к 2005 г. запас древесины достиг 194 м3*га-1 при текущем приросте 5,6 м3*га-1 в год. На котловинах 2-го приема рубки 1982 г. текущий прирост был значительно выше – 11,6 м3*га-1. На котловинах 3-го приема рубки 1994 г. он был еще выше – 12,5 м3*га-1 в год.

Рисунок 26 – Изменение запаса древесины в насаждениях бука на контроле (водосбор №4) и на водосборе (№2) с котловинной рубкой ЛГС «Аибга»

На 3-м водосборе за 9 лет до добровольно-выборочной рубки с интенсивностью выборки по запасу 18 % текущий прирост составил 13 м3*га-1(по 1,4 м3 в год). После рубки запас колебался в пределах 473-452 м3*га-1 и в конечном итоге отпад превысил прирост на 10 м3*га-1(по 0,3м3 в год). На участке этой рубки с интенсивностью 32 % остался запас на делянках в среднем 424 м3*га-1, однако к 2005 г. он снизился до 410 м3*га-1 или отпад превысил прирост на 14 м3*га-1(по 0,4м3 в год).

На 4-ом водосборе (контрольном) водосборе запас древесины, за период с 1963 г.

по 1977 г. варьировал в пределах – 610…670 м3*га-1, к 2005 г. он уменьшился до 519 м3*гаЗа последние 28 лет отпад здесь превысил текущий прирост на134 м3*га-1 или по 4, м3*га-1 в год.

Таким образом, насаждения стационара за период наблюдений перешли в более низкий вариант полноты, и можно предполагать, что в дальнейшем в связи с увеличением доли молодняковой и средневозрастной групп в древостое следует ожидать повышенное накопление запаса и переход насаждений в более высокие варианты полноты.

Процесс естественного возобновления на лесосеках опытных рубок благодаря строгому соблюдению технологической дисциплины при проведении рубок (максимальное сохранение подроста и почвенного покрова без повреждений) с учетом последующего возобновления главных пород протекает в основном удовлетворительно. Лишь на участках с максимальным развитием папоротниково-ежевикового покрова (проективное покрытие свыше 80% при высоте около 1 м) оно затруднено.

На водосборном бассейне со сплошной рубкой осредненная характеристика молодняков оказалась следующей: состав- 4Бк4Кл1Лп1Г+Ил,Ив,Чрш, возраст - 25 лет, диаметр - 7,1 см, высота - 10,6 м, число деревьев - 8563 шт./га, сумма площадей сечения м3 /га, запас - 195 м3 /га, прирост - 7,7 м3 /га, выход деловой древесины - 78%, класс бонитета - I. Общее число деревьев за последние 7 лет на сплошной вырубке 1973 г.

уменьшилось на 0,6 %, но главной породы бука возросло на 21,3 %.

Естественные молодняки на водосборном бассейне с котловинными рубками имеют аналогичные по составу характеристики. Однако, из-за большей продолжительности рубки во времени, их таксационные показатели имеют более низкие значения. В то же время, этот способ рубки обеспечивает лучшую сохранность водоохранно-защитных свойств насаждений. Количество деревьев на котловинах 1973 г. за 8 лет увеличилось на 2,4 % и бука на 10 %, на котловинах 1982 г., соответственно – на 58 и 54 %, на котловинах 1994 г. – более чем в 2 раза. На них прослеживается зависимость увеличения числа стволов от наличия сохранившегося после рубок первоначального и вторичного естественного возобновления.

Таким образом, при наличии достаточного количества предварительного возобновления и соблюдения средосберегающей технологии лесозаготовок на вырубках формируются качественные высокопродуктивные молодняки из сохранившегося предварительного возобновления бука и сопутствующего возобновления других пород. Исходя из необходимости сохранения защитных функций леса, предпочтение должно отдаваться котловинным, и в определенных условиях - добровольно-выборочным рубкам.

Известно, что лесная подстилка имеет важное водоохранно-защитное значение.

Защищая почву от прямого воздействия дождевых капель, подстилка фильтрует поступающие на поверхность осадки и предохраняет поры почвы от кольматажа. Лесная подстилка оказывает огромное влияние на режим влажности почв, увеличивая их водопроницаемость и гидравлическую шероховатость. Тем самым подстилка способствует распылению и замедлению поверхностного стока и переводу его во внутрипочвенный. Подстилка также предохраняет структурные горизонты почвы от механического разрушения дождевыми осадками.

Защитное влияние лесной подстилки находится в прямой связи с её составом, мощностью, характером размещения по площади. В свою очередь, эти элементы определяются комплексом лесорастительных условий, типом лесной растительности и хозяйственной деятельностью.

В отечественной и зарубежной литературе изучению мелиоративной роли лесных подстилок посвящено большое количество работ (Рощин, 1938; Гуссак, 1938; Созыкин, 1939, 1940; Китредж, 1951; Бурыкин, Тарасашвили, 1957; Хуторцов, 1965 и др.). Основным источником накопления подстилки является листовой опад. Обстоятельные исследования динамики поступления опада содержатся в работах Н.П.Ремезова (1961), А.А. Молчанова (1964), П.С. Погребняка (1968) и др. Многолетними исследованиями в дубравах Воронежского заповедника Н.П. Ремезовым показано, что масса листового опада в дубовом лесу не обнаруживает закономерных изменений в зависимости от возраста древостоя.

Гораздо большее влияние оказывают погодные условия разных лет.

Изучение динамики листового опада в разновозрастных буковых насаждениях стационара «Аибга» в калибровочный период показало, что масса листового опада по годам изменяется в сравнительно небольших пределах. Колебания же опада по площади значительно больше (табл. 26).

Таблица 26 – Динамика листового опада в калибровочный период на ЛГС «Аибга»

Годы учета Определение мощности подстилки и характера её размещения позволяет отметить неравномерность размещения подстилки по площади. Мощность её колеблется практически от 0 до 6,5 см при средних значениях на отдельных пробных площадях 1,4…2,6 см.

Масса опада и запасы подстилки в естественных разновозрастных буковых насаждениях зависят от типа леса, высоты над уровнем моря и производительности насаждений.

Лесная подстилка - это также определенная стадия биологического круговорота органических элементов в системе почва-растение-атмосфера. (Шумаков, 1958). В результате процессов разложения и выщелачивания подстилки, вовлеченные в биологический круговорот элементы вновь возвращаются в окружающую среду. Величина и состав опада, накопление и сезонная динамика разложения лесных подстилок играют важную роль в направлении почвообразовательных процессов и формировании условий для возобновления, роста и развития лесной растительности. Материалы, полученные в буковых насаждениях стационара «Аибга» (табл. 27), показывают, что по мере разложения увеличивается зольность подстилки, отмечается энергичное обеднение в первый же год серой, фосфором, калием, полуторными окислами. Менее подвижными оказываются магний и кальций. Определение зольности подстилки в различные сроки вегетационного периода позволяют отметить, что наиболее интенсивное разложение опада в буковых насаждениях имеет место в первую половину вегетационного период. К концу вегетационного периода запасы подстилки сокращаются примерно наполовину.

Таблица 27 - Содержание зольных элементов в подстилке буковых насаждений Основным источником формирования подстилки является листовой опад, масса которого в буковых насаждениях достигает 2,3…7,2 т*га-1 [23].

В дальнейшем изучение массы и мощности подстилки на ЛГС «Аибга» было продолжено как в естественных насаждениях, так и на площадях опытных рубок Рисунок 27 – Динамика массы листового опада на площадях рубок.

Исследованиями установлено, что масса листового опада на лесосеке сплошной рубки, где сформировался высокополнотный молодняк со средними: высотой - 9,5 м и диаметром 6,5 см, достигла значений, сопоставимых с естественными (не затронутыми рубками) насаждениями через 22 года (2,9…4,1 т*га-1).

На водосборе с добровольно-выборочной рубкой с интенсивностью 30% масса листового опада в первые годы сократилась в сравнении с контролем на 27% (3,0…3, т*га-1) и восстановилась до исходного уровня через 15 лет.

Динамика массы листового опада в буковых насаждениях ЛГС «Аибга» на площадях вырубок за период с 1991 по 2003 гг. показана на рисунке 3.

Вместе с изменением массы листвы в буковых древостоях изменяется также и площадь листовой поверхности, т.е. продуцирующая поверхность доминантной растительности в данных лесных экосистемах (рисунок 4). На приведенных рисунках: спл. – сплошнолесосечная рубка, групп-пост. – группово-постепенная котловинная, добр-выб. – добровольно-выборочная с интенсивностью 30 и 16% выборки Рисунок 28 – Динамика площади листовой поверхности на площадях рубок.

За 12 лет наблюдений на ЛГС «Аибга» прослеживается прямая зависимость между массой листового опада и площадью листовой поверхности в буковых древостоях, пройденных различными способами рубок и в естественном насаждении.

Рисунок 29– Связь площади листвы на вырубках ЛГС «Аибга» с суммой осадков за вегетацию Анализ динамики массы и площади листового опада показал, что существуют оптимальные величины увлажнения и тепловых условий развития как взрослых буковых насаждений, так и молодняков. Так, по условиям суммы осадков за вегетацию их величина является оптимальной в размерах 1100-1200 мм, а по температуре – около 14-15ОС.

На рисунке 29 приведены зависимости массы листового опада и его площади в буковых насаждениях от условий увлажнения вегетационного периода (т.е. от суммы осадков за вегетацию) на площадях вырубок (обозначения те же: спл. вырубка – молодняки 29-летнего возраста, грпп-пост – группово-постепенная котловинная рубка с 3-мя приёмами, добрв-выб – добровольно-выборочная рубка.).

На рисунке 30 даны результаты анализа листового опада в зависимости от коэффициента увлажнения, за который принято частное от деления суммы осадков за вегетацию на среднюю за этот период температуру воздуха.

Рисунок 30 – Связь массы листового опада на контрольном водосборе с коэффициентом увлажнения за вегетацию Интересны данные по среднему весу листвы бука на площадях рубок – в молодняках он составляет в весовых единицах 0,48 кг/м2, а в материнских насаждениях – 0,39-0, кг/м2. Среднемноголетние величины массы и площади листвы на площадях рубок приведены в таблице 28.

Таблица 28 - Усредненные за 12-летний период наблюдений показатели листового опада на площадях рубок ЛГС «Аибга»

Площадь листвы, Отношение площади к массе, кг/м Таким образом, анализ одного из важнейших показателей лесных экосистем в буковой зоне – листовой поверхности, являющейся основным инструментом накопления фитомассы древостоя, показал, что как способ рубки, так и условия увлажнения и теплового обеспечения вегетационного периода влияет на динамику этого показателя в многолетнем разрезе. Прослеживается определенная зависимость массы листового опада от способа и интенсивности рубки, а также корневого запаса древостоев. Масса и площадь листовой поверхности древостоя также связаны со способами рубок, возрастом вырубок и особенностями структуры насаждения. Площади листовой поверхности более интенсивно восстанавливаются при добровольно-выборочной рубке, и имеют более продолжительный период восстановления при сплошнолесосечном и котловинном способах рубок.

Мощность подстилки варьирует в пределах: на лесосеке сплошной рубки – 20… мм, на котловинах – 16…31 мм, на делянках добровольно-выборочных рубок с интенсивностью 30% - 22…36 мм и 16% - 27…46 мм, на контроле – 23…36 мм. Масса подстилки, соответственно: 5,9…13,3; 3,3…8,3; 5,9…11,6; 8,1…15,2 и 7,7…12,5 т*га-1.

В заключение рассматриваемого вопроса можно отметить следующее:

- В буковых насаждениях количество листового опада составляет 3,4…4,0 т*га-1 в абсолютно сухом состоянии (при запасе древесины на корню 478 м3*га-1 и средним годовым приростом древесины в пределах 4,5…5,0 м3*га-1 ). На площадях, пройденных рубками, количество листового опада зависит от способа и интенсивности рубок, а также от сложившегося запаса древостоев. На опытных участках этот показатель колеблется в пределах - 1,5…4,1 т*га-1.

- При всех способах рубок и на контроле масса листового опада находится в обратной зависимости от количества атмосферных осадков, выпадающих за вегетационный период (апрель-октябрь месяцы).

- Наличие подстилки, наряду со способами и интенсивностью рубок, зависит от технологии лесосечных работ и базовых механизмов. Она лучше сохраняется на лесосеках, освоенных вертолетами. На делянках, разработанных на базе канатных установок и трелевочных тракторов, мощность подстилки восстанавливается к 15…16 летнему возрасту вырубок.

- Освоение лесосырьевых ресурсов насаждений оказывает существенное влияние на динамику опада и запасы подстилок на площадях рубок. На водосборе со сплошнолесосечным способом рубки, спустя 10 лет масса подстилки достигла 93% от контроля, котловинной - 55%, добровольно-выборочной (30% запаса) - 70%, добровольно-выборочной (16% запаса) - 80%.

Динамика травянисто- кустарничкового покрова в букняках Динамика травяного и кустарничкового покрова изучалась на ЛГС «Аибга» в связи с определением транспирационных расходов влаги на площадях опытных рубок.

Для расчета использованы данные по динамике развития фитомассы травянистокустарничкового покрова, которую учитывали по степени проективного покрытия для основных видов. Фитомассу изучали методом укосов на площадках 0,5 х 0,5 м., расположенных статистически равномерно по вырубке с числом площадок не менее 30.

По результатам изучения живого напочвенного покрова на площадях рубок установлено, что преобладающее распространение (по проективному покрытию) имеют:

ежевика (Rubus caucasicus L.) – 46…60%, трахистемон (Trachistemon orientale) - 29-42%, и папоротники (Polipodiaceae) – 2…17%. Так, на всех водосборах видовой состав травянисто-кустарничкового покрова включает ежевику кавказскую, трахистемон восточный, папоротники, двулепестник и недотрогу, причем значительных изменений в процентном соотношении видового состава после рубок не прослежено. Помимо 3-х основных (ежевики, трахистемона и папоротника), прочие виды составляют не более 5% по проективному покрытию. Многолетняя динамика фитомассы травостоя на площадях рубок приведена на рисунке 31.

Фитомасса травостоя г/кв.м Рисунок 31 - Динамика травостоя на площадях рубок ЛГС «Аибга»

Обозначения: контроль - фитомасса травостоя на контроле в г/м2; спл-лес., котлов. и д.-выбор. - фитомасса травостоя на площадях сплошной, котловинной и добровольно-выборочной рубок в г/м2.

На сплошной и добровольно-выборочной рубке максимум развития травостоя наблюдается на 3-4-й год после рубки (3,0-3,7 т/га), а затем отмечается постепенное уменьшение её запасов, и к 16-летнему возрасту вырубки наблюдается стабилизация этого показателя, т.е. приближение его к контролю. Фитомасса травостоя в абсолютно сухом состоянии под пологом естественных древостоев составила 31…66 г/м2, на участке добровольно-выборочной рубки - 32…48 г/м2, на котловинах 1-2-го приемов рубки – 82…260 г/м2. Промежуточное положение занимает сплошная вырубка 1973 года - 33… г/м2. Кривые накопления фитомассы в течение вегетационного периода имеют максимумы: в окнах котловинной рубки и на сплошной вырубке - в середине вегетации, под пологом леса и на площади добровольно-выборочной рубки - к концу вегетации.

В течение последних 10 лет различия по фитомассе травостоя между молодняками 28-33-летнего возраста и насаждения на площади добровольно-выборочных рубок незначительны. Настораживают большие величины фитомассы травостоя в окнах котловинной рубки – в среднем в 4 раза выше, чем под пологом леса, что повидимому, сказывается на процессах лесовосстановления на этих площадях.

Рисунок 32 – Связь фитомассы травостоя на вырубках и на контроле На рисунке 32 показаны зависимости максимальных за вегетацию величин фитомассы травостоя на площадях опытных рубок от возраста рубок. Установлено, что эти зависимости имеют нелинейный вид, практически параллельны друг другу, имеют максимум в 4-5-летнем возрасте вырубок, и в 17-20-летнем возрасте устойчивую тенденцию к стабилизации. При этом способ рубки оказывает существенное влияние на процесс восстановления развития травяного покрова под пологом леса. Если для площадей рубок сплошнолесосечной и добровольно-выборочной в возрасте 15 лет и старше фитомасса травостоя практически одинакова с контролем, то для группово-постепенной (котловинной) рубки различия в 4 и более раз наблюдаются практически к 30-летнему возрасту.

Рис. 33. Сезонная динамика фитомассы травостоя на площадях рубок ЛГС "Аибга" в долях от контроля (усредненные многолетние данные) Анализ динамики относительных величин фитомассы травостоя (отношение к контролю) показывает, что эти значения изменяются во времени (по годам) по закономерY = a X e -bX При этом максимум кривой накопления фитомассы на сплошных вырубках и в котловинах наблюдается на 5-7-й год после их проведения. Расчет дает следующее соотношение максимумов фитомассы в среднем за все годы наблюдений на площадях сплошнолесосечной, котловинной и добровольно-выборочной рубок в сравнении с контролем: 3,5 : 3,9 : 1,4 : 1. На рис. 33 показаны усредненные за 25-летний период кривые сезонной динамики фитомассы травостоя.

Выводы. При выполнении анализа полученных ранее многолетних материалов мониторинга лесных экосистем получены математические (аналитические и графические) зависимости, характеризующие динамику отдельных элементов экологических систем на площадях опытных рубок. Так, в буковых насаждениях при анализе динамики индексов изменения склонового стока на водосборах с опытными рубками установлено, что к 26летнему сроку наблюдений после проведения сплошных и котловинных рубок имеется некоторая тенденция уменьшения склонового стока до значений, близких к 1,0.

Анализ одного из важнейших показателей лесных экосистем – листовой поверхности, являющейся основным инструментом накопления фитомассы древостоя, показал, что как способ рубки, так и условия увлажнения и теплового обеспечения вегетационного периода влияет на динамику этого показателя в многолетнем разрезе.

Полученные по результатам 30-летних исследований зависимости максимальных за вегетацию величин фитомассы травостоя на площадях опытных рубок от возраста рубок имеют нелинейный вид, практически параллельны друг другу, имеют максимум в 4летнем возрасте вырубок, и устойчивую тенденцию к стабилизации - в 17-20-летнем возрасте. При этом способ рубки оказывает существенное влияние на процесс восстановления развития травяного покрова под пологом леса. Если для площадей рубок сплошнолесосечной и добровольно-выборочной в возрасте 15 лет и старше фитомасса травостоя практически одинакова с контролем, то для группово-постепенной (котловинной) рубки различия в 4 и более раз наблюдаются практически к 30-летнему возрасту. Таким образом, масса травянистой растительности в буковых насаждениях зависит от способа и интенсивности рубок главного пользования. Она по всем способам опытных рубок и на контроле возрастает в первую половину вегетационного периода. С увеличением возраста древостоев, запаса, полноты и числа деревьев, на площадях рубок происходит снижение фитомассы до первоначального количества.

Влияние рубок леса на динамику снежного покрова в букняках Высота снежного покрова и запасы воды в снеге обусловлены температурным режимом и солнечной радиацией в лесу и на вырубках. Более интенсивное уплотнение свежевыпавшего снега в лесу происходит как за счет более высокой температуры снегового покрова, прогреваемого стволами деревьев, так и из-за осыпания снега, задержанного кронами деревьев.

Параллельными снегосъемками на вырубке и под пологом нетронутых насаждений установлено, что динамика накопления снегозапасов и их расходования значительно различается. Зависимость между средними высотами снежного покрова на вырубке и под пологом леса по данным маршрутных съемок выглядит следующим образом:

где hл - высота снега в лесу, см; hв - высота снега на вырубке, см; r - коэффициент корреляции.

В среднем на вырубке снежный покров выше, чем под пологом леса, в 1,3…1,8 раза. На рис. 34 и 35 показано сравнение высоты и плотности снега на вырубке и в лесу.

Плотность свежевыпавшего снега (при величинах около 0,2 г/см3) в лесу на 25 % больше, чем на вырубке. С увеличением плотности до 0,5 г/см3 разница эта практически исчезает:

Рис. 34. Связь средней высоты снежного покрова в лесу и на сплошной вырубке (по Более интенсивное уплотнение свежевыпавшего снега в лесу происходит как за счет более высокой температуры снежного покрова под пологом леса, так и за счет опадения снега из крон деревьев при снегопадах. В начале снеготаяния запасы воды в снеге на вырубках (Sв) незначительно отличаются от запасов под пологом леса (Sл):

При интенсивном снеготаянии во второй половине зимы разница во влагозапасах значительно больше (в 1,8…2,0 раза):

В молодняках даже 10-летнего возраста различия в режиме снеготаяния на вырубках и в лесу сглаживаются. Наиболее длительным прослеживается процесс схода снега в окнах котловинной рубки. В связи с особенностями теплового режима снежного покрова в лесу, а также перехвата части твердых осадков кронами деревьев, на вырубке и в котловинах снег имеет большую высоту и меньшую плотность, чем под пологом леса. Указанные особенности снегонакопления существенно влияют на запасы воды, аккумулируемые снежным покровом на вырубке и под пологом леса.

Рис. 35. Связь средней плотности снежного покрова в лесу и на сплошной вырубке (по данным ЛГС “Аибга” Так, в начале снегонакопления (для свежевыпавшего снега) разница в запасах воды невелика - на 10-20% выше на вырубке, чем в лесу:

Здесь: Wл - запас воды в снеге в лесу в мм, а Wв - запас воды в снежном покрове на сплошной вырубке, мм.

Со второй половины зимы, когда наблюдается интенсивное снеготаяние (после максимума накопления запасов воды в снеге), разница между вырубкой и лесом значительно больше:

В начале снеготаяния запасы воды в снеге на вырубке в 1,4 раза, а к концу снеготаяния - в 1,8…2,0 раза больше, чем в лесу. В лесу снег сходит на 5…8 дней раньше, чем на вырубках. В окнах котловинной рубки связь влагозапасов в снежном покрове с контрольным лесным участком характеризуется зависимостью:

В среднем запасы воды в снежном покрове в окнах котловинной рубки на 5% выше, чем на вырубке.

По результатам приведенных данных, в условиях Причерноморья под пологом леса снег тает более равномерно. Интенсивность снеготаяния здесь в начале весны в лесу выше, чем на вырубках, а к концу разрушения снегового покрова - ниже почти в 2 раза. Расчеты показывают, что при больших снегозапасах весеннее снеготаяние на вырубках и в котловинах может давать до 30 мм осадков ежесуточно в течение 20 дней и более. Такое интенсивное и продолжительное поступление воды в речную сеть создает условия для формирования половодной волны и бурного развития эрозионных процессов в бассейнах рек. При накладке на половодную волну дождевых паводков образуются катастрофические наводнения, приносящие исключительный вред хозяйству региона.

По наблюдениям за снежным покровом в последние годы (например, в зимы 1989гг.) максимумы высоты снега отмечены: в молодняках 18-летнего возраста - 99 см; в окнах котловинной рубки - 91 см; на площади добровольно-выборочной рубки - 70 см; на контроле - 71 см (при запасе воды в снеге соответственно 210, 201, 154 и 153 мм).

Использование снежного покрова как регулятора стока горных рек, представляет важную задачу с точки зрения установления оптимального водного режима региона. В свете этого особое значение приобретает положительное влияние лесной растительности на процессы снегонакопления и снеготаяния. Регулирующая роль леса в отношении зимних осадков эффективно сказывается также на качестве речного стока. Благодаря влиянию леса в холодное время года более равномерно пополняются запасы грунтовых вод на водосборах, а также уменьшается весенняя паводочная волна.

Режим испарения с почвы определяется поступлением солнечной радиации на поверхность почвы и ее увлажненностью. Интенсивность испарения с почвы на вырубке значительно превышает испарение в нетронутом лесу: в 2,4 раза - весной, и в 3…6 раз летом. После изреживания древостоев в результате выборочной рубки (с выборкой около 40 % по запасу) интенсивность испарения увеличивается в условиях одинаковой экспозиции в 1,5…3,5 раза по сравнению с нетронутым лесом. Разница в интенсивности испарения под пологом леса и на вырубках тем больше, чем выше приток прямой солнечной радиации. В отдельные солнечные дни испарение на открытом месте в 8,8 раза превышает испарение под кронами.

Средние величины испарения с почвы за 15-летний период наблюдений составляют 290 мм на вырубке и 116 мм в лесу, т.е. испарение на вырубке в 2,0…2,5 раза больше, чем в лесу. В последнее пятилетие испарение в лесу и на вырубках несколько повысилось (325 мм на вырубке и 161 в лесу), хотя соотношение интенсивности испарения осталось прежним. Вычитанием из величин суммарного испарения месячных сумм испарения с поверхности почвы и транспирации травянистой растительностью получены значения транспирации сомкнутым буковым древостоем: в среднем за период 1965 -1979 гг. мм, за последнее пятилетие - 334 мм.

Влияние рубок на транспирация травянисто-кустарничковы м покровом Транспирацию травянисто-кустарничковым покровом изучали на водосборах ЛГС “ Аибга” на вырубках и под пологом не тронутого рубкой леса. Методика определения транспирационных расходов влаги состояла в следующем: растение выкапывали с комом земли и корневой системой, помещали в полиэтиленовый пакет, который плотно завязывали у коней шейки. В таком виде растение взвешивали и выставляли для экспонирования на место, откуда оно было выкопано; после 3-4 часовой экспозиции его также взвешивали.

В отработанных образцах растение срезали, взвешивали и отбирали средние образцы для определения влажности травостоя. Одновременно с измерениями интенсивности транспирации измеряли температуру и влажность воздуха, температуру почвы, скорость ветра и освещенность.

Установлено, что транспирация зависит от вида растений, влагообеспеченности, а также от факторов погоды (температуры и влажности воздуха, скорости ветра, приходящей солнечной радиации и др.). Транспирационные расходы определяли для трех основных для букняков видов травянисто-кустарничковой растительности: ежевики, трахистемона и папоротника. Остальные виды (которых наблюдается не более 5%) условно отнесены к ближайшим сходным по строению. За весь период исследований для каждого вида травостоя были получены ряды наблюдений с числом членов от 120 до 150. Каждый из членов рядов представлял собой осредненное значение интенсивности транспирации из пяти наблюдений. По этим данным определены уравнения множественной регрессии:

где х1 - температура воздуха на высоте 2 м, С; х2 - дефицит влажности воздуха, гПа; х3 - скорость ветра на высоте 2 м, м/с; х4 - освещенность, тыс. лк; у - интенсивность транспирации травостоем, г/(кг • мин).

Теснота связи оценивается коэффициентами множественной корреляции: для уравнения (74) - R = 0,73 ± 0,04 ; для уравнения (75) -R= 0,67 ± 0,05 ; для уравнения (76) - R= 0,61 ± 0,06.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что для растений с большой листовой пластинкой на интенсивность транспирации наибольшее влияние оказывают освещенность и скорость ветра (так, для трахистемона частные коэффициенты корреляции равны соответственно 0,62 и 0,51). Для растений со сложной листовой поверхностью наибольшее влияние оказывает температура воздуха (так, для папоротника частный коэффициент корреляции равен 0,53). В среднем интенсивность транспирации для различных видов травянистых растений различна при примерно одинаковых условиях. Поэтому объединить по интенсивности транспирации можно лишь два вида - ежевику и папоротник.

Аналогичные значения для трахистемона в среднем в 2 раза выше. Отмечено очень большое варьирование интенсивности транспирации: коэффициенты вариации для всех рядов наблюдений достигают 0,54 - 0,80.

Уравнения множественной корреляции (74)…(76) для практических расчетов неприменимы из-за отсутствия регулярных наблюдений за освещенностью и скоростью ветра. Графический и аналитический анализ позволил установить зависимости интенсивности транспирации It, осредненной за светлую часть суток, от средней температуры воздуха t, для трахистемона и ежевики с папоротником. Аналитические выражения зависимостей для трахистемона и ежевики с папоротником имеют вид:

Для определения суммарных за вегетационный период величин транспирации использованы кривые динамики накопления фитомассы травостоя. Учитывая различную долю участия отдельных видов в общей массе, было принято их разделение аналогично процентному покрытию по площади: на сплошной вырубке покрытие ежевики и папоротника - 71 %, трахистемона - 29%; в окне котловинной рубки - соответственно 63 и 37%; на площади добровольно-выборочной рубки - 58 и 42%; под пологом нетронутого рубкой леса - 59 и 41 %. В табл. 29 приведены результаты расчета транспирации всем травостоем на площадях рубок за 1974-1982 гг.

Таблица 29 -Транспирация травостоем за вегетационный период на площадях опытных рубок в букняках ЛГС “Аибга” Сумма транспирации за вегетацию на площадях рубок, мм Год Сплошнолесо- Окно котловин- Добровольно- Контроль (под По полученным данным, транспирация травостоем под пологом нетронутого рубкой леса в среднем составляет 103 мм за вегетационный период, т.е. почти одинакова с величиной испарения с поверхности почвы в лесу. При добровольно-выборочной рубке травостой испаряет влаги в 1,4 раза больше, чем под пологом леса, и в 2,4 раза меньше, чем на сплошной рубке. Наибольшая за сезон суммарная транспирация травостоем наблюдается на площади сплошнолесосечной рубки и в окне котловинной рубки - в среднем 357 и 399 мм, что превышает транспирацию травостоем под пологом леса соответственно в 3,4 и 3,9 раза.

Для сравнения отметим, что транспирация нетронутым рубкой высокополнотным буковым древостоем за указанный период наблюдений колебалась от 280 до 495 мм, а в среднем составила 410 мм, что всего на 13% выше средней величины транспирации на площади сплошнолесосечной рубки и почти равна транспирации травостоем в окне котловинной рубки.

Варьирование сезонных сумм транспирации зависит от погодных условий вегетационного периода (в особенности в первые 2 месяца) и достигает ± 30…40% от среднего значения. Наибольшее влияние при этом оказывает режим температуры воздуха.

Таким образом, зарастание травостоем сплошных вырубок в условиях буковых лесов Северо-Западного Кавказа происходит весьма интенсивно, и по расходованию влаги на транспирацию травянисто-кустарничковый покров уже на 3-ий год после рубки способен заменить материнское высокополнотное насаждение. Также интенсивно зарастают и транспирируют окна котловинных рубок. На площадях добровольно-выборочных рубок накопление фитомассы травостоя происходит сравнительно медленно и лимитируется величиной светового довольствия под пологом оставшегося после рубки древостоя.

Согласно расчетам, абсолютные значения транспирации травостоя в лесу и на вырубках в среднем составили: в лесу - 91 мм за вегетацию, при добровольно-выборочной рубке - 148, в окне котловинной рубки - 306, на сплошной вырубке - 270 мм. Отмечается уменьшение среднемноголетних величин транспирации за период 1980-1984 гг. в сравнении с первым пятилетием после рубок (1974-1979 гг.): на сплошной вырубке и в окне котловинной рубки - в 1,4 раза, при добровольно-выборочной рубке и в лесу - в 1,1 раза. По мере развития молодняков на вырубках наблюдается уменьшение фитомассы травостоя и соответственно - количества испаряемой травяным покровом влаги.

Анализ физических свойств почв показал, что в буковых насаждениях кривые изменения объемной плотности почвы с глубиной по профилю на сплошной вырубке и в лесу характеризуются наиболее резкими различиями в верхнем 40-сантиметровом слое:

плавное увеличение плотности до 1,1 г/см3 в лесу и резкое увеличение до 1,3 г/см3 на вырубке. Поверхностный 10-сантиметровый слой почвы в 11-летнем молодняке отличается даже лучшими физическими свойствами, чем на контрольном участке (плотность соответственно 0,65 и 0,95 г/см3), что связано с мощным развитием поверхностной корневой системы бука в молодняках.

В связи с этим, влагозапасы на сплошной вырубке в 1,1…1,2 раза больше, чем в лесу. Количество гравитационной влаги в 1-метровом слое почвы контрольного участка составляет около 100 мм. На сплошной вырубке наименьшая влагоемкость (НВ) значительно выше, поэтому гравитационной влаги здесь почти в 4 раза меньше, чем в лесу.

Динамика влагозапасов в метровом слое почвы на водосборе с 17-летними молодняками колебалась в течение гидрологического года в пределах: от 535…606 мм в марте апреле до 392 мм - в середине вегетационного периода. На контрольном 4-ом водосборе эти величины были равны соответственно 408…459 мм и 361 мм.

Влияние рубок на изменение водоохранной роли буковых насаждений - Суммарный сток. При анализе влияния способов рубок на суммарный сток следует иметь в виду, что сток с горных склонов является интегральным показателем изменений гидрологической обстановки на водосборах. По характеру изменения режима стока можно судить об изменениях мощности и водно-физических свойств почвенного покрова, состояния растительности и т.д. Поскольку при применении любого способа рубки и любой технологии лесозаготовок почвенному покрову и древостою наносится более или менее значительный ущерб, режим стока на таких водосборах должен обязательно изменяться.

Влияние рубок на сток анализировали с применением графиков связи месячных сумм стока контрольного водосбора и каждого из опытных бассейнов. Основой для сравнения служили графики связи, полученные в годы калибровочного периода, когда никаких хозяйственных мероприятий на водосборах не проводили.

Последующий анализ выявил не только количественные изменения стока в связи с рубками, но и время наступления таких изменений (с точностью до 1 мес). В результате определились три периода: калибровочный (1966-1973 гг.) и два периода после проведения рубок (1974-1979 гг. и 1980-2005 гг.).

Сопоставляя величины средних слоев стока до рубки и за каждый из двух периодов после рубки, можно отметить, что на водосборе со сплошнолесосечной рубкой суммарный сток увеличился (в 2,4 раза) только на 6-11-й год после рубки.

На 2-ом водосборе с четырехприемной котловинной рубкой (первый прием - котловин на 2,0 га в 1973-1974 гг., второй прием - 8 котловин на 2,6 га в 1981-1982 гг.), в среднем суммарный сток увеличился сразу после рубки в 1,35 раза и возрос в 1,92 раза на 6-11-й год после рубки.

На 3-ем водосборе (с добровольно-выборочной рубкой) суммарный сток за месяц связан с контрольным 4-ым водосбором уравнениями увеличения суммарного стока практически не наблюдалось. При Н4> 200 мм разница в стоке до и после рубки существенна - в 1,5 раза.

Поскольку из-за влияния площади водосбора генезис стока на опытных бассейнах различен (различна доля подземного питания ручьев), имеет смысл провести анализ суммарного сезонного стока каждого водосбора по периодам с помощью сравнительных коэффициентов. Анализ сравнительного изменения стока за период после рубок по отношению к контрольному водосбору показал, что в первый пятилетний период после опытных рубок наблюдалось увеличение стока на всех водосборах: в 1,3 раза - на сплошной вырубке, в 1,5 - на котловинной, в 1,06 раза - на добровольно-выборочной.

В следующий пятилетний период увеличение стока составило: на сплошной вырубке - в 2,8 раза, на площади котловинной рубки - в 1,7 раза. На водосборе с добровольно-выборочной рубкой сток стабилизировался.

- И з м е н е н и е в о д н о г о б а л а н с а с к л о н о в. По результатам измерений и расчетов элементов водного баланса в табл.30 и 31 приведен баланс влаги водосборов с опытными рубками в осреднении за 7 периодов: до рубки (1966-1973 гг.), после рубки (1974-1979 гг.), спустя 5 лет после рубок (1980-1984 гг.), 10, 15, 20, 25 и 30 лет.

Разбивка на периоды после рубок на несколько пятилеток обоснована сроком наиболее резких изменений элементов водного баланса во времени. Грунтовый сток на водосборах получен выделением из общего стока склоновой составляющей анализом гидрографов стока. Перехват осадков пологом леса в зимнее время и испарение со снежного покрова не определяли из-за методических сложностей.

Инфильтрационная часть баланса определена как остаточный член, поэтому включает и ошибки определения каждого элемента баланса. Контролем при этом служил водный баланс четвертого водосбора, где водоток дренирует почти весь сток (как и на основных реках региона). Для отдельных водосборов стационара коэффициент дренирования подземных вод до рубки изменялся от К=0,0 (для 1-го и 3-го водосборов) до К=0,067 (для 2-го водосбора) и К=0,823 (для 4-го водосбора). Изменение элементов водного баланса на водосборах наблюдаются по периодам лет и по годам независимо от хозяйственной деятельности. Это можно проследить по водному балансу контрольного водосбора, где в более многоводные годы (при сумме осадков 2600…2700 мм) общий сток возрастает до 0,61…0,72 (61…72% от осадков), и уменьшается (до 0,3 %) доля инфильтрации ниже уровня дренирования стока ложем ручья. При этом увеличиваются как склоновая, так и подземная составляющая стока. Инфильтрация за теплый сезон зачастую бывает отрицательной, что свидетельствует о большем расходе влаги в течение вегетационного периода, чем ее поступает на водосбор. Суммарное испарение, достигающее 25,0…26,5% от годовых осадков, зависит в основном от радиационного и теплового балансов вегетационного периода года.

В результате сплошной рубки на первом водосборе несколько возросло (на 10… % за теплый сезон) суммарное испарение: от 26 до рубки до 28 % после рубки, в 3,4 раза увеличился сток (с 4,4 до 15 %) и уменьшилась инфильтрация (от 68 до 58 % после рубки).

При этом происходило перераспределение составляющих суммарного испарения - взамен отсутствующих транспирации древостоем и перехвата осадков пологом леса на вырубке резко возросли испарения с почвы и транспирация травяным покровом. По мере формирования молодняков на вырубке происходит выравнивание всех составляющих суммарного испарения. Общая величина суммарного испарения в условиях переувлажненной зоны зависит от поступления солнечной радиации и адвективного тепла.

На втором водосборе (с котловинной рубкой) суммарное испарение в годовом водном балансе изменяется незначительно (в пределах 24…26 %). возрастает сток (как склоновый, так и подземный) - до 25 против 12 % до рубки, уменьшается инфильтрация до 48 против 62 % до рубки (табл.30).

На третьем водосборе изменения водного баланса имели место только в первые лет после рубки, что выражалось уменьшением суммарного испарения и увеличением инфильтрации (табл. 30).

Таблица 30 - Средние за периоды значения статей водного баланса в букняках на водосборах сплошнолесосечной и котловинной рубок (ЛГС «Аибга») Периоды, годы 1-ый водосбор (сплошнолесосечная рубка 1973 г.) 2-ой водосбор (котловинная рубка: 1-й прием 1974 г., 2-й-1982 г., 3-й-1994 г.

Обозначения к таблицам 30 и 31 :

Xо- осадки на открытом месте; W1м - изменение влагозапасов в 1-метровом слое почвы; Рл- перехват осадков пологом леса; Z - испарение с поверхности почвы; Тд транспирация древостоем; Тт - транспирация травяным покровом; Y -сток; J - инфильтрация.

Анализ изменений водного баланса методом сравнительных коэффициентов до и после рубки (аналогично анализу суммарного стока) дает следующие результаты. На первом водосборе суммарное испарение уменьшилось в первую пятилетку после рубок на 15, во вторую - на 25%; сток возрос соответственно в 1.25 и 2,8 раза. На втором водосборе суммарное испарение уменьшилось на 12…15%, сток в первую пятилетку возрос в 1,5 и во вторую - в 1,7…1,9 раза. На третьем водосборе уменьшение испарения составило 13…16%,увеличение стока в первый период в 1,1 раза и уменьшение его на 13% -во второй период.

Таким образом, при анализе изменений элементов водного баланса на площадях рубок в буковых насаждениях отмечается, что на сплошной вырубке 33-летнего возраста значительно снизились транспирационные расходы влаги травостоем, инфильтрация возросла на 15…20%. На водосборах с котловинной и добровольно-выборочной рубками наблюдается тенденция к стабилизации элементов водного баланса в сравнении с контрольным водосбором.

Анализ приведенных данных свидетельствует, что в буковых насаждениях элементы водного баланса определяются как динамикой изменения лесной растительности после рубок, так и величиной площади водосбора, с чем связана глубина вреза русла, и как следствие - степень дренирования глубоких подземных вод.

Так, величины годового стока для 4-х водосборов колебались от 93 до 1744 мм, что составляет 3,8 … 68,9 % от годовых сумм осадков. Испарение изменялось от 14,4 до 16, %; наибольшим изменениям подвержены величины инфильтрации в подстилающие почву породы - от 13,6 до 77,6 %. Это доказывает, что в формировании суммарного стока на водотоках ЛГС “Аибга” принимает участие как склоновый сток, так и глубоководное грунтовое питание. При этом для отдельных ручьёв коэффициент дренирования подземных вод равен: для 1-го и 3-го - k1= 0,0, для 2-го ручья k1 = 0,067, и для 4-го k1= 0,823. Осредненная кривая изменения коэффициентов годового суммарного стока с увеличением площади водосбора аппроксимируется в пределах 0…20 га экспонентой:

где: - коэффициент годового стока в %; F – площадь водосбора в га.

С дальнейшим увеличением площади бассейна для водосборов более 20 га рост замедляется, и экспонента (79) заменяется S-образной кривой (для F =0…30 га):

Рисунок 36 – Средний водный баланс водосборов с опытными рубками и контрольного на ЛГС «Аибга» за период наблюдений 1999-2005 гг.

По опубликованным О.В. Чубатым данным мы проанализировали изменения водного баланса малых водосборов в буковых лесах Карпат [357…360] в связи с рубками главного пользования на горных склонах стационара “Свалява”. Наш анализ дал следующие результаты для трех водосборов площадью 3,9, 6,7 и 7,3 га, насаждения которых представлены древостоями одинакового возраста, и где О.В. Чубатый проводил наблюдения за осадками и стоком в течение 22 лет (первые 5 лет - калибровочный период). В результате сплошнолесосечной рубки на водосборе 3,9 га увеличение стока, т.е. отношение стока наблюдаемого к рассчитанному по графику приведения, составило 1,56 раза в первый же год после сведения леса, оставаясь на том же уровне (увеличение в среднем в 1, раза) в течение 10 лет после рубки. В последующие 7 лет, когда на водосборе сформировались молодняки, сток здесь уменьшился на 16% (в сравнении с калибровочным периодом). На водосборе площадью 6,7 га, где была проведена двухприемная семеннолесосечная рубка с осуществлением второго приема спустя 8 лет после первого, сразу же после разреживания древостоя сток возрос в 1,76 раза, а в среднем за первые 8 лет после первого приема - в 1,55 раза. После второго приема увеличение стока составило 2,4 раза, и затем наблюдалось постепенное его уменьшение, хотя в целом сток на 20% превосходил уровень калибровочного периода. Следовательно, трансформация элементов водного баланса после лесохозяйственных мероприятий имеет региональные особенности.

Таблица 31 - Средние за периоды значения статей водного баланса в букняках на водосборе с добровольно-выборочной рубкой и на контрольном (ЛГС «Аибга») Третий водосбор (добровольно -выборочная рубка 1974г.) Четвертый водосбор (контрольный, без рубки) Таким образом, по многолетним исследованиям в буковых лесах на стационаре “Аибга” установлено, что проведение рубок главного пользования на водосборах сопровождается протяженным во времени влиянием их на все элементы водного баланса и прежде всего - на сток. Склоновый сток, играющий роль интегрального показателя изменений гидрологической обстановки на водосборах, наиболее подвержен изменениям. При использовании технологии лесозаготовок, сводящей до минимума повреждения почвенного покрова, существенные изменения склонового стока отмечаются спустя 5 и более лет после рубок. Стабилизация водного режима водосборов в зависимости от способов и технологий рубок наступает через 20-25 лет.

- Из м е н е н и е в о д о р е г у л и р у ю щ е й р о л и н а с а ж д е н и й. Благодаря тому, что бурые лесные почвы характеризуются большой начальной водопроницаемостью и аккумулирующей емкостью (до 567 мм), а также значительным крутизнам склонов, что способствует быстрому оттоку паводковых вод, дожди, выпавшие в зоне буковых лесов, практически никогда не образуют сплошного слоя воды на поверхности почвы. Поэтому интенсивность впитывания здесь определяется интенсивностью ливней.

Как было отмечено ранее, сток с горных склонов может служить интегральным показателем изменений гидрологической обстановки на водосборах с опытными рубками.