«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 ...»

Влияние рубок на формирование стока имеет длительный во времени характер, и тенденции его изменений (тренд) можно проследить только на стационарных гидрометрических постах. Поэтому изменение водорегулирующей роли горных лесов в связи с хозяйственным воздействием было прослежено по данным постоянных наблюдений за паводками на двух лесогидрологических стационарах. Анализом обработанных данных по дождевым и снеговым паводкам установлены величины изменений как объемов паводков, так и формы их гидрографов. При этом общий сток за паводки разделялся расчленением гидрографов на склоновую составляющую (к ней относится сток, проходящий по поверхности почвы и в слое до 0,5…0,8 м, т.е. быстрый по времени стока) и грунтовую (относительно медленный сток, время добегания которого к замыкающим створам исчисляется периодом от нескольких часов до нескольких суток и более). Ниже дан анализ экспериментальных данных по изменениям водорегулирующей роли буковых лесов в связи с рубками главного пользования.

До проведения рубок в буковых насаждениях общими особенностями формирования склонового стока на элементарных водосборах являются: сравнительно малые объемы паводков и небольшие коэффициенты паводочного стока (в среднем 1,7…19, мм и 1,1…19,3% от осадков) при значительных стокообразующих дождях (в среднем 80…96 мм), а также превышение объемов паводков и коэффициентов стока в холодный период года над паводками теплого сезона в 1,5…2,0 раза.

Для характеристики изменений водорегулирующей роли буковых лесов в связи с опытными рубками на ЛГС "Аибга" проанализированы объемы паводков (в мм слоя стока), коэффициенты паводочного стока (в % отношения слоя стока за паводок к величине стокообразующего дождя) и максимальные модули стока (мгновенные максимумы, отнесенные к единице площади бассейна, л/с) за весь период наблюдений. Перечисленные характеристики в достаточной степени дают представление об изменении формы гидрографа стока на площадях рубок. При этом объемы паводков определяли срезкой грунтового питания на гидрографе паводочного стока. Анализ результатов проведен с применением метода наименьших квадратов для установления корреляционных зависимостей характеристик паводков на водосборах с опытными рубками с аналогичными паводками на контрольном 4-ом водосборе. Зависимости эти достаточно четко распределяются на несколько групп, объединяемых периодом времени после рубок: 1966-1973 гг.- калибровочный период; 1974-1978 гг. - период наименьшего влияния рубки на паводки;

1979-1984 - период наибольшего влияния рубки на сток, и 1985-2005 гг. - период снижения влияния рубки на сток. Все зависимости имеют высокие коэффициенты корреляции от 0,75 до 0,92 - для объемов паводков, от 0,64 до 0,86 - для коэффициентов склонового стока, и от 0,55 до 0,85 - для максимальных модулей стока.

Исследования на 1-ом водосборе ЛГС "Аибга" (со сплошной вырубкой) показали, что объемы паводков в первые 5 лет после рубки практически не изменились;

резкое увеличение паводков произошло здесь только на 6-11-й годы после проведения рубки: увеличение объема паводков составляет в 2,1 раза, коэффициентов паводочного стока - в 2,6 раза. Максимальные модули стока после рубки практически не изменились:

при средней величине на контрольном 4-ом водосборе q4= 2,0 л/с*га объем их увеличился в 2 раза, и изменилась форма гидрографов - за счет их растягивания во времени.

На 2-ом водосборе с 3-мя приемами котловинной рубки (1974,1982 и гг.) и с изъятием на 24 котловинах общей площадью около двух третей эксплуатационного запаса древесины - анализ зависимостей объемов паводков с контрольным водосбором позволил установить, что паводки на 5-11-й годы после рубки увеличились в 1,2 раза, а коэффициенты паводочного стока – возросли в этот период в 1,8 раза. Максимальные модули стока увеличились: в первый период после рубки – в 1,3, и во второй – в 1,5 раза.

На 3-ем водосборе, где в 1974 г. проведена добровольно-выборочная рубка с тракторной трелевкой древесины по серпантинным волокам и с выборкой 28% запаса древесины, в 1-ый период после рубки наблюдалось увеличение коэффициентов стока в 1, раза, а во 2-ой – в 1,1 раза. Максимальные модули стока уменьшились после рубки в среднем в 1,4 раза.

Таблица 32 - Усредненные за сезоны коэффициенты склонового стока на водосборах ЛГС “Аибга” за 1984-1989 гг.

ские годы Коэффициенты паводочного стока связаны менее тесными корреляционными зависимостями с контрольным водосбором; тем не менее, достоверно доказано увеличение этого показателя в среднем в 2,6 раза: до рубки при 4 = 6,0% - 1 = 5,2% ; в первый период после рубки 1 = 4,3%, а во второй - 1 = 13,8%. Максимальные модули стока после рубки практически не изменились: при средней величине на контрольном 4-ом водосборе q4= 2,0 л/с•га объем их увеличился в 2 раза, и изменилась форма гидрографов – за счет их растягивания во времени. В период 1985-1994 гг. устойчивые повышенные коэффициенты паводочного стока наблюдались в начале этого периода (для 1-го водосбора – в 3,4 раза зимой, и в 1,9 раза – летом; для 2-го водосбора – в 1,5 раза зимой, и в 1,3 раза летом), а в последующие годы отмечено снижение – в 1,4 раза и ниже.

По приведенным выше зависимостям рассчитаны значения годового склонового стока для экспериментальных водосборов для периодов после рубок. Отношение наблюденных величин стока к рассчитанным по калибровочным зависимостям дает величину изменения годового стока в результате проведенных рубок. По наблюденным и рассчитанным данным об изменении склонового стока до и после рубок получены графики динамики стока на водосборах с опытными рубками в виде индексов изменения стока.

На рисунках 37 и 38 показана динамика индексов (показателей) изменения склонового стока на водосборах с опытными рубками за весь период наблюдений. Как следует из приведенных данных, к 26-летнему сроку наблюдений после проведения сплошных и котловинных рубок имеется лишь некоторая тенденция уменьшения склонового стока до значений, близких к 1,0, что может характеризовать большую или меньшую стабилизацию стока. Усредненные кривые, проведенные по эмпирическим точкам, дают представление о величине и периодах изменения склонового стока на площадях рубок. Так, в буковых насаждениях на водосборе со сплошнолесосечной рубкой (рис.37) начало влияния рубки сказывается на 5-й год после рубки, максимум роста стока (в 3 раза) наступает на 10-й -11й год, а средний рост стока, полученный интегрированием обобщенной кривой динамики стока, равен 1,73 раза в год (при продолжительности влияния рубки - не менее 25 лет).

На водосборе с котловинной рубкой (рис.38) максимум стока наблюдается на 6-7й год после каждого приема (увеличение стока в 2,2 раза), а среднее увеличение стока (за 2 приема рубок) составляет 1,56 раза за год.

По экспериментальным данным получены динамические модели изменения параметров среды на площадях опытных рубок за период с 1967 года по настоящее время.

модульный коэф.

Рисунок 37 – Изменение склонового стока в буковых насаждениях ЛГС «Аибга», водосбор №1 (со сплошно-лесосечной рубкой 1973-74 гг.) Условные обозначения на рис. 37 и 38: мод. коэф. - модульные коэффициенты в долях от 1 (левая шкала); сток - индексы изменения стока (правая шкала).

За весь период наблюдений на ЛГС "Аибга" зафиксированы во время интенсивных ливней прохождение 3-х паводков, когда буковые насаждения (даже на контрольном водосборе) не смогли обеспечить регулирование паводочных вод площадью водосбора.

Поэтому, при оценке водорегулирующей роли насаждений речь идет о выполнении ими защитных функций только при ливнях определенной повторяемости в многолетнем разрезе. Таким был ливень 26.06.1989 г. при суточном количестве осадков мм, давший следы поверхностного стока под пологом материнского древостоя. Модульный коэффициент суточного максимума этого ливня составляет К=1,60, что соответствует 5%-ной обеспеченности (или повторяемости 1 раз в 20 лет). Следовательно, ливни 5%ной обеспеченности не могут быть зарегулированы даже нетронутыми хозяйственной деятельностью буковыми древостоями.

мод. коэф.

Рисунок 38 - Изменение склонового стока в буковых насаждениях на водосборе № Большое практическое значение имеет вопрос продолжительности влияния рубок на водоохранные и водорегулирующие функции горных лесов. Принципиально важно также определить, восстанавливаются ли они до исходного уровня, или восстановление лесных экосистем никогда не достигнет первоначальных характеристик. Для определения сроков стабилизации водорегулирующих функций буковых лесов, помимо материалов по стоку, полученных на ЛГС “Аибга”, были привлечены многолетние данные по воднофизическим свойствам почв на лесосеках различного возраста. Получены предварительные придержки периодов стабилизации водорегулирующих функций буковых насаждений при различных способах рубок и технологиях лесозаготовок. В зависимости от крутизны склонов и технологии лесоразработок эти сроки могут колебаться от 20 до 30 и более лет. Необходимо отметить, что полного восстановления параметров лесных экосистем не происходит, возникают новые экосистемы, которые могут приближаться по некоторым свойствам к исходным, существовавшим до хозяйственного воздействия.

Способы рубок и технология их проведения в дубравах региона.

Интенсивная эксплуатация лесосырьевых ресурсов Северного Кавказа, в том числе и Причерноморья, началась во второй половине 20-го столетия. В 50-60 годы ежегодная площадь проведения главных рубок достигал 11-13 тыс. гектаров. При этом как в довоенные, так и в послевоенные годы в большинстве формаций применялись сплошнолесосечные рубки. Постепенные и промышленно-выборочные рубки стали широко практиковаться в 60-е годы. Так, в лесах Краснодарского края с конца 50-х до начала 90-х годов рубки главного пользования проведены на площади свыше 320 тыс. га, что составляет около 27% лесопокрытой площади.

При этом сплошными рубками освоено 56% площади, постепенными и выборочными – около 44%. В довоенные и первые послевоенные годы лесосечные операции осуществлялись на базе гужевого транспорта. С середины 50-х годов стала широко внедряться тракторная технология. В этот же период на первичном транспорте леса стали использоваться канатные установки. Однако, основная доля лесосечно-транспортных операций (80%) осуществлялись на базе гусеничных тракторов.

Начиная с середины 80-х годов в небольших объемах использовалась вертолетная техника. Следует отметить, что при размещении лесосечного фонда в рубку назначались наиболее доступные по транспортным условиям продуктивные насаждения. В дубравах около 34% лесосек приурочены к склонам крутизной до 100, 56% размещены на склонах 11-200, на более крутые склоны приходится 10%. Рубки в буковых насаждениях осуществлялись на пологих и покатых склонах, на уклоны круче 210 приходится менее 14% лесосек. Площади рубок в пихтовых лесах расположены в основном на покатых склонах, в мягколиственных – на пологих.

При горных лесозаготовках большой объем земляных переместительных работ связан с сооружением пасечных и магистральных волоков, предназначенных для трелевочных операций. Использование при лесосечно-транспортных работах тяжелых гусеничных тракторов отрицательно сказывается на сохранении продукционного потенциала нового поколения леса вследствие разрушения почвенного покрова, развития эрозионных процессов, нарушения водного режима осваиваемых рубками площадей.

Изучение генезиса склонового стока на вырубках показывает, что в формировании поверхностных вод большую роль играет глубина заложения, размеры и расположение на лесосеках трелевочных волоков. Опыты по исследованию впитывания на волоках свежих вырубок как в буковых, так и в дубовых насаждениях, позволяют сделать выводы о том, что практически все волоки имеют нулевую фильтрацию, т.е. являются водоупорами.

Следовательно, площадь водосбора, занятая волоками, формируют только поверхностный сток.

Таблица 33 - Размещение магистральных трелевочных волоков на площадях сплошнолесосечных рубок в дубравах Джубгского и Горяче-Ключевского лесхозов Среднее по лесничеству Среднее по му лесничеству Кроме того, в определенных условиях волок способен концентрировать часть склонового стока, образующегося на той площади водосбора, которая располагается выше волока. В результате трелевочные волоки являются концентраторами поверхностного стока на лесосеках и способствуют развитию интенсивной эрозии.

Приведенные в табл. 33 результаты изучения размещения волоков на свежих лесосеках сплошных рубок свидетельствуют о значительных размерах площадей под крупными магистральными волоками - в среднем 11% от площади делянки, а также о большом перемещении грунта при прокладке волоков - в среднем 661 м3/га. При этом размещение волоков на делянках, как правило, имеет бессистемный характер - вдоль и поперек склона, а в большинстве своем (при больших крутизнах склонов) - в виде серпантинных дорог по лесосеке. Это приводит к существенному нарушению почвенного покрова (до 40…60% по площади), формированию фактически новой гидрографической сети, ускоряющей концентрацию и сброс воды по склону. В целом это влечет развитие эрозионных процессов на волоках, разрушение почвенной структуры и снижение продуктивности лесных площадей.

Обращает на себя внимание различие средних данных о волоках по разным хозяйствам, т.е. размеры повреждений почвенного покрова при лесосечно-транспортных операциях определяются технологической дисциплиной. Нашими исследованиями доказана возможность упорядочения тракторной трелевки леса даже при наличии крутых склонов.

Так, на склонах 5…300 магистральные волоки занимают 5% площади лесосеки, а пасечные – 6…8%. Это обеспечивает существенное улучшение сохранности средообразующих функций горных лесов при использовании их лесосырьевых ресурсов.

Восстановление дубовых насаждений на площадях рубок ЛГС "Горский".

Исследования динамики лесистости и структуры насаждений проведены на ЛГС “Горский”, расположенном в зоне дубовых лесов региона. Общая его площадь 125,5 га, и включает он в себя 4 элементарных водосбора, которые сгруппированы (в зависимости от размеров, геоморфологии и режима стока) двумя парами: 1-ый и 4-й (контроль к 1-ому) с площадями соответственно 6,0 и 9,3 га ; 2-й и 3-й (контроль ко 2-ому) - с площадями 22, и 23,0 га. Насаждения стационара представлены дубом скальным, преимущественно коренных ассоциаций и характеризуются определенным лесотипологическим разнообразием и возрастной структурой. Все насаждения стационара были пройдены ранее приисковыми рубками разной интенсивности, что повлекло за собой снижение их общей полноты.

На водосборе №1 в 1981-82 гг. проведена сплошнолесосечная рубка на площади 4,04 га, или на 67% площади бассейна. Остальная часть бассейна (1,96 га) осталась не вырубленной из-за большой крутизны (круче 300) и расположенности по тальвегам ручьев.

В рубку было отведено 1047 м3 древесины, в том числе 90% дуба, 7% граба, и 3% - прочих пород. Выход деловой древесины - 30%. Технология лесосечных работ основывалась на трелевке тракторами по горизонтальным пасечным волокам и использовании под магистральные волока старых трелевочных волоков, сохранившихся по границам водосбора.

После проведения рубки на водосборе №1 нарезано бульдозером 900 пог. м. террас, на которых высажены двухлетние саженцы сосны крымской в количестве 3,5 тыс. шт.

Лесные культуры сосны крымской были заложены в 1983 году на террасах, проходящих по горизонталям поперек водосбора в верхней его половине, в интервале высот 70-120 м. над ур.м. Террасы чередовались участками невырубленного леса по тальвегам ручьев и на склонах свыше 30о. В целом лесные культуры располагаются в сухих типах лесорастительных условий, характерных для произрастания дуба скального.

В 1983-84 гг. в данных культурах проводились лесоводственные уходы (по 2 раза в году) – ручная прополка с рыхлением. В 1985 году было проведено 4 ухода. Приживаемость в первый год составила 81%. По данным лесоустройства 1999 г. состав данного насаждения - 6Ск2Г2Дс+Кл, средние высота – 4 м, диаметр – 6 см, бонитет III, полнота – 0,7. В 1987 году переведены в лесопокрытую площадь.

По данным сплошного перечета всех экземпляров сосны крымской на террасах весной 2005 года, количество растущих деревьев с наличием зеленой хвои составляет шт. на всей площади культур (2,05 га), т.е. 10% от общего количества зарегистрированных на данный период стволов деревьев, или 2% от первоначального количества высаженных саженцев (3,5 тыс. шт.) при закладке лесных культур в 1983 году. При этом только 3 экз. сосны (диаметром 20,22 и 24 см) характеризуются равномерным охвоением и зеленой окраской хвои в средней и верхней частях крон. В основном у оставшихся растущих экземпляров сосны (диаметром до 16 см) наличие зеленой хвои наблюдается только на концах ветвей в вершинной части крон. Общее количество сухостоя и сломанных стволов составляет 640 шт. (90% от общего количества), из них 467 шт. – со сломанными стволами и вершинами (66%). Следствием указанного состояния лесных культур на террасах является воздействие ожеледи в январе 2002 года. В межтеррасных пространствах отмечено в количественном отношении удовлетворительное протекание возобновительного процесса грабом, кленом, а также порослевыми и семенно-порослевыми экземплярами дуба скального.

На водосборе №2 в 1982-83 гг. был проведен 1-ый прием двухприемной котловинной (узколесосечной) рубки, второй прием - в 1989 г. Вырублено в 1-ый прием 7 делянок площадью от 0,19 до 1,42 га с шириной до 50 м, расположенных вдоль горизонталей склона длинной стороной. Общий запас вырубленной древесины - 980 м3. Технология освоения лесосек - тракторная, с трелевкой древесины хлыстами по волокам. После проведения рубки 3 делянки с недостаточным возобновлением закультивированы каштаном посевным (высажено без подготовки почвы 1500 шт. саженцев на 1 га с размещением 7х м) на площади 1,53 га.

Культуры каштана посевного были заложены в верхней части водосборного бассейна в интервале высот 150-250 м над ур.м. на 3-х делянках площадью 0,69, 0,52 и 0, га, расположенных по горизонталям склона поперек водосбора. Закультивированные участки чередовались участками невырубленного леса на делянках, отведенных под второй прием рубки. Посадки, выполненные 2-х-летними сеянцами были пройдены следующими уходами: в 1985 году – 2 ухода (рыхление почвы с прополкой), в 1986 году – 2 ухода (рыхление почвы с прополкой), в 1987 году – 1 уход (прополка), и в 1988 году – 1 уход (прокашивание). Приживаемость культур составила на 1-й год – 92%, на 2 год – 90%.

Данные лесные культуры были переведены в покрытую лесом площадь в 1989 году.

По данным лесоустройства 1999 года лесные культуры каштана 1985 г. посадки характеризовались следующими показателями: состав 4Кш4Г1Дс1Ос, возраст – 15 лет, высота 3 м, диаметр 6 см, бонитет – III, запас – 10 мз/га, тип леса СВКш.

Весной 2005 года был проведен сплошной перечет всех экземпляров каштана на всех 3 делянках с определением количества, среднего диаметра, суммы площадей сечений. Общее количество растущих деревьев составило 738 шт на всей площади культур (1,53 га), т.е. 482 шт/га. Средний диаметр равен 7,9 см, сумма площадей сечений – 2, м2/га. При исходном посадочном материале 1,5 тыс. шт/га за 20-летний период приживаемость составила 32,1 %. В межрядовом пространстве и в рядах отмечено удовлетворительное протекание возобновительного процесса грабом и буком, а также (в меньшей степени) – семенно-порослевыми экземплярами дуба скального.

Изучение характеристик спелых древостоев формации дуба скального проводили на постоянных пробных площадях и на контрольных водосборах ЛГС «Горский». При перечетах определяли состав древостоя по породам, распределение деревьев по ступеням толщины, средние таксационные характеристики древостоя, бонитет, количество побегов (шт/га), подлесок.

На водосборе №3 все постоянные пробные площади (ППП) расположены на склоне северо-восточной и северо-западной экспозиции (табл.7), крутизной 14-20о, в свежих дубняках дуба скального. В составе доминирует дуб скальный. Класс возраста – VIVII, бонитет Ш-IV, относительная полнота варьирует от 0,76 до 1,06. Средний диаметр насаждений – 26-28 см., дуба – 32-38 см. Средняя высота древостоев на пробных площадях 18,8-21,9 м. (для дуба – 19,3-23,6 м.).

Таблица 34. Таксационная характеристика древостоев на постоянных пробных площадях ЛГС «Горский» (заложенных в 1972 г.) по данным перечета 2004 г.

Состав насаждений 8ДС2Г+Бк, 5Бк3Г2Дс 4Дс4Г2Бк 7Дс2Г1Бк 7Дс2Бк1Г+ град.

ная ний, м2/га Количество стволов в пересчете на 1 га варьирует от 410 до 546 шт/га, а сумма площадей сечений – от 22,8 м2/га до 33,2 м2/га. (табл.34). Соответственно запас в данных группах типов леса колеблется от 207 до 342 м3/га, дуба (в зависимости от доли его участия в составе насаждений) – от 62 до 224 м3/га.

Восстановление коренных дубовых насаждений на площадях рубок в значительной мере определяется особенностями естественного возобновления под пологом леса, на вырубках и закономерностями формирования молодняков.

Средний и текущий прирост в древостоях на ППП характеризуется табл. 35.

По учету 1972 года средний прирост составил по 9-ти ППН – 1,3-2,7 м3*га-1, по учету 1999 г. на 5-ти ППН – 1,4-2,0 м3*га-1, по учету 2004 г. – 1,5…1,9 м3*га-1, с отклонениями между 1972-1999 г. ±0,1-0,8 м3*га-1, и между 1999 и 2004 гг. ±0,1-0,3 м3*га-1.

Усредненный средний прирост в 1972 году был 2,1 м3*га-1, в 1999 году – 1,7 м3*га-1, и в 2004 году – 1,8 м3*га-1.

Текущий прирост за 1972-1999 гг. на ППН 1…3 был положительным – 0,9-2, м *га, а на ППН 4…5 - отрицательным – 0,5-1,6 м3*га-1, за 1999-2004 гг. он положительный – 0,2-10 м3*га-1, и только на ППН 5 – отрицательный – 1,4 м3*га-1. При отрицательном текущем приросте отпад превышает прирост. В среднем текущий прирост в 1999 г. был 1,2 м3*га-1, а в 2004 г. он возрос в 2,3 раза.

Таблица 35 – Прирост древостоев на ППН ЛГС «Горский»

В 1982 и 1993 гг. выполнены 1-й и 2-й прием групповопостепенной двухприемной котловинной рубки Таким образом, экологический мониторинг за 1972-2004 гг. в дубовых насаждениях ЛГС «Горский» показал, что они находятся в удовлетворительном состоянии.

Изучение динамики лесовозобновительных процессов под пологом контрольных древостоев и особенностей формирования молодняков на вырубках в формации дуба скального осуществлялось в течение 1981-2004 гг. на постоянных пробных площадях ЛГС «Горский». На части выгоревшей ППП 7 и на ППП 9 изучен ход порослевого возобновления (на 25 постоянных площадках с определением видового состава, высоты, диаметра на высоте 1,3 м и у шейки корня по породам.) Установлено, что возобновительный процесс под пологом насаждений прежде всего определяется его типологической структурой. Наиболее неблагоприятные условия для возобновительного процесса складываются в дубняке грабинниковом. На данном участке до рубки естественное возобновление можно охарактеризовать как плохое: количество 2, тыс. шт/га, состав 4Г3Чрш2Дс1КледБк, возраст 1-5 лет. Подрост старше 5 лет не обнаружен, следовательно, его всходы и самосев в естественных условиях систематически погибают. После проведения лесосечных работ в 1981-82 гг. численность подроста снизилась до 2,0 тыс. шт/га, в составе по-прежнему доминирует граб (5Г2Дс2Чрш1Кл).

В первые годы после рубки всходы и мелкий подрост отмирает, попадая под полог густого травостоя (особенно ежевики) или уничтожаются при лесозаготовках. Пни дуба, граба и клена дают обильную поросль даже на тракторных волоках. По истечении 6 лет после рубки увеличилась в составе доля дуба (до 45 %) и уменьшилась доля граба (до %). Количество подроста увеличилось в 9 раз и составило 18,9 тыс. шт/га (табл. 6), из них дуба – 8,5 тыс. шт/га, в. ч. семенного – 5,1 тыс. шт/га, граба до 7,5 тыс. шт/га, клена – до 1,6 тыс. шт/га. Этот период характеризуется усилением внутривидовой и межвидовой конкуренции в молодняках, приводящее к отпаду менее жизнеспособных растений в насаждении.

В последующие годы отмечается закономерное снижение численности подроста с 12,9 тыс. шт/га в 10-летних молодняках до 8,3 тыс. шт/га в 23-летних молодняках, т.е. более чем вдвое. С течением времени изменяется и состав насаждения: если в 10-летних молодняках доминирует дуб, то в 13-23-летних – граб, а участие дуба снижается до 10 % (2004 г.) Рисунок 39 – Связь возраста и диаметра молодняков на площади сплошнолесосечной рубки 1981–82 гг. (ЛГС «Горский», дубняк грабинниковый) На участках 1-го приема котловинной рубки, до рубки естественное возобновление в дубраве злаковой характеризуется как достаточное (количество подроста – 13,4 тыс.

шт/га, состав 6Дс3Г1ЧршедБрк,Кл, возраст 1-5 лет).

После проведения 1-го приема рубки в 1982-83 гг. количество подроста уменьшилось вдвое и составило 6,7 тыс. шт/га. В составе возобновления доминирует дуб. Сохранность подроста колеблется от 45 до 80 %. Спустя 5 лет после рубки в составе насаждения появляется граб, но доминирующая роль принадлежит дубу (9Дс11 + Прч). Общее количество подроста достигает 18,6 тыс. шт/га, дуба в его составе – 17,1 тыс. шт/га, в т.ч. семенного 12,7 тыс. шт/га.

Рисунок 40 – Связь между возрастом и высотой молодняков на площади сплошнолесосечной рубки 1981–82 гг. (ЛГС «Горский», дубняк грабинниковый) В дальнейшем отмечается снижение в составе доли дуба и увеличение доли граба.

Но в 22-летнем возрасте в составе молодняков начинает преобладать дуб при постепенном снижении общего количества подроста до 10,5 тыс. шт/га.

Рисунок 41 – Связь возраста и количества деревьев молодняков на площади сплошнолесосечной рубки 1981–82 гг. (ЛГС «Горский», дубняк грабинниковый) Порослевые десятилетние молодняки, образовавшиеся после первого приема 1982-83 гг. котловинной 2 - приемной рубки на части территории ППП7 подверглись воздействию низовых пожаров в 1993 г. Не затронутая пожаром часть ППП7 является контрольной для исследуемых молодняков. Как показали исследования, низовой пожар, повлекший за собой интенсивный отпад молодняков способствовал бурному порослевому процессу (до 55,2 тыс. шт/га через 2 года после пожара). В последующие годы из-за высокой конкуренции древесных пород, а также из-за разросшейся травянистой растительности, представленной в основном злаками и ежевикой, численность поросли значительно убывает (до 26,3 тыс. шт/га). По мере развития молодняков наблюдается тенденция к смене пород. Так, если в первые годы после пожара состав молодняков – 7Дс2Г1Кл, то на 11-й год наблюдается снижение участия дуба в составе и увеличение граба (6Дс3Г1кл).

Таким образом, при отсутствии лесоводственных уходов граб начинает вытеснять дуб, что приводит к формированию дубово-грабовых древостоев.

Рисунок 42 – Зависимость между возрастом и высотой молодняков после прохождения низового пожара осенью 1993 г (ЛГС «Горский», дубняк злаковый) Таким образом, изучение возобновительного процесса молодняков, образовавшихся на сплошнолесосечной и котловинной вырубках, показало, что высокая побегопроизводительная способность и энергия роста дуба скального оказывает огромное влияние на происхождение, качество и состав молодняков на вырубках.

Для возобновительного процесса на вырубках характерно обильное появление самосева и подроста второстепенных пород как семенного, так и порослевого происхождения. Отмечается гнездовой характер порослевого возобновления и энергичный рост поросли в первые годы, что создает условия для смыкания листового полога в данный период. К этому времени проявляется неизбежное отрицательное влияние поросли на рост и развитие предварительного и последующего возобновления. Интенсивный рост и развитие поросли на вырубках создает крайне неблагоприятные условия светового режима для самосева и подроста твердолиственных пород и вызывает его массовый отпад. Смыкание порослевого полога на вырубках наступает на 5-7 год после рубки древостоя. Подрост дуба скального семенного происхождения к этому возрасту полностью утрачивает присущую ему в первые годы теневыносливость и в основной массе отмирает.

Низовые пожары вызывают отпад молодняков, преимущественно пород с тонкой корой (граб, бук, клен) и интенсивное порослеобразование у дуба, способствуя тем самым увеличению его участия в составе насаждения.

В насаждениях, где сформировались естественные семенно-порослевые молодняки, к 10-11 летнему возрасту наблюдается увеличение в их составе менее ценных пород, в частности – граба. Для предотвращения смены пород в большинстве типов леса в этот период необходимо проведение интенсивных и своевременных лесоводственных уходов с целью формирования древостоев с преобладанием в их составе дуба.

Листовой опад на вырубках и в нетронутых насаждениях дуба скального Учет листового опада проводился в течение вегетационных периодов 1994- гг.. Изучение листового опада здесь проводилось в молодняках, образовавшихся после первого приема рубки на ППП №7 и 8, а также под пологом нетронутых рубками древостоев изучался (на контрольном водосборе №4). На указанных пробных площадях были установлены опадоуловители размерами 1х1 м в количестве 10-20 шт на каждой ППП, огражденные 10-см барьером, препятствующим сдуванию листвы. Данные учета листового опада на пробных площадях в материнских насаждениях (ППП №1) и в молодняках (ППП №6, 7, 8) приведены в табл. 35.

На рис.43 представлена динамика листового опада (в абс. сухом состоянии) за период наблюдений на стационаре "Горский", в насаждениях не затронутых рубками главного пользования и в 12–18–летних молодняках, образовавшихся на сплошнолесосечной и после первого приема котловинной вырубках.

Анализ полученных данных показал, что масса листового опада в контрольных древостоях за период наблюдений варьировала от 2,8 до 4,1 т/га (в среднем 3,5 т/га). В 23-летних молодняках на площади сплошнолесосечной рубки масса опада изменялась за тот же период от 3,1 до 4,1 т/га (в среднем 3,5 т/га).

В 22-летних молодняках на площади первого приема котловинной 2-х-приемной рубки масса опада составила в среднем 3,5 т/га (изменялась от 2,9 до 4,2 т/га).

Масса листового опада, т/га На ППП №8 (тип леса дубняк азалиевый), подвергшейся дважды низовым пожарам в 1993 и 1997 гг. в молодняках на площади 1-го приема котловинной рубки масса опада в первые годы после пожара увеличилась с 1,8 до 3,4 т/га в связи с ростом молодняков.

Таблица 36 – Динамика листового опада в древостоях ЛГС «Горский» за вегетационные периоды 1994-2005 гг.

учета Под пологом нетронутого рубкой леса (контроль) – ППП №1 – дубняк грабинниковый Молодняки на сплошной вырубке 1981-82 гг. ППП №6 – дубняк грабинниковый контр.

Молодняки на площади котловинной 2-х-приемной рубки 1982-83 гг. ППП №7 – дубняк контроля Молодняки на котловинной 2-х-приемн. рубке 1982-83 гг. ППП №8 – дубняк азалиевый троля Выжившие после пожара 1993 года молодняки на ППП 8 весной 1997 года вновь подверглись воздействию низового пожара, что сказалось на их росте и развитии. Вследствие этого масса листового опада здесь уменьшилась вдвое в сравнении с 1996 годом. В последующие годы (1999-2004 гг.) отмечается рост листового опада с 1,8 до 3,1 т/га – в связи с восстановлением молодых насаждений. Средняя масса листового опада за период наблюдений (1994-2004 гг.) составила 2,3 т/га.

Внутрисезонный ход опадения листвы характеризуется неравномерностью в течение вегетации. Начало пожелтения листвы и листопада у деревьев дуба скального обычно наблюдается в июле – середине августа, когда потеря листвы грабом и буком достигает в отдельные годы 40 % и выше, а дуба лишь 2–4 %. Молодняки на ППП6 и ППП7, где в составе преобладает граб, быстрее сбрасывают листву нежели насаждения, в составе которых доминирует дуб скальный, за исключением молодняков ослабленных низовыми пожарами. Нужно отметить, что в первый год после пожара на ППП8 к началу сентября граб сбросил до 86 % листвы, а бук – до 74 %, в то время как дуб – доли процента. Это свидетельствует об устойчивости к огню той или иной древесной породы.

Рисунок 44. Связь между массой листового опада и количеством осадков за вегетацию на ППП На рис.44 и 45 показаны зависимости между массой листового опада на площадях, пройденных опытными рубками, и под пологом контрольных насаждений и количеством осадков за вегетацию.

Рисунок 45. Связь между массой листового опада и количеством осадков за вегетацию на ППП Анализ динамики листового опада в связи с режимом атмосферных осадков на водосборах стационара "Горский" за вегетационные периоды показал, что масса опада с увеличением осадков увеличивается до определенной степени увлажнения (600-700 мм), а с дальнейшим их возрастанием – снова снижается (рис.44-45). Все приведенные зависимости имеют малые коэффициенты корреляционных отношений и оцениваются слабой теснотой связи.

Начало интенсивного листопада отмечается в середине вегетационного периода, достигая своего максимума к концу сезона. Низовые пожары способствуют интенсивному отпаду молодняков, в первую очередь в них – граба, бука и клена и, как следствие, снижению массы листового опада данных пород.

Площадь листовой поверхности в молодняках соответствует породному составу сформировавшихся древостоев. Так, максимальная листовая поверхность среди вырубок отмечена в дубняке грабинниковом (9086 м2/га). В дубняках злаковом и азалиевом этот показатель снижается почти на 40%.

Таким образом, на основании изучения динамики листового опада за вегетационные периоды 1995–2004 гг. установлено, что среднегодовая масса листового опада древостоев, оставленных в качестве контрольных, незначительно отличается от среднегодовой массы молодняков, образовавшихся после рубок главного пользования.

Динамика травяного покрова в насаждениях дуба скального (ЛГС «Горский») Травяной покров, как один из компонентов лесного биогеоценоза, является важнейшим фактором, определяющим рост и развитие древостоев. С одной стороны он препятствует протеканию возобновительных процессов на вырубках, способствует иссушению верхних почвенных горизонтов, уплотнению почв и обеднению их питательными веществами. С другой стороны образование густого травяного покрова на вырубках, прогалинах и других открытых местах, а так же его наличие под пологом леса способствует снижению выпавших осадков, переводу поверхностного стока в внутрипочвенный и уменьшению эрозионных процессов.

Установлено, что фитомасса травостоя изменяется в связи с ростом молодняков. Так, если до рубки на ППП 6 фитомасса в среднем составляла 0,4 т/га, то после вырубки древостоя в 6-летних молодняках она возросла до 3,64…3,87 т/га (1988-89 гг.).

В дальнейшем с увеличением конкуренции со стороны древостоя, наблюдалось снижение фитомассы травостоя, которая составляла в 1991 г. – 1,33 т/га, в 1995 году – 0,4 т/га, в 1996 г. - 0,56 т/га, в 1997 г. – 0,43 т/га, в 1998 г. – 0,24 т/га.

Изучение травяного покрова проводили в молодняках, образовавшихся на сплошнолесосечной вырубке (1981-82 гг.), расположенных на северо-западном склоне (ППП 6, тип леса-дубняк грабинниковый) и котловинной (1981-83 гг.) вырубках, а также под пологом спелых древостоев, оставленных в качестве контрольных. При исследованиях определяли видовой состав, проективное покрытие и масса надземной части растений в абс.

сухом состоянии (срезанием надземной части на учетных площадках 0,5х0,5 м количеством 10-20 шт с последующим взвешиванием и сушкой растений для перевода в абс. сухой вес).

Выявлено, что под пологом нетронутого рубкой леса (ППП 1 контрольного водосбора – тип леса дубняк грабинниковый), расположенного на Ю-З склоне, доминирует овсяница горная. Фитомасса варьирует здесь от 0,05 до 0,11 т/га, проективное покрытие за 2000-2005 гг. в среднем составило 5-6%, а средняя влажность – 257-306 % (табл.37). Видовое разнообразие травостоя включает жимолость каприфоль, ясенец кавказский, ежевику сизую, овсяницу горную, пион кавказский, лесную фиалку и ластовень аптечный.

Таблица 37 – Усредненная фитомасса травостоя на площадях опытных рубок и под пологом насаждений ЛГС «Горский» за 2000 - 2005 гг.

Возраст Год наблю- сплошно- котловинная контроль сплошно- котловинная контроль В молодняках, образовавшихся после 1-го приема котловинной (1982-83 гг.) рубки, расположенных в верхней Ю-З части склона (ППП 7, тип леса дубняк злаковый) подвергшихся воздействию низового пожара в 1993 году, в первые годы после пожара отмечался их интенсивный отпад с последующим обильным порослеобразованием и сильным разрастанием травостоя. По мере роста молодняков на данной пробной площади наблюдается постепенное снижение фитомассы травостоя, достигшей к 2000-2005 году соответственно 0,36-0,22 т/га, а проективного покрытия – 22-20 %. Влажность травостоя составила в среднем 243-288%. В составе доминирует овсяница горная.

Рисунок 46 – Связь между массой травостоя на вырубках и на контроле ЛГС «Горский»

На ППП 8, молодняки которой образовались на вырубке 1-го приема котловинной рубки, дважды подверглись воздействию низового пожара (в 1993 и 1997 гг.). Здесь отмечено постепенное снижение фитомассы травостоя, так как в составе молодняков преобладает дуб скальный (более устойчивая порода к воздействию огня, и поэтому полной гибели полной гибели молодняков на ППП 8 не наблюдалось). Снижение фитомассы идет более замедленно (от 0,52 до 0,30 т/га при проективном покрытии от 33 до 25%). Влажность травостоя в среднем варьировала в пределах 267-275%. Флористический состав представлен овсяницей горной, дорикниумом, мышиным горошком, ежевикой сизой. На данной пробной площади отмечается разрастание густого подлеска из азалии, который также препятствует распространению травяного покрова.

В сохранившейся части молодняков ППП 7 на данной вырубке (не затронутой пожаром) разрастания травостоя не наблюдается (фитомасса травостоя варьирует от 0,04 до 0,09 т/га, проективное покрытие – 8-9%, средняя влажность – 315-374%). В составе также преобладает овсяница горная.

В видовом отношении наиболее насыщенным является дубняк грабинниковый, хотя общая фитомасса травостоя здесь в 3,4 раза уступает овсяницевому дубняку. В основных трех типах дубрав по всем параметрам доминантом выступает овсяница горная. В весенний период нарастание биомассы происходит более быстрыми темпами в дубняке овсяницевом: за период с мая по июль общая биомасса травостоя здесь увеличилась в 3, раза, в то время как в грабинниковом дубняке - в 2,4 раза, а в азалиевом - в 2,3 раза. Это объясняется различием в составе травостоя - в дубняке овсяницевом много весенних видов, которые к середине лета выпадают (зубянка, вероника и др.). С другой стороны, к лету интенсивно увеличивается проективное покрытие азалии, препятствующей развитию травяного покрова. Значительное влияние оказывают также погодные условия вегетационного периода.

Таким образом, в целом травостой в формации дуба скального выражен слабо.

Проективное покрытие из-за высокой сомкнутости полога верхнего яруса не превышает 20%. Видовой состав доминантных видов на вырубках достаточно однородный: овсяница горная и осока - в злаковом и азалиевом дубняках встречаемость овсяницы соответственно равна 85,0 и 80,0%, а в грабинниковом - 40%, осоки - 30%, 23 и 50%. По биомассе травяного покрова несколько выделяется грабинниковый дубняк (311,2 кг/га), у злакового и азалиевого этот показатель близок, и составляет соответственно 204 и 220 кг/га.

В период максимума развития травостоя масса травостоя определена: на водосборе со сплошнолесосечной рубкой - 1,33 т/га; на водосборе с узколесосечной (котловинной) рубкой - на делянках 1-го приема - 1,42 т/га, 2-го - 4,51 т/га; на контрольных водосборах (без рубок) - 0,70…1,04 т/га.

После низовых пожаров, прошедших осенью 1993 года на пробных площадях ЛГС травяной покров претерпел существенные изменения. Так, следующей весной отмечено на учетных площадках отсутствие растений-эфемеров, а последующее развитие травостоя характеризовалось поздним и медленным развитием. Зарастание гарей продолжалось до середины лета, причем флористический состав травостоя уменьшился до 5-7 видов: из состава выпали однолетники, значительно снизилось проективное покрытие. Продуктивность травяного покрова упала: в дубняке разнотравно-злаковом - до 142 кг/га, а в дубняке азалиевом - до 284 кг/га.

Травяной покров под пологом нетронутого рубкой древостоя (контроль) также выражен слабо. Его фитомасса в среднем за исследуемый период составляет 0,14 т/га, а проективное покрытие 5,2 %. В составе травянистой растительности здесь доминирует овсяница.

Изменение водоохранной роли дубовых насаждений в связи с рубками - Изменение элементов водного баланса дубовых лесов. В табл.37 представлены расчеты элесентов водного баланса 2-х водосборов ЛГС «Горский2 с опытными рубками. Анализ приведенных данных показывает, что в формации дуба скального на водосборе со сплошной рубкой максимальное увеличение стока (в 2,1 раза) наблюдается на 3й год после рубки, а среднее увеличение стока за 10 лет составляет в 1,6 раза за год. На водосборе с котловинной рубкой продолжительность ее влияния на увеличение стока (в 1,1 раза) составляет около 15 лет. Отмечено, чем хуже первоначальное состояние древостоев и почвы, тем меньшее влияние оказывают рубки на сток, и тем короче период относительной стабилизации водорегулирующих функций насаждений. При этом инфильтрационная часть водного баланса в сравнении с контрольным водосбором уменьшилась в раза, поступление влаги в глубокие горизонты почвогрунтов сократилось до 65 мм в год за счет возрастания быстрого склонового стока.

Можно отметить уменьшение различий между водосборами со сплошнолесосечной и котловинной (узколесосечной) рубками в сравнении с контрольными водосборами. В первые 2 года увеличение стока после рубки на 1-ом водосборе (со сплошной вырубкой) составило 56%, а в среднем за 6 лет, прошедших после рубки - 37%.

Таблица 38 - Водный баланс водосборов с опытными рубками на ЛГС “Горский” за весь период наблюдений Гидрологи- Осадки, водосбора) в 1-ый год после рубки сток увеличился на 6%, а в целом за 5 лет после рубки - на 9%. При этом к 6-ому году наблюдений после рубки на 1-ом водосборе различия в стоке с контрольным водосбором уменьшились до 12%, а на 2-ом водосборе (к 5-ому году) - увеличились до 18%.

В таблице 39 представлены усредненные данные водного баланса по отдельным пятилетиям для водосборов с опытными рубками. В среднем условия увлажнения (по количеству осадков) по периодам до и после проведения рубки сходны, что облегчает анализ полученных данных.

На 1-ом водосборе со сплошнолесосечной рубкой в калибровочный период расходная часть баланса состоит наполовину из стока (51,5%), примерно 1/3 занимает испарение (39,8%), а остальные 10% приходятся на долю инфильтрации и аккумуляции в почве. При этом баланс влаги контрольного к 1-му ручью 4-го водосбора практически одинаков за этот период: сток - 48,9%, суммарное испарение - 42,7%, инфильтрация - 8,9%.

В период после рубки на контрольном водосборе соответствующие величины составляют: 43,9, 39,7 и 14,0%.

Таблица 39 – Средний водный баланс водосборов ЛГС “Горский” за периоды до (1977-1983 гг.) и после рубок (1983-2005 гг.

1-ый ручей 4-ый ручей (контр) Водосбор с котловинной (узколесосечной) рубкой 2-ой ручей (контр) С учетом изменения элементов баланса на контрольном водосборе определено увеличение стока на 1-ом водосборе за 6 лет после рубки - в 1,37 раза; суммарное испарение несколько снизилось; практически исчезла инфильтрационная составляющая баланса.

Следовательно, влияние сплошнолесосечной рубки сказалось в резком уменьшении (до нулевых величин) глубоководного грунтового питания, составляющего основной резерв для питьевых вод.

На 2-ом водосборе с 2-приемной котловинной рубкой расходные элементы баланса до рубки составили: сток - 44,4% (на контроле 46,6%), суммарное испарение на контроле 42,3%). После рубки на 2-ом водосборе сток увеличился в 1,07 раза, испарение не изменилось, а инфильтрационная составляющая баланса уменьшилась в 0,77 раза, т.е. на 4% по балансу.

Рисунок 47 – Средний водный баланс водосборов с опытными рубками и контрольных на ЛГС «Горский» за период наблюдений 2000-2005 гг.

Таким образом, сплошнолесосечные рубки на водосборах в формации дуба скального при условии очень напряженного водного баланса до рубки (на инфильтрацию приходится лишь около 10% осадков) приводит к уменьшению грунтового питания рек до нулевых величин и к увеличению склонового стока в 1,4 раза. Группово-постепенные (котловинные) рубки воздействуют в направлении ухудшения водного баланса в значительно меньшей степени и могут быть рекомендованы к применению в условиях СевероЗападного Кавказа.

Изменение водорегулирующей роли дубовых лесов По результатам экспедиционных исследований формирования стока в формации дуба скального, где распространены бурые лесные почвы на тяжелых суглинках и глинах, водно-физические свойства почв в верхнем 30-40-см горизонте почвы характеризуются хорошими показателями в нетронутых рубками насаждениях. В связи с малой емкостью почвенного регулирования (30…40 мм) здесь наблюдаются большие величины паводочного стока даже на неповрежденных рубками склонах. Все виды рубок ухудшают водно-физические свойства почв, а сплошнолесосечные - в максимальной степени:

водовместимость уменьшается на 40…50%, фильтрационные свойства - в 10 раз и более.

На вырубках 5-летнего возраста водорегулирующие свойства примерно в 2 раза хуже, чем на свежих лесосеках.

Общими особенностями формирования склонового стока в условиях ЛГС "Горский" являются большие величины объемов и коэффициентов стока паводков, составляющих в среднем около половины всех выпадающих осадков. При этом в холодный период года основная часть паводков имеет коэффициенты стока, равные 90…98%. Различия в площади водосборов в 4 раза (от 6 до 25 га) на ЛГС "Горский" практически не сказываются на условиях формирования стока, что является следствием малой аккумулирующей емкости почвогрунтов на водосборах.

По экспериментальным данным установлены корреляционные зависимости, характеризующие формы гидрографов склонового стока на площадях рубок ЛГС “Горский”.

Так, связь объемов паводков водосбора №1 со сплошной рубкой и 4-го (контрольного) водосбора имеет линейный вид и коэффициенты корреляции 0,86…0,97, что позволяет с высокой степенью достоверности оценивать изменения паводочного стока после проведения опытной рубки. Связь коэффициентов паводочного стока (, % от осадков) также имеет линейный вид и коэффициенты корреляции 0,80-0,89. Максимальные модули стока на водосборах с рубками и контрольных водосборах имеют практически функциональную связь: r = 0,94…0,99.

На 2-ом водосборе (площадью 22,3 га) после проведения 2-х приемов узколесосечной (котловинной) рубки (при освоении рубкой 23% площади водосборного бассейна) существенных изменений склонового стока не наблюдалось. Несколько возросли (в 1, раза) объемы паводков.

Таблица 40 - Средние за сезоны коэффициенты паводочного стока на водосборах ЛГС “Горский” за 1984-1989 гг.

ские годы 1988- В целом, анализ осредненных характеристик паводочного стока показал, что на водосборе №1 со сплошной вырубкой на 3-ий год после рубки коэффициенты паводочного стока в 1,7 раза выше, чем на контрольном, на 6-й год после рубки - больше в 1, раза, на 7-й - в 1,10 раза, на 8-й - в 1,22 раза, чем до рубки. К 8-9-летнему возрасту молодняков паводки на сплошной вырубке в среднем для холодного периода в 1,06 раза выше, а за теплый период - в 1,86 раза больше, чем паводки на этом водосборе до рубки.

На водосборе №2 с двумя приемами узколесосечной рубки по данным последнего года исследований паводки холодного периода в 1,13 раза больше, а теплого периода - в 1, раза меньше, чем до рубки (в целом за год - в 1,05 раза больше).

Особенностью формации дуба пушистого является его приуроченность к перегнойно-карбонатным почвам, характеризующимся сильной щебенистостью и маломощностью при карбонатных подстилающих породах. В связи с этим, водно-физические свойства этих почв лучше, чем бурых лесных, и интенсивное хозяйственное и рекреационное воздействие сказывается не так сильно на гидрологических функциях (в сравнении с другими формациями). Тем не менее, рубки в 2…3 раза ухудшают фильтрационные свойства почв, при этом становится большим период относительного восстановления их после рубок (на 13-летних вырубках на глубине около 35 см УКФ составляет 0,4 мм/мин).

Таким образом, сопоставляя условия формирования стока в двух основных формациях Северо-Западного Кавказа - буковой и дубовой, следует отметить очень высокую водорегулирующую способность буковых насаждений (и это при условии большей увлажненности) и относительно слабое водорегулирующее воздействие дубрав, особенно в холодный период.

В связи с малым бассейновым регулированием стока (как отмечалось выше, бассейны с площадью 23 га и 7 га практически не отличаются величиной регулирования) в зоне дубрав очень часто возникают периоды с напряженным водным балансом - с одной стороны, и катастрофическими паводками - с другой.

В формации дуба скального на водосборе со сплошнолесосечной рубкой максимальное увеличение стока (в 2,1 раза) наблюдается на 3…5-й год после рубки, а среднее увеличение стока за 10 лет составляет 1,59 раза за год (рис. 48).

На водосборе с котловинной двухприемной рубкой (проведено 2 приема) при освоении рубкой 23% площади водосбора увеличение стока в 1,3 раза наступает на 4-й и на 9-й год, продолжительность влияния рубки - не менее 15 лет, а среднее увеличение стока - в 1,09 раза в год (рис. 48).

Анализ материалов по склоновому стоку в формации дуба скального не даёт достаточно веских оснований для однозначного решения о наступлении стабилизации условий формирования стока даже после 20-летнего периода наблюдений. Как на площади сплошнолесосечной рубки с 20-летними молодняками, так и на водосборе с котловинной рубкой индексы изменения склонового стока в некоторые годы снижаются до величин 0,9, в другие годы – увеличиваются до 1,2-1,3, особенно в холодные периоды, когда регулирование выпадающих осадков площадью водосбора минимальное (коэффициенты зимних паводков приближаются к 0,95) (рисунки 49).

Модульный коэф.

Рисунок 48 - Изменение склонового стока в дубовых насаждениях ЛГС «Горский»

(водосбор № 1 со сплошнолесосечной рубкой 22-летнего возраста -1982-83 гг.) Обозначения на рис.48 и 49: мод. коэф. - модульные коэффициенты стока (левая шкала); сток - коэффициенты изменения стока (правая шкала).

Рисунок 49 - Изменение склонового стока в дубовых насаждениях ЛГС «Горский»

Водно-физические свойства почв на площадях промышленных рубок Состояние поверхности почвы после проведения лесосечных работ можно оценить следующими 3-мя категориями в балльной оценке:

1 - повреждения отсутствуют;

2 - снесена подстилка, частично поврежден и уплотнен гумусовый горизонт почвы (до 10 см);

3 - пасечные и магистральные волока, а также участки со значительным повреждением гумусового и аллювиального горизонтов (>10 см).

Исследованиями было доказано, что степень повреждения почвенного покрова достаточно надежно увязывается с изменением плотности поверхностных горизонтов почв. В табл. 41 даны величины плотности поверхностного 10-см горизонта почв на участках с различными категориями повреждений при рубках в буковых и дубовых насаждениях.

При одинаковых категориях повреждения почвы уплотнение зависит от способа рубки, технологии лесосечных работ, которыми определяются не только эксплуатационные повреждения почвы, но и последующие изменения ее физических свойств под влиянием естественных природных процессов.

С учетом принятых категорий повреждений почвы на 15 пробных площадях в буковых древостоях, и 15 - в дубравах была определена распространенность повреждений по площади в зависимости от способов рубки (табл. 41).

Таблица 41 - Степень повреждения и объемный вес поверхностного горизонта почвына площадях рубок в букняках и дубравах Причерноморья Способ рубки Промышленновыборочная Добровольновыборочная Группововыборочная В буковых насаждениях, изреженных промышленными выборочными рубками 5лет назад, площадь поврежденного почвенного покрова достигает 57% от общей. Восстановление структуры на поврежденных участках происходит медленно, при этом 15% площади имеют величины коэффициента фильтрации (УКФ ) меньше 0,1…0,2 мм/мин. На участках добровольно-выборочных рубок значительные повреждения почвенного покрова распространены лишь на 18% площади при минимальном УКФ около 0,2 мм/мин, а остальные 82% площади имеют УКФ более 3…5 мм/мин.

С увеличением возраста вырубок происходит перераспределение соотношений между участками с различными категориями повреждения. За счет разрастания травяного покрова и возобновительного процесса уменьшается доля повреждений 2-й и 3-й категорий, и соответственно увеличивается площадь с характеристиками 1-й категории.

Средневзвешенный объемный вес (плотность) почв при промышленных выборочных рубках в буковых древостоях увеличивается до 1,11 г/см3, а УКФ снижается до 2,0 мм/мин. При добровольно-выборочных рубках эти показатели составляют - 0, г/см3, и 12,6 мм/мин. В дубравах, на свежих сплошных вырубках 87% площади имеют значительные повреждения почвенного покрова; на долю 2-й категории повреждений приходится 46%, 3-й - 41%; УКФ поверхностных горизонтов на таких участках уменьшается до 0,2 мм/мин. Средневзвешенный объемный вес почв на этих вырубках составил 1,29 г/см3, а величина УКФ - 1,6 мм/мин.

При группово-выборочных рубках, с диаметром окон около 20…30 м и тракторной трелевкой древесины (на 1 га закладывается 4-5 окон) в среднем свыше половины поверхности почвы в окнах получают средние и сильные повреждения. В расчете на 1 га площади при таком способе рубки почва повреждается лишь на 13% при среднем объемном весе 1,17 г/см3 и УКФ - 4,5 мм/мин.

Влияние технологии лесозаготовок на гидрологические свойства почвы Водно-физические свойства (ВФС) почв исследовали в основных лесных формациях региона на лесосеках, освоенных различными способами рубок главного пользования с применением трелевочных тракторов, канатных установок и вертолетов. Для этого были заложены 40 пробных площадей, на которых изучены ВФС почв: плотность - П, условный коэффициент фильтрации - УКФ, полевая влажность - ПВ, и наименьшая влагоемкость - НВ [108]. На пробных площадях почвенным буром БП-50 были взяты монолиты с ненарушенной структурой (объемом 500 см3) из почвенных разрезов послойно через 10…20 см до глубины водонепроницаемых горизонтов (в 5…10-кратной повторности), по которым в лабораторных условиях затем определены ВФС почвы для этих горизонтов. На 10 лесосеках с вертолетной транспортировкой древесины наблюдения выполнены в динамике - на 1-ый, 2-ой, 3-ий и 4-ый годы после рубок.

Установлено, что пределы изменений осредненных характеристик ВФС по профилю почвы на площадях опытно-производственных рубок с тракторной трелевкой древесины (без волоков) и на контрольных участках в нетронутых рубками свежих древостоях бука восточного и дуба черешчатого с буком (контроль) по П и УКФ различий не имеют. В буково-пихтовом насаждении П выше на 10%, УКФ - в 2 раза, а НВ ниже на 26…40% (из-за увеличения щебнистости почвы).

Материалы исследований на ЛГС "Аибга" в свежих и влажных буковых насаждениях показали, что на водосборе № 1 через 11 лет после опытной сплошнолесосечной рубки, и на водосборе № 2 после 1-го приема котловинной рубки ВФС бурых лесных почв в верхних горизонтах приближаются по значениям к контрольному участку леса (4ый водосбор).

На 3-ем водосборе с добровольно-выборочными рубками (интенсивностью 16% и 30% выборки запаса) ВФС через 10 лет отличаются от контроля несущественно, но они имеют худшие показатели на участках с большей интенсивностью выборки запаса древесины. Таким образом, прослеживается зависимость динамики ВФС от способов и интенсивности рубок. На тракторных волоках за период наблюдений ВФС не восстановились;

так, на пасечных волоках-террасах в слое 1…14 см П равна 1,21…1,27 г/см3, УКФ мм/мин, НВ – 51…51%.

Изучение гидрологических свойств почв на площадях лесосек, освоенных с применением вертолетной транспортировки древесины показало, что примерно на 2/3 лесосек наблюдается ухудшение водно-физических свойств почв в сравнении с контролем, а также уменьшение почвенного профиля. На 6-8 летних вырубках, расположенных на склонах до 200, отмечается восстановление водно-физических характеристик почвенного покрова до исходного уровня.

Негативные изменения проявляются особенно отчетливо на вырубках, расположенных на крутых склонах (>300) и при замедленном возобновительном процессе. Влияние размеров лесосек прослеживается недостаточно отчетливо, необходимы дополнительные исследования. При крутизнах склона, превышающих 350, на лесосеках в возрасте 4- лет наблюдаются оползневые явления. В связи с этим, рубки леса на таких склонах должны быть запрещены.

Таким образом, водно-физические свойства почв на лесосеках зависят как от способов и интенсивности рубок, так и от технологии лесозаготовок и используемых при этим машин и механизмов. Из всех исследованных технологических схем освоения лесосек с различными способами рубок и используемыми механизмами наименьшие повреждения почве и ее водно-физическим свойствам наносятся при использовании вертолетов.

Установлено, что и на лесосеках, разработанных с применением вертолетов на транспортировке древесины, в дальнейшем (через 3-4 года после рубки) наблюдается ухудшение почвенно-гидрологических характеристик, хотя и не настолько значительное, чтобы повлечь резкое изменение режима склонового стока.

По результатам исследований можно сделать вывод о том, что как на базе перспективных транспортных средств, так и при применении существующей техники, возможно и целесообразно внедрение в производство наиболее перспективных технологий лесосечных работ, при которых лесной среде наносится сравнительно меньший ущерб.

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 почвы, зависящей в свою очередь от содержания и качественного 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 древеснокустарниковой 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.

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.

Исследования на ЛГС “Аибга” показали, что в незатронутых рубкой буковых древостоях поверхностный сток не превышает 0,2% от общего, поэтому здесь почти полностью отсутствует эрозия почв. По данным многолетних наблюдений максимальный за паводок эрозионный смыв под пологом леса был равен 0,02 т/га.

За 26 лет наблюдений на ЛГС “Аибга” максимальные мутности воды не превышали 200 г/м3, а средние величины мутности имеют значения не более 2…4 г/м3. В первые года после рубки на водосборе со сплошной вырубкой осредненные за год максимумы мутности воды 1,5…3 раза выше, чем на контрольном водосборе. Такая же картина наблюдается и на водосборах с добровольно-выборочной и котловинной рубками. Однако сами величины мутности настолько малы, что не имеет смысла делать вывод о скольконибудь существенном увеличении стока взвешенных наносов на площадях рубок.

Расчет суммарного стока взвешенных наносов позволяет оценить вынос взвесей с одного га водосбора (табл.63). Так, за гидрологические годы на 1-м водосборе он был равен 1,1…34,6 кг/га, на 4-ом водосборе - от 10,4 до 64,2 кг/га. Приведенные данные свидетельствуют о закономерном увеличении выноса с увеличением площади водосбора, т.е.

о росте русловой эрозии, но не плоскостной. Следовательно, проведенные опытные рубки на водосборах с принятой технологией лесосечных работ в первые годы наблюдений не привели к увеличению выноса эродированных частиц почвы за пределы водосборов.

Таблица 42 - Сток взвешенных наносов на ЛГС “Аибга” в первые 5 лет после проведения опытных рубок на водосборах Водосборы с опытпосле рубки №1 - сплошнолесосечная рубка №2- первый прием котловинной рубки №3-добровольновыборочная рубка Способствуют этому обстоятельству высокие водно-физические характеристики почвенного покрова. Сток эродированных почвенных частиц за счет кольматажа почвенных пор аккумулируется на тех участках, где почва оказалась не поврежденной при лесосечных работах. С таким процессом связано увеличение плотности почвенного покрова на вырубках, и ухудшение его фильтрационных свойств. Восстановление водно-физических свойств почв растягивается на десятилетия, и до начального уровня (при значительных нарушениях при проведении рубок) может не произойти вообще. В связи с этим, лесные экосистемы с вторичными (производными) лесами будут обладать более низким экологическим потенциалом. Таким образом, важно подчеркнуть необходимость освоения лесных ресурсов горных территорий такими способами и технологиями, при которых сохранность почвенного покрова при лесосечных работах укладывалась бы в определенные нормативы, вводимые в региональные правила рубок.

Динамика стока взвешенных наносов показывает, что при строгом соблюдении правил рубок и технологий лесосечно-транспортных операций уже на 3-й год после рубки эрозионные процессы на водосборах практически затухают, а при проведении рубок без повреждений почвенного покрова могут вовсе не наблюдаться.

Эрозия почв на трелевочных волоках. Эксплуатационные повреждения почвы при закладке пасечных волоков-террас, которые размещались (котловинная рубка на ЛГС “Аибга”) через 50…80 м по горизонталям горных склонов и заняли 6…8% общей площади делянок, составили 150…200 м3/га. При этом бульдозером почва перемещается в отвальную часть волоков и остается в пределах малого водосбора. Пасечные волокатеррасы, в отличие от магистральных серпантинных волоков, являются препятствием для водной эрозии и накопителями смытой почвы. На пасечных волоках-террасах происходит постоянное накопление почвы - от 5,2 м3 за 1-ый год до 21,4 м3/100 пог. м - через лет после рубки.

На магистральном волоке снос почвы достиг максимума через 2 года, а спустя года установлено уменьшение смытой почвы на 0,7 м3/100 пог. м, так как поверхностный сток достиг уровня твердых материнских пород. Поскольку магистральный волок использовался при проведении очередных приемов опытной котловинной рубки (1982 и гг.), на нем не получены данные по дальнейшему развитию эрозионных процессов.

Для предотвращения последующих размывов, после окончания разработки лесосек необходимо проводить противоэрозионные мероприятия путем выравнивания волоков и устройства на них земляных валов высотой 0,5…0,6 м и водоотводов [152].

Эксплуатационные нарушения на пасеках между трелевочными волоками заключаются в уплотнении поверхностного горизонта почвы в местах падения деревьев, а также в перемещении подстилки и грунта при подтрелевке хлыстов (полухлыстов) к пасечным волокам. Объем деформированной почвы при этом составляет 2…10 м3/га. Снесенная подстилка и почва в основном откладываются на волоках-террасах.

При изучении динамики водной эрозии на площадях рубок одновременно наблюдается смыв и нанос почвы. Смыв преобладает на поврежденных, а нанос - на ненарушенных почвах.

В опытах установлено, что интенсивность повреждений почвенного покрова при лесосечных работах определяет в последующем развитие эрозионных процессов, В дубравах Причерноморья с использованием метода искусственного дождевания малых площадок изучался эрозионный смыв почвы под пологом насаждений, на свежих сплошных вырубках при различных степенях повреждения почв тракторами, на сплошных 7-летних вырубках, находящихся в стадии возобновления, а также в сильно нарушенных хозяйственной деятельностью грабинниковых зарослях (табл. 43).

Из опытов следует, что под пологом сомкнутых насаждений твердый сток практически не возникает. На сплошных свежих вырубках, в местах, где почвенный покров не нарушается при эксплуатационных работах, твердый сток также незначителен. При коэффициенте стока за паводок 16% и сумме осадков 107 мм твердый сток составил 0, т/га.

Таблица 43 - Эрозионный смыв с экспериментальных площадок в опытах с искусственным дождеванием в зоне дубрав Причерноморья Характеристика площадок Склон - ЮВ экспозиции, крутизна 180.

Тип леса - дубрава кизиловая, А-80л.,полнота-0,6, бонитет - III. Поч- 5 0,0 0,0 0,00 0, вы - перегнойно-карбонатные, среднемощные Свежая сплошная вырубка (4 мес.) Склон - ЮВ, крутизна 350. Тип леса до рубки - дубрава кизиловая. Почвы - перегнойно-карбонатные, среднемощные, повреждения (трактором) Та же вырубка, крутизна склона - 260, Та же вырубка, крутизна склона - 190, магистральный тракторный волок.

Сплошная вырубка, 7 лет (дубрава грабинниковая), возобновление порослевое, куртинное (Н=3,0 м). Травяной покров развит, склон В экспозиции, крутизна - 120, почвы бурые, маломощные, смытые.

Нарушенные заросли грабинника вторичного происхождения, сомкнутость 0,9, склон Ю-В, крутизна 170, почвы смытые, сильно уплотнены.

На участках лесосеки, где повреждения почвы тракторами достигали примерно 30%, твердый сток при тех же условиях опыта увеличился почти в 50 раз (3,75 т/га). На магистральных волоках в силу сноса значительной части почв при трелевке древесины твердый сток был выше, чем на неповрежденных участках примерно в 17 раз. На сплошных 7-летних вырубках (трелевка древесины также осуществлялась тракторами) и где возобновление еще не закончено, эрозионные процессы достигают существенных значений. Неудовлетворительными противоэрозионными функциями характеризуются сильно нарушенные хозяйственной деятельностью грабинниковые заросли (типа шибляк).

Таким образом, экспериментально установлено, что проявление защитных свойств лесных насаждений во многом определяется подстилающей горной породой. Так, горнолесные почвы на делювии гранитов, кристаллических сланцев, известняков и песчаников обладают значительной водопроницаемостью, исключающей поверхностный сток и эрозию при катастрофических ливнях. При этом наблюдается понижение защитных функций спелых и перестойных елово-пихтовых насаждений с мертвым покровом, для которых на склонах более 200 характерно обнажение скелетных корней. По мнению А.П. Казанкина [152], в таких случаях формирование живого напочвенного покрова и подроста путем разреживания древостоя может в значительной мере усилить защитную роль насаждений.

Слабее водопоглотительная способность горно-лесных почв, подстилаемых глинами и суглинками. Защитная роль насаждений в этом случае может быть усилена путем формирования густого подлеска.

В районах распространения глинистых сланцев наиболее контрастно проявляется зависимость защитных функций насаждений от их лесоводственных особенностей. На участках с кустарниковым подлеском смыв и размыв почвы при ливнях отсутствовал, а в высополнотных древостоях без подлеска вынос продуктов эрозии достигал 14 т/га.

Примерно такие же данные по впитыванию, стоку и эрозии почв получены в буковых и дубовых лесах региона. Таким образом, можно считать доказанным, что максимальными противоэрозионными функциями во всех лесных формациях обладают сомкнутые насаждения, обладающие всеми компонентами, присущими лесу. Нерациональная хозяйственная деятельность (сведение лесов, неправильные рубки, нерегулируемый выпас скота и т.д.) изменяет в нежелательном направлении не только впитывающую способность почв, но и гидравлические характеристики поверхности. Скорости стока при прочих равных условиях возрастают в три-четыре и более раз, в связи с чем резко увеличивается опасность эрозии и развития селевых явлений.

По степени влияния на почвенный покров наиболее отрицательные последствия оказывают сплошные рубки при наземной бессистемной тракторной трелевке древесины.

Значительно меньшие нарушения почвенного покрова и физико-химических показателей почв имеют место при проведении постепенных и выборочных рубок. Степень последствий от повреждений почвенного покрова при одних и тех же способах рубок и технологии лесосечных работ определяется типом леса и почв, характером почво-грунтов, геоморфологией местности, климатическими факторами. Поэтому для разработки рациональных систем хозяйства необходимо располагать конкретными данными по влиянию рубок на состояние почвенного покрова в данном районе. Выявленные закономерности влияния горных лесов на элементы водного баланса и защиту почв от эрозии имеют принципиальное значение в разработке научных основ охраны окружающей среды и использования лесных, земельных и водных ресурсов горных территорий.

Трансформация покрытых лесом площадей с целью использования их под пашни, сады, плантации, застройки и т.д. сказывается на гидрологическом режиме территории.

Таблица 44 - Водно-физические свойства почв на участках проведения экспериментов (осредненные данные) Обозначения: участок 3 - сельхозугодия, сады; участок 4 - прогалины под выпасом; участок 5 - плантационные культуры кипариса, 1 класс возраста; участок 6 - свежая раскорчевка; участок 7 - молодняки II кл. возраста; участок 8 - изреженные (полнота 0,5) буково-каштановые древостои II кл. бонитета.

Экспериментальные исследования гидрологической роли таких участков в бассейне р. Шахе, в бассейнах малых рек - Хобзы и Буу, в приморском и среднегорном лесорастительных районах (преобладание дубово-грабовых, каштановых и буково-грабовых лесов) были проведены нами совместно с кафедрой гидрологии Одесского Гидрометинститута. Для экспериментов выбраны наиболее характерные участки различных видов угодий. Контролем служили покрытые лесом территории. На участках ставились опыты с искусственным дождеванием элементарных водосборов (до 300 м2), а также выполнялась инфильтрационная съемка склонов при помощи простейших кольцевых инфильтрометров площадью 0,1 м2 (Бефани и др., 1968, 1970). Всего было проведено 16 опытов с искусственным дождеванием и 95 опытов с инфильтрометрами.

Из теории следует, что движение воды в почве определяется тремя факторами:

геометрией порового пространства, заполняемого водой, механическими свойствами почво-грунтов и силами, действующими на воду.

Таблица 45 – Характеристики минимального впитывания почвой по территории на различных угодьях (обозначения в табл. 44) Общий статистический ряд Общий статистический ряд Примечание: К - среднее ряда; ± mк - ошибка среднего; - среднеквадратическое отклонение; Сv - коэффициент вариации, Cs - коэффициент асимметрии; Е - эксцесс; Р точность.

Для реальных почв геометрия порового пространства (размеры и их соотношения) характеризуются случайными распределениями по площади и по глубине. В целом для всех почвенных разностей характерно снижение некапиллярной скважности с глубиной.

Этими закономерностями обусловливаются различия интенсивности поверхностного впитывания на реальных водосборах.

Сказанное подтверждается результатами опытов по определению впитывания с помощью простейших кольцевых инфильтрометров, поставленных на различных видах угодий. Так, минимальное впитывание (т.е. впитывание на конец опыта) на сельхозугодиях, в садах колебалось от 8,80 до 0,01 мм/мин, а на контрольных лесных участках мм/мин.

На участке 3 минимальное впитывание изменялось от 2,00 до 0,00 мм/мин., на участке 4 - от 15,0 до 0,001 мм/мин., на участке 5- от 16,0 до 0,11 мм/мин., на участке 7 от 2,90 до 0,015 мм/мин.

Таким образом, результаты определения минимального впитывания на площадях, занятых различными видами угодий, показывают, что исследования водоохраннозащитной роли площади можно на основании статистического анализа распределения впитывания. В табл. 46 приведены результаты обработки статистических рядов величин минимального впитывания, которые были получены инфильтрационной съемкой склонов, покрытых лесом и находящихся под хозяйственным воздействием. Средняя интенсивность впитывания для отдельных рядов, полученных на сельхозугодиях, на прогалине под выпасом, плантациях и свежих раскорчевках, изменяются от 0,26 до 2,25 мм/мин.

Однако, вариация впитывания здесь настолько велика (коэффициенты вариации достигают 306%), что нет оснований утверждать о достоверности различий этих рядов. В связи с этим, был предпринят расчет оценки различий между выборочными средними рядов интенсивности впитывания на площадях, подверженных хозяйственному воздействию в целом.

Таблица 46 - Координаты кривых обеспеченности интенсивности минимального впитывания по площади, мм/мин Участки Интенсивное хозяйственное воздействие Обобщив 4 выборки для площадей с интенсивным хозяйственным воздействием и 2 выборки для контрольных лесных площадей, получим 2 статистических ряда, с помощью которых можно характеризовать изменение водоохранно-защитных функций прибрежных территорий в результате сведения лесной растительности. По результатам обработки этих двух рядов построены 2 кривые обеспеченности интенсивности минимального впитывания.

Из анализа эмпирических кривых обеспеченности интенсивности впитывания по площади следует, что на участках, покрытых лесом, 70% площади способны поглотить ливни с интенсивностью более 0,6 мм/мин. Несмотря на то, что в прибрежной части побережья находятся зачастую в неудовлетворительном состоянии (допускается выпас скота, чрезмерное изреживание и т.д.), основная часть их площади значительно лучше выполняет водорегулирующие и защитные функции по сравнению с сельскохозяйственными угодьями. На участках, подверженных интенсивному хозяйственному воздействию, защитные функции могут выполняться лишь одной четвертой частью площади.

Сравнивая приведенные кривые обеспеченности по их координатам, можно определить, что в среднем площади, находящиеся в интенсивном хозяйственном использовании, в 17 раз хуже выполняют водорегулирующие и защитные функции по сравнению с лесными участками. При этом варьирование интенсивности впитывания на сельхозугодьях в 2 раза выше, чем в лесу. Это объясняется большей пятнистостью почвенных условий на обрабатываемых площадях, особенно в отношении водно-физических характеристик почв.

В опытах на хозяйственно-используемых участках наименьшее впитывание 0,10мм/мин.) получено на прогалине, где проводится систематический выпас скота. В среднем же для всех участков интенсивность впитывания составила 0,40 мм/мин при интенсивности дождевания 1,03 мм/мин. Средний коэффициент стока 0,40, при максимальных значениях - до 0,90.

На контрольных лесных участках дождевание проводилось с большей интенсивностью (в среднем 1,93 мм/мин.), поскольку при интенсивности, равной интенсивности дождевания на сельхозугодьях, сток был незначительным. При этом впитывание получилось в 2 раза больше - в среднем 0,79 мм/мин. Паводочный сток здесь проходил не по поверхности, а почти целиком в дренах и порах почвы, что значительно уменьшает его скорость и размывающую способность.

В заключение по результатам изучения водорегулирующей роли лесов можно отметить следующее:

- экспериментальные исследования впитывания, как одного из основных показателей водорегулирующей роли исследуемых площадей необходимо проводить с использованием статистических методов, что исходит из большого варьирования этого признака по площади. Помимо использования метода искусственного дождевания элементарных водосборов, для оценки защитных свойств различных видов угодий необходимо применение инфильтрационных съемок склонов;

- даже расстроенные насаждения выполняют водорегулирующие функции значительно лучше, чем площади, находящиеся в интенсивном хозяйственном использовании.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ГОРНЫХ ЛЕСОВ

НА БАЗЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

4.1. Экологический мониторинг лесов как основа Понятие "информация" - одна из общенаучных, философских категорий, которая из-за многообразия толкований не имеет общепринятого определения. В прикладных областях науки понятие "информация" совпадает с понятиями "сведения", "данные ". В Федеральном Законе " Об информации, информатизации и защите информации " информация определяется как сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах, независимо от формы их представления, а под информационными ресурсами понимается вся совокупность этих сведений в виде отдельных документов или их массивов, которые сосредоточены в библиотеках, архивах, фондах, банках данных и других информационных системах местного, регионального или общегосударственного значения. На основе этих представлений по данным многолетних исследований динамики лесных экосистем различного ранга необходимо составление банка данных мониторинга горных лесов Причерноморья на 3-х уровнях - первичные данные мониторинга биотической и абиотической составляющих экосистем, осредненные материалы по всем объектам наблюдений, а также в виде математических моделей, показывающих взаимосвязи и динамику элементов экосистем разного ранга.

В электронном виде он должен быть представлен двумя специальными программами для ЭВМ, с помощью которых производится ввод, обработка и накопление первичной информации по уровням воды на водосливах, стоку, температуре и влажности воздуха и почвы для различных временных отрезков - от часов до месяцев. С помощью этих же программ производится обработка и вывод на печать основных параметров среды для месяцев, сезонов и гидрологического года.

Концептуальное решение методологии экологического мониторинга лесных экосистем различного ранга разрабатывается на основе выбора наиболее подходящих типовых программ ГИС-технологий (WinGIS, ArcView и др.).

Лесные сообщества можно разделить на следующие уровни (ранги):

- отдельные особи (деревья, кустарники и т.д.), различающиеся по биологии, экологическим нишам произрастания, санитарному состоянию и т.д.

- древостои – по определению «совокупность деревьев, иногда кустарников, являющаяся основным компонентом насаждения», которая различается по строению, происхождению, состоянию, сложности и т.д.;

- насаждения – совокупность растений, состоящая из древостоя, а также часто подроста, подлеска и живого напочвенного покрова, объединенных однородными лесорастительными условиями и характеризующиеся определенной внутренней структурой (по определению, может быть различным по ярусности, строению, хозяйственной ценности и т.д.);

- лес - совокупность лесных древесных и иных растений, почвы, животных, микроорганизмов и других природных компонентов, имеющие внутренние взаимосвязи и связи с внешней средой (по определению, может быть девственный, мелколиственный, широколиственный, светлохвойный, темнохвойный).

Как правило, эти биологические уровни связаны с размерами занимаемого физического пространства (площади), определяемым уровнем сообщества (дерево, выдел, квартал, лесничество, лесхоз и т.д.), классификация по которым помогает хозяйственному выделению и управлению (менеджменту). Если эти площади будут привязаны к географически обоснованной схеме деления участков суши (земли), то появляется возможность комплексно решать многие хозяйственные задачи. Например, увязать задачи ведения лесного и водного пользования возможно на основе привязки квартальной сети к водосборам различного ранга.

Система мониторинга, в соответствии с методикой EЭK, должна содержать показатели дефолиации, дехромации и изменения прироста. В организационном плане эта система имеет в себе возможности сочетания стационарной сети мониторинга элементов различной функциональной структуры: а) пункты постоянных наблюдений (ППН), на которых определяются показатели дефолиации, дехромации, изменения прироста, ведутся наблюдения за динамикой развития болезней и вредителей леса, берутся образцы почв и органики для химических анализов, приростные керны и модельные деревья); б) пункты визуально-дистанционного контроля (ПВДК), которые используются для определения границ и площадей насаждений, где имеет место выраженные процессы деградации.

При этом применение ГИС-технологий должно обеспечить позиционирование пунктов наблюдений как на этапе полевых исследований, так и анализ и построение различных зависимостей для экологических прогнозов на стадии последующих обработок.

Интенсивность мониторинга определяется степенью деградации насаждений. Максимальная интенсивность (первая степень) должна иметь место там, где процессы деградации лесных экосистем имеют выраженный характер. Вторая степень интенсивности мониторинга должна иметь место в лесных массивах, в которых имеются явные признаки техногенного угнетения, однако динамика изменения прироста, дефолиации и дехромации не имеет определенных негативных тенденций и зависит в основном от природных факторов. Мониторинг третьей степени интенсивности осуществляется в лесных массивах, где отсутствует видимые признаки угнетения насаждении, а радиальный прирост не имеет аномальных отклонений, которые невозможно объяснить естественными причинами.

В составе комплексного экологического мониторинга следует различать его различные стадии, определяемые задачами проведения. Так, в связи с необходимостью выполнения лесоустроительных работ и ведения хозяйства в лесах проводится лесохозяйственный мониторинг, который включает картирование (на базе электронных карт), систему отвода участков леса в хозяйственное использование, а также систему контроля проведения лесохозяйственных мероприятий. Данный вид мониторинга проводится специализированными организациями и лесохозяйственными предприятиями.

Мониторинг лесных экосистем различного ранга имеет задачи долговременных исследований научными организациями, целью которых является установление экологических связей лесной растительности с параметрами среды, прогноз их краткосрочных и долговременных изменений, в том числе и в географических координатах. Конечными задачами экологического мониторинга является разработка научно обоснованных нормативно-правовых документов, обеспечивающих неистощительное рациональное природопользование с комплексным использованием всех полезностей и защитных функций леса.

В отличие от равнинных лесов, комплексный экологический мониторинг горных лесных экосистем имеет свои особенности как в концептуальном отношении, так и по методическим и организационным подходам.

По масштабам получения и обобщения информации о состоянии лесной растительности подразделяются уровни мониторинга: глобальный, региональный и локальный. Помимо этого, различают специализацию мониторинга по объектам наблюдений и его задачам. Обработка и анализ информации, полученной при различных уровнях и задачах мониторинга, всегда происходит с потерей ее надежности. Это особенно ощутимо при локальном мониторинге, когда наблюдения ведутся на ограниченной площади, в связи с чем информация должна обладать четко фиксируемыми естественными границами.

В горных условиях задачей экологического мониторинга является сбор и анализ объективной информации об изменениях биологических, геохимических и геофизических параметров лесных экосистем различного уровня. При этом должны быть применены методические особенности: комплексность мониторинга; количественная оценка (предпочтительно - в виде математических моделей) процессов, происходящих внутри экосистем;

длительность проведения мониторинга с целью изучения пространственно-временных изменений в моделях отдельных компонентов экосистем.

Для создания методики, сочетающейся с общепринятой методикой ЕЭК, и в то же время отражающей специфику горных регионов, основным является вопрос о принципах и критериях организации лесного мониторинга для горных лесов. Лесохозяйственная деятельность при этом рассматривается в аспекте непрерывного и неистощительного пользования лесными ресурсами.

В горных условиях в качестве объекта основным требованиям к проведению мониторинга исследований отвечает водосборный бассейн, который удобен определенностью и постоянством своих границ, а также устойчивой направленностью потоков вещества и энергии. На уровне локального мониторинга наиболее предпочтителен мониторинг водосбора минимальных размеров - элементарного водосбора. Локальный мониторинг включает несколько элементарных водосборов, что дает возможность в активном эксперименте выявить взаимное влияние составляющих экологических систем.

Комплексный экологический мониторинг в горных регионах следует проводить на различных иерархических уровнях, которых должно быть не менее трех. Основным признаком выделения уровней (рангов) служит площадь водосбора.

Первым уровнем является сравнительно однородный участок горного склона (выдел или группа выделов), для которых отсутствует ручьевой сток (вследствие малой концентрации почвенно-грунтовых вод) из-за небольшой площади - до 5-10 га.

Вторым уровнем является минимальный водосбор, входящий в гидрографическую сеть реки (приток 1-го порядка) - так называемый элементарный водосбор. Характерным признаком его следует считать четко сформированные геоморфологические признаки водосбора - его границы, склоны различной ориентации, русло водотока, а также наличие ручьевого постоянного или сезонного стока (в холодный период года); размеры его могут колебаться в различных природно-климатических зонах региона от нескольких десятков до нескольких сотен га; он может включать от 1 до 2-3 кварталов.

Третьим уровнем является водосбор реки, имеющей развитую речную сеть, устойчивый базисный сток, и впадающий в основные реки региона. Размеры таких бассейнов измеряются десятками и сотнями кв.км (т.е. сотнями и тыс.га). Характерными особенностями таких водосборов являются включения различных почвенноклиматических, геолого-геоморфологических лесорастительных условий, которые закономерно изменяются по длине горной реки.

Наиболее удобным для исследований является водосбор наименьшего притока реки - элементарный водосбор, представляющий собой достаточно однородную площадь в отношении геоморфологических, почвенных, геологических, климатических, гидрологических и лесорастительных условий, в связи с чем мониторинговые исследования на уровне элементарных водосборов должны включать лесоводственно-таксационные, теплобалансовые и водно-балансовые исследования на лесогидрологических стационарах.

На уровне речных водосборов, состоящих из нескольких сотен элементарных водосборов, локальный или региональный мониторинг должен дать ответ на вопрос, каким образом реагирует общая система (более высокого ранга) на изменение параметров среды в связи с рубками и другими хозяйственными мероприятиями на территории речной системы. Методической основой должен оставаться водный баланс всей речной системы в укрупненных показателях (во времени и по площади), а также интегральные характеристики лесной растительности на водосборах. Особенностями экосистем этого ранга является достаточно обширный спектр всех 3-х составляющих элементов - биотического, абиотического и антропогенного.

Критериями мониторинга лесных экосистем разного ранга служат параметры, характеризующие отдельные объекты (элементы) внутри экосистем каждого ранга. Так, на уровне элементарных водосборов критериями служат: породный состав, таксационные характеристики насаждений и их продуктивность, распределение по крутизне, структура и состояние древостоев, а также параметры, характеризующие лесообразующие и почвообразующие процессы и динамику элементов водного и теплового балансов.

В связи с разноуровенностью объектов изучение влияния лесохозяйственной деятельности на гидрологический режим различными являются критерии гидрологического режима и модели его изменения.

На 1-ом уровне (уровне выдела) ввиду однородности лесорастительных условий имеется возможность учесть наибольшее количество критериев как биотической, так и абиотической группы факторов (динамики растительности и гидрологического режима).

Здесь целесообразно рассматривать влияние насаждений на изменение отдельных элементов водного баланса.

На 2-ом уровне таких критериев должно быть меньше, а гидрологические модели должны обладать меньшей сложностью.

На 3-ем уровне вследствие взаимного наложения процессов, имеющих противоположное влияние, а также из-за нивелирующего влияния самой площади, критерии гидрологического режима и состояния лесной растительности сводятся к минимуму (1-2 интегральных показателя). На уровне основных речных систем регионов в качестве интегрированных критериев лесных экосистем являются: лесистость бассейна; таксационные показатели структуры и строения насаждений на водосборе Рекомендуется система критериев мониторинга лесных экосистем, включающая характеристики продуктивности и биомассы насаждений, показатели воднобалансовых наблюдений (за осадками, режимом влажности почвы, твердым и жидким стоком), а также микроклиматические наблюдения.

Система критериев, характеризующих экологические системы различного ранга, имеет ранговость (иерархичность) как для разных экосистем, так и внутри каждой экосистемы.

Элементы организации мониторинга лесных экосистем По организации и объектам слежения комплексный экологический мониторинг также должен различаться - в его проведении должны участвовать организации производственные и научно-исследовательские (различные по своим задачам, объектам, методикам и аппаратному обеспечению).

На примере Северо-Западного Кавказа выполнены исследования элементов организации мониторинга лесных экосистем в постоянных репрезентативных пунктах разного уровня. В соответствии с лесорастительным районированием Северо-Западного Кавказа леса, которое включает Новороссийский, Архипо-Осиповский, Ново-Михайловский, Колхидский, Северо-Черкесский и Черкесский округа, намечены репрезентативные речные бассейны, характеризующие лесные экосистемы в основных лесных формациях региона.

Проектирование, а также построение и использование сети экологического мониторинга в горных условиях производится на базе концепции экологического мониторинга в горных регионах с применением ГИС-технологий. При этом обязательно применение к изучаемым экосистемам принципов системного подхода:

- выделение каждой экосистемы как самостоятельной единицы изучаемого ландшафта;

- разделение экосистемы на компоненты того или иного уровня;

- установление внутренних связей между компонентами и связей экосистемы с другими экосистемами, а также связей с абиотической составляющей (внешними атмосферными, геологическими и гидрологическими и др. условиями).

Для каждого горного региона важными предварительными условиями при организации сети мониторинга лесных экосистем являются:

- районирование региона по условиям произрастания (на базе лесорастительного или геоботанического районирования);

- определение для каждого выделенного района репрезентативного речного бассейна (или нескольких);

- в пределах каждого бассейна пункты постоянных наблюдений размещаются по экологическим профилям;