Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Гидрологическая роль горных лесов Северо-Западного Кавказа
ВАК РФ 03.00.16, Экология
Автореферат диссертации по теме "Гидрологическая роль горных лесов Северо-Западного Кавказа"
Г, Си
4 I '->
1 1
Р. Г, Г-
На правах рукописи
Б И Т Ю К О В Николай Александрович
ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГОРНЫХ ЛЕСОВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО КАВКАЗА
03.00.16 - экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва 1996
Работа выполнена в отделе горного лесоводства и экологии леса Научно-исследовательского института горного лесоводства и экологии леса (НИИгорлесэкол) Федеральной службы лесного хозяйства России.
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,
профессор РУБЦОВ М. В.
доктор биологических наук, профессор ВАСИЛЬЕВ Н. Г.
доктор биологических наук, профессор ТАРАНКОВ В. И.
Ведущая организация - Московский университет леса
Защита состоится 199^ г. в на
заседании Специализированного совета Д 003.89.01 но защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологических наук при Институте Лесоведения РАН
по адресу: 143030 с. Успенское Одинцовского района Московской области
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 143030 с. Успенское Одинцовского района Московской области.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Автореферат разослан ".
«г»
Ученый секретарь Специализированного
совета, канд. с.-х. наук, доцент Г.А.ПОЛЯКОВА
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Многочисленные исследования, проведенные как у нас в стране, так и за рубежом, показали, что в различных физико-географических и климатических условиях все виды влияний леса на среду проявляют себя с различной интенсивностью и могут давать в итоге различный суммарный эффект.
В связи с необходимостью решения ряда экологических проблем по обеспечению рационального водного режима горных регионов в плане комплексного природопользования актуальность проблемы не вызывает сомнений. Только на основе экспериментальных материалов, количественно и во времени характеризующих нарушение и восстановление водоохранно-защитных функций лесной растительности, вызываемых рубками и другими мероприятиями, представляется возможным дать теоретическое обоснование оптимизации режимов ведения лесного хозяйства в конкретных горных регионах.
Поскольку полностью раскрыть процессы формирования стока по экспериментальным данным не представляется возможным, то особо актуальной представляется задача разработки и использования различных видов математических моделей гидрологических процессов.
Цель и задачи исследований. Целью работы является экспериментальное изучение и количественная оценка гидрологических функций лесной растительности при естественных процессах и в связи с хозяйственной деятельностью, разработка концепции гидрологической роли горных лесов, а также обоснование рационального лесопользования в условиях горных регионов (на примере Северо-Западного Кавказа).
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: изучено состояние вопроса гидрологической роли лесных насаждений в горных условиях и основные теоретические и методические подходы в мировой практике к экспериментальной количественной оценке нх гидрологических функций;
выполнены экспериментальные исследования динамики отдельных элементов лесных экосистем и гидрологической роли насаждений в основных лесорастительных формациях горного региона;
заложены лесогидрологические стационары для изучения основных лесорастительных формаций региона, организованы и проведены долговременные исследования элементов, составляющих лесные экосистемы, изучено состояние древостоев до и после хозяйственных воздействий на них;
определены критерии и методические подходы к определению гидрологической роли насаждений в лесных экосистемах различных иерархических уровней (рангов), находящихся под лесохозяйственным воздействием;
разработана концепция гидрологической роли горных лесов, результаты изучения гидрологической роли лесов применены в практике планирования и прогноза лесохозяйственной деятельности;
разработаны практические предложения по стабилизации гидрологическою режима лесных экосистем в горных условиях при проведении рубок леса.
Личный вклад автора. Автором сформулирована проблема, намечены пути ее решения на примере одного из горных регионов страны (Северо-Западный Кавказ), разработаны и реализованы задачи по ее решению. Настоящая работа является результатом 30-летних исследований автора (в составе творческих групп) но изучению средозащитных функций горных лесов Северо-Западного Кавказа, включающих организацию лесогид-рологических стационаров и проведение на них постоянных наблюдений за состоянием лесных экосистем, элементов микроклимата и водного режима, а также теоретический анализ. В течение последних 15 лет автор являлся руководителем и ответственным исполнителем НИР, выполняемых по госзаказу и хоздоговорам и связанных с изучением водоохранно-защитпых функций горных лесов и разработкой правил, рекомендаций и инструкций по ведению лесного хозяйства в горных условиях.
Теоретическая значимость и новизна исследований. На основании многолетних исследований автором разработана концепция гидрологической роли горных лесов, включающая методологию исследований (ранговое разделение лесных экосистем по иерархическим уров1им и вероятностный подход к оценке элементов экосистем), методические особенности определения их количественных характеристик и построения эмпирических моделей, а также практическое применение результатов в виде региональных нормативов и обоснование рационального лесопользования в горах.
Новизна исследований состоит в постановке активны;» экспериментов, разработке и внедрении оригинальных методик но изучению влияния рубок главного пользования и технологии лесозаготовок на изменение элементов водно-теплового баланса и других элементов экосистем; в определении (в динамике) количественных характеристик водоохранно-защитных функций лесов региона и их изменений в результате рубок главного пользования; в определении периода восстановления этих функций и трансформации насаждений после рубок; в обобщении результатов долговременного экологического мониторинга лесных экосистем, подверженных лесохозяйственным воздействиям.
Практическая значимость результатов исследований. Создание лесогидрологических стационаров с целевыми программами и постановка на них активных экспериментов является уни-
калыюй базой для исследований горных лесных экосистем, разработки оригинальных методик для рег истрации параметров этих систем и анализа экспериментальных данных, в том числе с применением современных ПЭВМ.
Научная информация по количественным характеристикам состояния лесных экосистем после рубок служит основой для разработки Правил рубок главного пользования, региональных систем по сохранению и усилению водоохранно-загцитных функций лесов, но лесопользованию и средосбе-регающим технологиям лесозаготовок, а также для разработки математических моделей отдельных элементов экосистем и составления прогнозов состояния лесной растительности на длительный период времени.
Обоснованность и достоверность диссертационной работы базируются на применении современных методик исследований, большом объеме экспериментальных исследований, охватывающих практически весь регион, а также на применении математического аппарата и современной техники ( в том числе и программного обеспечения ЭВМ) по первичной обработке и дальнейшему анализу исследовательских материалов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- Методические основы изучения гидрологической роли горных лесов, включающие ряд оригинальных методик по определению количественных характеристик элементов водного баланса.
- Концепция гидрологической роли горных лесов, состоящая из рангового разделения лесных экосистем по иерархическим уровням, вероятностного подхода к оценке элементов экосистем и построению модельных зависимостей, методических особенностей их определения в горных условиях и практической реализации результатов теоретических исследований (оптимизации экосистем в связи с антропогенными нагрузками).
- Критерии гидрологической роли горных лесов на водосборах разного ранга и их количественная оценка по материалам многолетних экспериментальных исследований в различных лесорастительных условиях.
- Оценка влияния лесохозяйственной деятельности на изменение гидрологической роли горных лесных экосистем различных иерархических уровней.
- Теоретические основы и практические предложения по оптимизации гидрологического режима горных водосборов различного ранга при лесопользовании с применением принципа иерархических уровней лесных экосистем.
Апробация работы. Результаты исследований почти ежегодно докладывались на ученых советах, на региональных и всесоюзных конференциях и совещаниях, в том числе на Всесоюзном совещании по во-доохранно-защитной роли горных лесов (Красноярск, 1975); сессии
ИЮФРО (Москва, 1980); Всесоюзном совещании "Проблемы лесоведения и лесной экологии" в 1990 г. (АН СССР, Госкомлес СССР); сессиях Советов ботанических садов (Тбилиси, 1978, 1985, 1990; Сочи, 1988 и др.); научно-практической конференции "Интенсифика-ция лесохозяйственного производства Северного Кавказа" (Краснодар, 1988); Всероссийской научно-технической конференции "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов" (Москва, 1994).
Публикации. По результатам НИР автором опубликовано 46 научных работ в различных периодических изданиях и монографиях, включающих ведомственные научные труды, журналы "Почвоведение", "Лесоведение", "Лесной журнал", "Лесное хозяйство" и монографию "Природные ресурсы и производительные силы Северного Кавказа".
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА (СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА)
Многочисленные полезные функции леса можно характеризовать следующими понятиями: а) гидрологическая роль (водоохранная и водорегулирующая; б) почвозащитная (противоэрозионная) роль; в) климаторегули-рующее влияние; г) санитарно-гигаеническое значение леса.
Под гидрологической ролью леса понимается влияние насаждений на величины и режим элементов водного баланса покрытых лесом территорий. Это понятие включает водоохранное и водоре1"ули-рующее влияние насаждений.
Водоохранная роль леса - это влияние лесной растительности на фунтовую составляющую стока и водный баланс водосборов (т.е. на баланс вещества в бассейне).
Водорегулирующая роль леса проявляется в изменении динамики распределения общего стока на поверхностную составляющую ("быстрый" сток), внутрипочвепиую и фунтовую части стока ("замедленный" сток).
Почвозащитная (противоэрозионная) роль леса заключается в предохранении почв от водной (плоскостной и русловой), а также ветровой эрозий, и как следствие - от разрушения берегов и заиления русел рек и водоемов. Эта функция леса тесно связана с водорегулирующим его влиянием (поскольку почва разрушается не только иод энергетическим воздействием дождя и ветра, но и "быстрым" поверхностным стоком), а также с состоянием и водно-физическими свойствами почвенного покрова.
Климаторегулирующая роль леса связана с влиянием насаждений на распределение и режим элементов теплового баланса деятельного слоя (надземной и подземной части древостоя), а также на микроклимат в лесу и на прилегающей территории.
Санитарно-гигиеническая роль леса проявляется в трансформации элементов климата и водного баланса в сторону зоны комфорта для человека, в обогащении атмосферы ионизированным кислородом и фитонцидными веществами, в очищении воды и воздуха от механического и химического загрязнения.
Все перечисленные функции лесной растительности объединяются общим понятием - сред (¡образующая роль леса. Отдельные элементы средообразующего влияния леса взаимосвязаны друг с другом и образуют сложную систему, в которой одна или несколько функций могут превалировать над другими. Количественные масштабы влияния леса на окружающую среду в значительной мере обусловлены размерами водосборов, их лесистостью и пространственным размещением лесов на них.
Отечественная и зарубежная литература, освещающая вопросы водорегулирующей, климаторегулирующей и противоэрозионной роли леса, весьма обширна. Наиболее обстоятельные работы в этой области выполнены Г.Н.Высоцким, Н.И.Рощиным, И.В.Тюриным, В.И.Рутковским, А.А.Молчановым, А.Д.Дубахом, В.З.Гулисашвили, Дж.Китриджем, А.С.Козменко, П.Ф.Идзоном, М.И.Львовичем, В.В.Рахмановым, ДД.Соколовским, А.И.Субботиным, В.В.Протопоповым, В.И.Таранковым, H.A. Воронковым, М.В.Рубцовым, С.Э.Вомперским и многими другими.
Результаты экспериментальных лесогидрологических наблюдений в пашей стране, касающиеся равнинных лесов, наиболее полно обобщены в монографиях А.А.Молчанова (1960, 1961), А.И.Субботина (1965), В.В.Рахманова (1971), П.Ф.Идзона, Г.С.Пименовой и др. Установлено, что гидрологическая роль лесов проявляется в уменьшении склонового стока и увеличении количества талых и дождевых вод, просачивающихся в зону аэрации почвы. Задержанная влага частью пополняет запасы фунтовых вод, а в основном расходуется самим лесом, что способствует продуктивному использованию влага, сохранению почв от эрозии. Влияние лесохозяиственных мероприятий на водорегулирующие и защитные функции лесов и их изменение проявляется по-разному в различных физико-географических условиях. На характере стока различия в составе насаждений сказываются меньше, чем возраст леса и увеличение его корневой системы.
Для горных регионов (в основном на Кавказе, в Карпатах, в Сибири и на Дальнем Востоке) лесогидрологические исследования входили составной частью в экологические программы при оценке последствий лесопользования при различных технологических воздействиях на лесную среду.
Проблема влияния лесной растительности или лесистости на гидрологический режим склонов и речных бассейнов решается путем изучения формирования стока с залесенных и необлесенных склонов (водосборов) и его сравнения.
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ РОЛИ ГОРНЫХ ЛЕСОВ, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Методические основы изучения гидрологической роли
горных лесов
На величину и режим стока влияют факторы подстилающей поверхности и стокообразующие элементы климата, подчиняющиеся закону географической зональности. Бассейны горных рек обычно охватывают не менее 2-х ландшафтно-климатических зон. Факторы же подстилающей поверхности имеют местное значение и относятся к разряду азональных. Интегральным показателем подстапающей поверхности является площадь водосбора. В горных районах для формирования речного стока существенное значение имеет высотное положение водосбора, характеризуемое его средней высотой над уровнем моря. С этим связана величина глубины эрозионного вреза русла водотока, т.е. разность между средней высотой бассейна и средней высотой продольного профиля реки. С возрастанием глубины эрозионного вреза возрастает сток.
Для исследования закономерностей пространственного распределения и повторяемости во времени гидрологических характеристик и выявления их эмпирических связей с определяющими факторами применяется статистический метод, что определяется тем, что многие характеристики гидрологического режима (характерные расходы и уровни воды, годовые и сезонные объемы стока, пульсации скоростей течеггия воды в русле, изменение высот снежного ггокрова но площади и т.д.) представляют собой последовательность случайных величигг. Изучение статистических закономерностей, свойственных рядам гидрологических величин, осуществляется на использовании теории случайных событий и теории вероятностных (случайных) процессов.
Существует генетическая связь между величиной стока и площадью бассейна - с увеличением площади возрастает минимальный сток и уменьшается максимальный и средний за сезоны. При этом регулирующая емкость водосбора обусловлена не только размерами водосбора, но и его уклоном. Площадь водосбора сама по себе является регулятором стока: чем больше водосбор, тем больше зарегулированность стока.
Экспериментальное изучение гидрологической роли леса проводится двумя методами: стационарным и экспедиционным, каждый из которых до-нолггяет друг друга. Стационарным методом можно получить все элементы
средообразующей роли леса, но только для одного или нескольких водосборных бассейнов, что затрудняет распространение полученных данных на изучаемый район. Экспедиционным методом можно получить экспериментальные данные на больших площадях и в различных условиях, что позволяет более точно осреднить характеристики изучаемых параметров по площади. Однако количество характеристик, исследуемых этим методом, весьма ограничено.
Стационарный метод или метод парных бассейнов, состоит в сопоставлении элементов водного и теплового балансов водосборных бассейнов до и после проведения на них различных хозяйственных мероприятий. Для этой цели подбираются предварительно два или несколько экспериментальных бассейнов, отвечающих условиям репрезентативности данному региону. По определению, данному в Международном руководстве (1971), экспериментальным бассейном считается бассейн, имеющий сравнительно однородный почвенный и растительный покров и однообразные физические характеристики. Одна или несколько характеристик на таких бассейнах в результате экспериментов подвергаются изменениям, и изучается влияние этих изменений на гидрологические параметры водосбора. Предварительно на парных бассейнах проводятся наблюдения за факторами среды без изменения обстановки - в так называемый период предварительной калибровки. Затем на одном из бассейнов условия подстилающей поверхности меняются - лес вырубается полностью или частично, проводятся посадки лесных культур и т. д., а на другом (контрольном) растительный покров остается без изменения.
Экспедиционный метод применяется для изучения влияния леса и хозяйственных мероприятий на сток и включает обследование территорий, постановку опытов с искусственным дождеванием элементарных водосборов, инфильграционную съемку горных склонов, определение водно-физических характеристик почвенного покрова. При этом основным стокообразующим фактором выступает почвенный покров, который в результате хозяйственной деятельности влечет за собой изменение гидролошческой роли леса. Плотность почвы служит в качестве инте1рального показателя водорегулирующих свойств лесных почв и отражает их изменения в связи с лесозаготовками. В наших исследованиях в пределах пробных площадей выявляли и картировали трелевочные волока, погрузочные площадки и т. д., определяли основные показатели водно-физических свойств почв (плотность почвы - с помощью почвенного бура БП-50 и др.). Полученные данные анализировали параллельно с таксационными характеристиками насаждений.
2.1.1. Водно-балансовые исследования на экспериментальных
водосборах
При исследованиях гидрологической роли горных лесов применяются водно-балансовые методы. Методически изучение влияния леса на элементы водного баланса проводится путем анализа результатов длительных стационарных наблюдений за их режимом.
Водный баланс территории имеет наиболее сложную дифференцированную формулу в двух случаях: а) при малых участках склонов (малых площадях); б) при относительно коротких отрезках времени. Чем меньше тот и другой факторы, тем более сложный вид (и расчет) получает формула водного баланса. При осреднении во времени по площади включается эффект взаимного нивелирования случайных колебаний элементов водного баланса, а также фактор влияния площади (редукция по площади). Чем больше период времени, за который рассматривается водный баланс и величина водосбора, тем проще является уравнение водного баланса. В общем виде водный баланс сводится к трем составляющим: среднемноголетней норме осадков, норме стока и норме испарения.
Уравнение водного баланса "замкнутого" речного бассейна, т.е. бассейна, для которого границы подземного и поверхностного водосборов совпадают, имеет вид:
Р - Е - (3 = ± ДБ. (1)
При разделении общего стока О на поверхностную и подземную составляющую, а суммарного испарения также на свои составляющие (испарение с почвы, разные виды транспирации и т.д.), уравнение (1) приобретает вцц:
Р1-Р2+Рз-05о-(К, х д,о+К2хд1О)-Е1-Е2-Е3-АМ-АС-г]=0 (2)
Здесь: Р] - осадки, проникающие сквозь кроны деревьев; Р2 - часть осадков, задерживаемая кронами деревьев и расходуемая на испарение; Рз - осадки, стекающие по стволам деревьев; (380 - поверхностный сток с водосбора; С&0 -часть подземного стока, дренируемая данным водотоком; К] и К2 - доли поверхностного и подземного стока, дренируемого данным водотоком и рекой высшего порядка с более глубоко врезанным руслом (К1+К2=1.0); Е1 - испарение с почвы под пологом леса; Е2 - трансгшрация травянистой растительностью; Е3 - транспирация древостоем; АМ - изменение запаса воды в слое аэрации ночвогрунтов; АС - изменение запасов подземных вод на водосборе; г] - невязка водного баланса, состоящая из суммы изменений запасов вод в слое фунтов зоны аэрации (ниже верхнего метрового слоя до зоны насыщения), просачивания воды за пределы зоны насыщения и ошибки определения элементов водного баланса.
Таким образом, экспериментальное изучение водного баланса малых экспериментальных водосборов включает наблюдения за твердыми и жидкими осадками, склоновым стоком, режимом влажности почвы и всеми видами испарения.
-Осадки под пологом леса. Средний перехват всем древостоем (включая и сток по стволам) определяется как разность между осадками на открытом месте и средней величиной слоя дождя в лесу. Величины суммарного перехвата коррелируют с количеством осадков на открытом месте. По полученным данным рассчитываются эмпирические зависимости, осредняющие условия, которые влияют на величину перехвата; они различны для необлиственного и облиственного полога древостоя и имеют виц Рс = а х Рь.
По достижении полной емкости с увеличением интенсивности дождя перехват далее растет только за счет стекания влаги по ветвям и стволам деревьев. Обычно в практике определение стекающих по стволам осадков производится по модельным деревьям, на которых устраиваются спиральные уловители с емкостями для сбора осадков. В разновозрастных древо-стоях невозможно подобрать модели, рспрезентующие все насаждение или хотя бы его часть из-за многообразия расположения ветвей в кронах, размеров деревьев и крон и т.д. Поэтому оценить количество стекающей по стволам воды можно только косвенным путем - с помощью анализа графика связи Рс= ДР). Если на графике связи Рс = ЯР) точки с минимальным значением Рс соединить прямой, то получим зависимость стекания осадков по стволам от величины дождя Р. При достижении полной емкости перехвата кривая Рс = {"(Р) и зависимость Уств = Г(Р) почти параллельны друг дру1у, поскольку увеличение перехвата после заполнения перехвата всей его емкости происходит за счет стекающих по стволам деревьев осадков.
-Осадки на открытом месте. По наблюдениям за осадками на экспериментальных водосборах в горных условиях на разных высотах над уровнем моря определяется относительный шповиометриче-ский градиент, т.е. увеличение осадков при подъеме на каждые 100 м (в % от количества осадков нижележащей метеостанции:
здесь р! и Рг - осадки на нижележащей и вышележащей станциях; Ь] и Ь2 - высоты этих станций в сотнях метров.
Для расчета среднего слоя осадков на водосборе необходимо ввести поправочный коэффициент Кр, учитывающий нлювиометрический градиент:
АР =
хЮО
(3)
Klp X Л + K2P X fl+-+Knp * fn P~ J7 • (4)
где: Кь K2, —Кор - осадки на уровне горизонталей 50, 150, 250 м и т.д., в долях от осадков исходной станции; fj, f2, ...fn - площади бассейна, заключенные между горизонталями, кратными 100 м; F - площадь бассейна.
Поправочный коэффициент Кр несложно рассчитать для каждого горного водосбора, имея гипсографическую кривую бассейна и плювиометри-ческий градиент для каждого сезона.
Очень важно знать обеспеченность сезонных и годовых сумм осадков в многолетнем ряду, а также их многолетние нормы. Для этой цели короткие ряды наблюдений на экспериментальных водосборах удлиняются путем построения графиков приведения с ближайшей метеостанцией, имеющей длительный ряд наблюдений за осадками (для месячных сумм осадков). Графики приведения следует строить отдельно для теплого и холодного сезона.
С применением параметров кривых обеспеченностей, рассчитанных по эмпирическим рядам, строится теоретическая кривая обеспеченности, по которой можно определить нормы осадков и суммы различной обеспеченности. Анализ режима осадков включает также построение кривых обеспеченности наибольшего слоя осадков за дождь и за сутки, максимальных интенсивностей ливней, и построение графиков связи средней интенсивности ливней и их продолжительности.
2.2. Анализ результатов экспериментальных исследований гидрологической роли леса
К
- Снежный покров. Влияние высоты местности на процессы снегонакопления проявляется как из-за понижения температуры воздуха при подъеме, так и вследствие увеличения общего количества осадков с высотой. Отношение максимальных снегозанасов за зиму к сумме осадков за холодный период можно назвать коэффициентом снегонакопления. Нашими исследованиями установлено, что зависимость коэффициентов снегонакопления от средней за период расчета температуры воздуха имеет гиперболический вид и показывает, какая часть зимних осадков аккумулируется в данных температурных условиях зимы. График может быть использован для оценки запасов воды в бассейне перед снеготаянием.
- Испарение с почвы. Обработка результатов измерений испарения с почвы заключается в вычислении интенсивностей испарения и построении расчетной эмпирической зависимости для определения испарения в лесу. Из всех влияющих на испарение факторов наиболее изменяются: дефицит
влажности воздуха - с|7) и влажность почвы W, а остальные можно объединить в один эмпирический коэффициент, характеризующий определенные условия и временной отрезок вегетационного периода. Поэтому, для вывода эмпирической формулы оказалось достаточным построить график связи Е'= I [(ЧггЧг), V/], где ц2 - упругость водяного пара на высоте 2 м.
-Сток. В основу обобщения результатов экспериментальных исследований и определения расчетных формул следует положить генетический анализ комплексною явления фильтрации и стока, выделяя при этом наиболее важные действующие факторы. Разность между осадками и просачиванием в почвоподстилающий относительный водоупор при отсутствии задержания называют паводочным или общим водообразованием.
2.3. Изучение гидрологической роли лесов на речных водосборах по материалам сети Роскомгидромета
Методический прием, примененный нами для определения водоохранной роли леса на речных водосборах, заключается в подборе пары водосборов, один из которых может служить в качестве контроля для исследуемого водосбора с лесохозяйственной деятельностью. Отнесение стока (в любой фазе) исследуемого бассейна к аналогичному по фазе стоку в бассейне-аналоге при удачном подборе аналоговой реки должно исключить влияние сезонной и годовой цикличности стока. Исходными данными для этой цели служили среднемесячные расходы воды, пересчитанные в дальнейшей обработке в суммарные слои стока за различные периоды, а также сведения о максимумах и минимумах годовых и месячных расходов. Аналогичные данные использованы при анализе осадков по метеостанциям и постам региона.
Изменение структуры горных лесов на элементарных и речных водосборах в связи с лесохозяйственной деятельностью изучали по материалам закладки постоянных пробных площадей на лесогидрологических стационарах, а также по данным лесоустройства лесохозяйственных предприятий (для речных водосборов основных рек региона). По учету лесного фонда и материалам лесоустройства определяли количественные характеристики состояния и изменения состава, строения и структуры насаждений, находящихся на водосборах (возраст, состав, доля вырубок, процент лесистости, по возможности - динамика лесопользования с учетом различных видов рубок). Указанные характеристики анализировали параллельно с изменением режима речного стока на опорной сети Роскомгидромета.
2.4. Объекты исследований
Объектами исследований являются горные леса в пределах Краснодарского края (включая леса Адыгеи), которые занимают 1808 тыс.га, и находятся в различных природных условиях - от субтропиков Черноморского побережья до степной зоны Кубани. Из них 90.3% горные леса. Из твердо-лиственных пород в лесах Кубани преобладают: дуб - 54%, бук - 20%, граб -7%; из хвойных пород: пихта - 2.7%, сосна - 2.7%. На долю лесов I группы приходится 61.1%, II - 39.9%, из них 485.3 тыс.га - эксплуатационные леса.
Изложенные выше методические основы изучения гидрологической роли горных лесов на примере Северо-Западного Кавказа были реализованы палесогидрологических стационарах (ЛГС) "Аибга" и "Горский".
- ЛГС "Аибга" (зона буковых лесов) был заложен в 1963-1965 гг. в Адлерском мехлесхозе на водоразделе рек Псоу и Мзымты на высоте 485... 1150 м над ур.моря, на склоне юго-западной экспозиции со средней крутизной 25°. Цель организации ЛГС "Аибга" - исследование водного баланса малых водосборов в буковых лесах региона. Участок его является репрезентативным для зоны буковых лесов и включает четыре водосбора площадью от 5.7 до 19.9 га. Почвенный покров здесь представлен бурыми лесными почвами: маломощными - (22% площади), среднемощны-ми - 50%, и мощными - 28%. Насаждения - чистые разновозрастные буковые древостой I и 1а классов бонитета с полнотой 0.8...0.9 и запасом древесины 540...670 м3/га. Подроста под пологом леса (в материнском насаждении) -0.7...20.0 тыс.экз./га, из них бука - до 10 тыс. экз/га (табл.1) .
Исследования на ЛГС "Аибга" проводили в два этапа: 1-й - организация (1964-1966 гг.) и проведение калибровочных (сравнительных) наблюдений (1967-1973 гг.); 2-й - проведение опытных рубок и изучение изменений элементов водного баланса после рубок (1974-1994 гг.). При этом на 3-х водосборах ЛГС в течение 1973-1974 гг. проведены: на 1-м водосборе (7.8 га) - сплошнолесосечная рубка; на 2-м (11.7га) - 1-й прием котловинной рубки с выборкой деревьев из 8 котловин общей площадью около 2 га; на 3-м (5.7 га) - добровольно-выборочная рубка с выборкой 23% запаса древесины; 4-й водосбор (19.9 га) оставлен в качестве контрольного. Технология лесозаготовок во всех случаях - тракторная трелевка хлыстов по горизонтальным волокам-террасам, проложенным через 80... 100 м.
- ЛГС "Горский". В формации дубняков региона исследования проведены на ЛГС "Горский", расположенном в Джубгском мехлесхозе, на северо-западе Главного Кавказского хребта. Стационар включает 4 элементарных водосбора площадью от 6 до 24.9 га с насаждениями дуба скального. В течение 1976-1981 гг. на водосборах были выполнены калибровочные наблюдения за элементами водного и теплового балансов, а затем
в 1981-1983 гг. на двух водосборах испытаны сплошнолесосечная и 2-приемная котловинная рубки с тракторной трелевкой древесины, а 2 водосбора оставлены в качестве контрольных. Почвы бурые горно-лесные, в основном маломощные.
Таблица 1
Характеристики водосборов лесогидрологических стационаров
"Аибга" и "Горский"
Морфометри-ческие и таксационные характеристики Водосборы ЛГС "Аибга" Вобосборы ЛГС "Горский"
1- й 2-й 3-й 4-й 1-й 2-й 1 3-й 4-й
Площадь, га 7.6 11.7 5.7 9.9 6.0 22.3 24.9 9.3
Длина, м 650 1174 686 1390 380 1000 940 500
Средний уклон, град 25 26 28 25.6 17 13 13 19
Перепад высот, м 306 562 368 667 119 234 223 172
Экспозиция склонов ЮЗ ЮЗ ЮЗ ЮЗ С3,3 СЗ С,СЗ СЗДОЗ
Группа ти -пов леса Свежие и влажные букняки Свежие фабовые дубняки
Состав насаждений до рубки ЮБк 10Бк+Г 9Бк1ИлгЛп Бк1ИлЛп 8Д2Г 9Д1Бк бДЗПБк 7Д2Г1Бк
Бонитет (до рубки) I I 1а 1а Ш-1У 1У-У И-1У Ш-1У
Запас древесины, м /га 580 580 620 670 210 180 230 145
Способ рубки снлош. котло- добр, кон-лесо- винная выбо- троль сечн. 4-прием роч. сплош.- узко- конт- конт-лесо- лесо- роль роль сечн. сечн.
Годы рубки 1973-74 1973-74 1974 -1981-82 1994 1981-82 1982-83 -1988-89
Площадь рубки, га 7.6 2.08 3.6 2.69 2.65 4.04 3.92 2.30
Площадь рубки в % от водосбора 100.0 62.6 63.2 67.3 27.9
3. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГОРНЫХ ЛЕСОВ НА МАЛЫХ БАССЕЙНАХ
3.1. Исследования гидрологической роли буковых лесов на элементарных водосборах
3.1.1. Водоохранная роль буковых лесов
Водорегулирующие и водоохранные функции буковых насаждений на южном макросклоне региона изучены по результатам наблюдений за режимом элементов водного баланса склонов на ЛГС "Аибга" (Битюков, 1980, 1988; Коваль, Битюков, 1980). На северном макросклоне региона анализ влияния буковых насаждений на водный режим почв и осадки приведен по данным А.П.Казанкина (1978, 1983).
Годовое количество осадков по многолетним данным (за период с 1965 по 1994 гг.) колеблется от 1979 до 2664 мм при средней величине 2320 мм; при этом осадки холодного и теплого сезонов в среднем равны (увеличение осадков с высотой для холодного времени года в среднем равно 5.0% на 100 м подъема, а для теплого сезона - 4.1% ). С учетом гипсографических кривых бассейнов полученные поправочные коэффициенты на увеличение осадков с высотой учтены при балансовых расчетах. Статистическое исследование пространственного распределения осадков в лесу показывает, что чем больше величина дождя, тем большей неравномерностью обладает поле осадков; относительное варьирование с ростом слоя дождя уменьшается до 7... 10% (при осадках 70... 170 мм). Наличие листвы в пологе увеличивает вариацию осадков почти в 2 раза. Абсолютные ошибки определения среднего количества осадков в лесу увеличиваются с ростом последних. Так, ошибки измерения при безлиственном пологе для осадков до 5 мм не превышают 0.1 мм, а с ростом слоя дождя до 80 мм в среднем равна 1.4 мм. Относительная точность измерения, напротив, с ростом осадков уменьшается до 2.0%. В целом, измерения осадков под пологом букового леса гарантируют: в интервале 2...20 мм - точность 5...6 %, а дождей более 20 мм - менее 3 %. Рассчитанные для ЛГС "Аибга" средние величины перехвата довольно близки по осредненным значениям для таких пород, как осина, ольха, вяз, липа - в густых лесах с полнотой около 1. В девственном буковом древостое наиболее интенсивно перехват возрастает при осадках до 10 мм. Полная емкость перехвата близка к 2.0 мм, и насыщается она дождями со слоем до 10 мм. Дальнейший рост перехвата (до 5 мм) происходит за счет образования капель дождя на листьях и ветках. В среднем за вегетационный период перехват пологом не тронутого рубкой леса составляет 138.7 мм (14.2%), из них около 40 мм (4.1%) относятся к стекающим по стволам осадкам.
Лес оказывает важное положительное воздействие на динамику снегонакопления и снеготаяния - в холодное время года более равномерно пополняются запасы фунтовых вод на водосборах, а также уменьшается весенняя паводочная волна. Для южного макросклона на высотах более 1200 м над ур.моря более половины зимних осадков (ноябрь-март) аккумулируется в снежном покрове и расходуется в весенне-летний период - с апреля до середины июня. Для основных крупных рек (Мзымта, Шахе и др.) высокогорья составляют более половины площади их бассейнов.
На высокогорных частях бассейнов рек 60...80 % и более от суммы осадков, выпадающих в холодный период года (около 1300 мм), зарегулированы снежным покровом. Следствием расходования аккумулированных в зимнее время осадков является то, что на крупных реках в высокогорных районах объем стока в апреле - мае достигает 40...44 % от всего годового стока, а вариация годового стока в многолетнем разрезе наименьшая (Су= 0.16...0.21).
Экспериментальные исследования радиационного и теплового режимов в буковых насаждениях показали, что в них формируются своеобразные режимы прихода и расхода солнечной радиации, а также особый микроклимат. Радиационный баланс за холодный период года в среднем составляет 11.6 кКал/см2. Под полог леса за это время попадает около 6 кКал/см2. Основная часть радиационного баланса уходит на нагревание биомассы и теплообмен с воздухом. В связи с этим среднесуточные температуры воздуха в лесу в холодный период на 0.3...1.7 1рад выше, чем на вырубке, а суточные максимумы температуры - выше на 1.1...2.5 град. В условиях сравнительно мягких зим происходит интенсивное уплотнение и таяние снега по всей толще снегового покрова.
Суммарное испарение с лесных площадей состоит из физиолошче-ского испарения с растительным покровом, или транспирации, физического испарения с поверхности почвы, и испарения осадков, задержанных растительностью. По данным одновременных измерений испарения на вырубках и под пологом леса, интенсивность испарения с почвы зависит от сомкнутости крон насаждений и экспозиции склона, т.е. от тех же факторов, которыми определяется приток солнечной радиации к поверхности почвы. Так, для материнского насаждения интенсивность испарения с почвы весной, до распускания листвы, в 3.4 раза выше, чем летом, при полном облиствении крон. Смена экспозиции с юго-западной на южную приводит к увеличению интенсивности испарения в 1.3...1.9 раза.
Расчеты теплового баланса под пологом леса подтверждают полученные данные по испарению: в вегетационные периоды баланс коротковолновой радиации у поверхности почвы в лесу составляет 4.68...4.87 кКал/см2, а за вычетом тепла, идущего на нагревание почвы - 4.22...4.56 кКал/см2, что дос-
таточно для испарения 72...77 мм влаги. Следовательно, на испарение с почвы в лесу расходуется целиком радиационный баланс под пологом, и дополнительно поглощается 0.22...2.32 кКал/см2 от турбулентного теплообмена между кронами деревьев и приземным слоем воздуха.
По многолетним наблюдениям, сезонные суммы испарения с почвы колеблются от 64 до 280 мм, а среднее его значение равно 116 мм. В целом испарение с почвы в лесу очень невелико и сравнимо с величиной перехвата осадков пологом древостоя, а в водном балансе склонов, покрытых материнским насаждением бука составляет всего 7.3... 15.6 % от выпавших осадков.
Для расчета транспирации буковым древостоем применен метод водного баланса корнеобитаемого слоя почвы (при отсутствии или точном учете склонового стока, инфильтрации и водообмена с нижележащими слоями почвы). Суммарное испарение с облесенного водосбора варьирует от 487 до 651 мм, что составляет 38...84 % от осадков за теплый сезон. В суммарном испарении (более 600 мм за вегетацию) преобладает транспирация древостоем - 47.5%, перехват осадков составляет 21.5%, испарение с почвы - 14.5%, транснирация травостоем - 16.5% (Битюков, 1988).
Анализ результатов наблюдений за режимом влажности почвы показал, что с глубиной уменьшаются все статистические показатели. Распределение влажности почвы несущественно отличается от нормального, и к нему применимо t-распределение Стыодента. Наиболее значительные изменения средней влажности наблюдаются в верхнем 30-сантиметровом слое почвы. Изменения коэффициента вариации и показателя точности с глубиной приближаются к линейным, при этом глубже 150 см вариация влажности почвы по площади близка к нулевой (в среднем за год). Варьирование влажности почвы связано с величиной увлажнения по-разному для каждого генетического горизонта: с ростом увлажнения вариация влажности увеличивается (Битюков, 1973). По многолетним данным, почва подвергается промачива-нию ежегодно, при этом колебания максимальных влагозапасов невелики (32 мм), а запасы влаги в метровом слое (470 мм) соответствуют наименьшей влагоемкости (НВ). Слой почвы в 1 м способен поглотить и удержать в виде капиллярной влаги 42 % нормы осадков за вегетацию.
Динамика элементов водного баланса во времени и в пространстве на водосборах прослеживается независимо от хозяйственной деятельности. Так, на контрольном водосборе ЛГС "Аибга" в более многоводные годы (при осадках 2600...2700 мм) общий сток возрастает до 61...72% от осадков, доля инфильтрации уменьшается до 0.3%, увеличиваются склоновая и подземная составляющие стока. Инфильтрация за теплый сезон в расчетах обычно получается отрицательной, т.к. влаги расходуется больше, чем ее поступает на водосбор. Суммарное испарение, достигающее 25.0...26.5% от годовых осадков, зависит в основном от радиационного и теплового балансов
вегетационного периода года. За теплый сезон (включая испарение перехвата осадков) оно достигает почти 1/3 баланса - 27...33%. Наименьшие величины из всех статей баланса имеет склоновый сток (З...6%), который состоит в основном из дренажного (в 1-метровом слое почвы).
Соотношение между компонентами водного баланса зависит от количества и режима осадков: в засушливые годы относительная доля инфильтрации снижается на 4...5%, склонового стока - на 3%, а суммарное испарение увеличивается на 3...4% по сравнению с годом со средним количеством осадков.
В основном водоохранная роль насаждений оценивается наиболее важным для лесной растительности водным балансом теплого периода года. Осадки, выпадающие за период вегетации, расходуются в течение сезона полностью; дополнительно используется часть весенних влагозапасов почвы (17...79 мм). Вся приходная часть баланса за вегетационный период составляет 939... 1419 мм, а средний баланс за вегетацию по формуле (2) составляет: в мм: 1208 = 32 + (0.757 х 572 + 0.243 х 572) + 604 (5)
в %%: 100 = 2.6 + (0.757х 47.4 + 0.243 х 47.4) + 50.0 (6)
3.1.2. Водорегулирующая роль буковых насаждений
При большой водопроницаемости и аккумулирующей емкости (до 500...550 мм) бурых лесных почв и при значительных крутизнах склонов, дожди, выпадающие в буковых лесах, очень редко образуют сплошной слой воды на поверхности почвы. Поэтому интенсивность впитывания здесь определяется интенсивностью ливней. Для малых (до 10 га) водосборов, но опытным данным (с использованием методики Д.Н.Бефани, 1958, 1966), установлено, что впитывание здесь очень динамично во времени и определяется степенью предшествующего увлажнения. При этом паводкообразующими могут быть ливни различной величины: летом, при значительном дефиците влага в почве ливни с суммой осадков до 50 мм обычно не дают стока; в то же время в холодный период года, при полностью увлажненной почве стоко-образующими являются дожди 10...12 мм (Битюков, 1987, 1988).
Максимальные годовые модули стока на малых водосборах в зоне буковых лесов невелики - от 1.1 до 19.3 л/с с га, а осредненные их значения за год - 3.9...7.2 л/с с 1 га. Коэффициенты паводочного стока не превышают 10% для зимних паводков, и 5.7% - для летних, а при наиболее интенсивных ливнях - до 25%. Средние коэффициенты паводочного стока на малых бассейнах составляют: за зимний период - 2.3...8.4%, за летний -0.8...4.8%, при этом одинаковые осадки за паводок (в среднем 71...81 мм) дают зимой паводки в 1.8 раза больше, чем летом. Максимальная интенсивность стока - 0.08 мм/мин.
Опыты по дождеванию больших площадок на лесных склонах в бас.р.Мзымты (Бефани и др., 1968) дали величины впитывания в почвопод-стилающие породы 0.07...0.08 мм/мин. При сведении лесной растительности условия впитывания ухудшаются более чем в 3 раза; интенсивно развиваются эрозионные процессы.
3.2. Гидрологическая роль дубрав
3.2.1. Водоохранная роль дубовых лесов
Для изучения водоохранной роли дубовых лесов на ЛГС "Горский" в течение 1974-1995 гг. проведены наблюдения за осадками (по 27 осадкоме-рам Третьякова), стоком на тонкостенных железобетонных гидрометрических водосливах (с регистрацией напора воды самописцами уровня воды "Валдай"), испарением с почвы (по почвенным испарителям ГТИ-500-50), режимом влажности почвы (термовесовым способом), а также за температурой и влажностью воздуха на 5 метеоплощадках и температурой почвы до глубины 1.6 м.
Сток на всех водосборах ЛГС "Горский" по происхождению - полностью склоновый. При различиях в площадях водосборов в 4 раза средне-многолетняя величина стока до рубки для 1-го водосбора составила 795 мм, для 2-го - 708 мм, для 3-го - 745 мм и для 4-го - 753 мм, или 46...52% от выпавших осадков. Основную часть годового стока составляет сток за холодный сезон, хотя летние паводки проходят интенсивнее и превышают по объему осенне-зимние.
По результатам изучения элементов водного баланса склонов на водосборах ЛГС "Горский" установлены различия в распределении расходных элементов баланса в зависимости от количества и режима осадков. Так, сток на контрольных водосборах изменялся в течение периода наблюдений от 31% до 53% по балансу; трапспирация - от 7 до 28%; инфильтрация - от 3 до 26 %. При этом процессы накопления и расходования влаги на облесенных склонах в многолетнем разрезе имеют сложный характер (Битюков, Резников, 1980).
3.2.2. Водорегулирующая роль дубовых лесов
Изучение склонового стока на водосборах ЛГС "Горский" в формации дуба скального позволяет характеризовать эту зону менее способной регулировать паводки в сравнении с буковой. Так, максимальные за месяцы модули стока изменялись здесь в среднем от 8.1 до 15.3 л/с с 1 га, т.е. их величины в 8... 14 раз выше, чем в зоне буковых лесов. Максимальные годо-
вые модули стока также очень высоки - в отдельные годы достигают 49 л/с с 1 га (Битюков, 1987).
Коэффициенты стока за отдельные наводки за холодный период года имеют значение 50...93%, а в летние месяцы - уменьшаются до 2...22%, т.е. их соотношение равно 2.6:1 при почти одинаковых средних значениях наводкообразующих ливней: 60 мм - зимой, 50 мм - летом.
Экспедиционные исследования формирования стока в зоне дубрав (бас.рек Джубги и Псекупса) показали, что условия впитывания здесь, как и в зоне буковых лесов, характеризуются чрезвычайной пестротой. На склонах с расстроенными древостоями вторичного происхождения с полнотой 0.3...0.4 коэффициенты стока достигают очень высоких значений (0.8...0.9) при доле поверхностного стока до 90% (Битюков, 1978).
3.3. Гидрологическая роль пихтарников
Исследования водного баланса в зоне пихтовых лесов СевероЗападного Кавказа проводились Северо-Кавказской JIOC (Г.Т.Беленко, 1978) с 1969 по 1976 гг. в Хамышинском лесничестве Гузерипльского мехлесхоза ЦНИИМЭ, на лесощцрологическом стационаре, включающем 3 малых водосбора. По данным Г.Т.Беленко, в условиях зоны пихтарников региона при годовом количестве осадков около 1200 мм половина их приходится на сток, а другая половина - на суммарное испарение и инфильтрацию. На водосборах до 12...15 га фунтовый сток равен в среднем около 110 мм за гидрологический год, или 15.5% от общего стока, и 9.2% от выпавших осадков. Таким образом, в зоне пихтарников величина бассейнового регулирования сравнительно невелика - не более 10% в годовом водном балансе.
3.4. Гидрологическая роль почвенного покрова
Наибольшее распространение в регионе имеют бурые горно-лесные почвы - 56% по площади. В пределах Колхидской провинции репюна они занимают 73% площади и формируются под букняками и дубравами. Следующим широкораспространенным типом почв в регионе являются дерно-во(перегнойно)-карбонатные горно-лесные (20.3%). Они преобладают в Северо-Западном подрайоне (42.5%) и приурочены к выходам пород, содержащих карбонаты (известняки, мергели, известковистые песчаники и глины); формируются они под дубравами. Горные коричневые почвы сформировались на верхнемеловых известняках под низкопродуктивными лесами из фабинника, дуба пушистого, можжевельника, кустарниковыми зарослями. Серые лесные почвы занимают значительные площади под дубравами на
лессовидных суглинках и глинах, обладают ясно выраженной комковато-ореховатой структурой, с глубиной переходящей в комковатую. В поймах рек на галечниковых отложениях распространены аллювиальные и делювиальные (наносные) луговые и лугово-лесные почвы (4.7%). Горные черноземы приурочены к водоразделам Северо-Западного подрайона (1.7%) под ковыльно-типчаковыми степями и остепненными лугами. Высокогорные почвы - альпийские и субальпийские (горно-луговые дерново-торфянистые, дерновые горно-лесные) - расположены в юго-восточном подрайоне (3.8%) под мелкотравными субальпийскими лугами и криволесьем.
Водно-физические свойства бурых лесных почв свидетельствуют об их высокой водопроницаемости под девственными буковыми лесами, при этом максимальная водопроницаемость характерна для верхнего 20...40-сантиметрового слоя почвы. Статистические ряды объемных весов различаются лишь своими среднеарифметическими: для почв иод буковыми древо-стоями средний объемный вес поверхностного горизонта равен 0.92 г/см3, а для дубрав - 1.21 г/см3, т.е. в 1.3 раза больше. Более легкий механический состав почв дубовых лесов и повышенное содержание в них скелетных включений создают условия для увеличения УКФ в 4...8 раз по сравнению с почвами буковых древостоев.
Оценка водорегулирующей роли почвенного покрова в букняках и дубравах определяется не только поверхностным впитыванием, но и емкостью почвенного профиля. Установлено (Коваль, Битюков и др., 1976), что глубина слоя быстрого впитывания в дубравах в 3 раза меньше, чем в букняках. Для водорегулирующей роли лесных площадей практическое значение может иметь водовместимость той части почвенного слоя, которая характеризуется впитыванием, превышающим интенсивность выпадающих осадков. Для буковых лесов общая водовместимость 1-метрового слоя почвы составляет 567 мм, а для дубрав в 50-сантиметровом слое - 237 мм; по величине предельной полевой влагоемкости - соответственно 470 и 209 мм. Следовательно, свободная гравитационная влага наиболее проницаемой части почвенного профиля в букняках составляет 97 мм, а в дубравах - всего 28 мм, т.е. в 3.5 раза меньше.
4. ВЛИЯНИЕ РУБОК НА ГИДРОЛОГИЧЕСКУЮ РОЛЬ ГОРНЫХ ЛЕСОВ
4.1. Изменение гидрологической роли буковых лесов на экспериментальных бассейнах
4.1.1. Динамика буковых насаждений на водосборах ЛГС "Аибга"
На контрольном водосборе в свежих букняках на постоянных пробных площадях структура древостоев за время исследований но поколениям (возрастным группам) существенно не изменилась - преобладают спелые деревья с диаметром 76...96 см (38%). За 23-летний период установлен прирост только по молодняковой возрастной группе - 2 м3/га (7%), а по остальным - отпад 11...90 м3/га (13...47%). Таким образом, насаждения ЛГС "Аибга" оставлять без вовлечения в хозяйственный оборот нецелесообразно.
На лесосеке сплошной рубки 1973 г. через 20 лет после ее проведения осредненная характеристика молодпяков: класс бонитета - I, состав - 4Бк4Кл1Лп1Г+Ил,Ив, возраст - 25 лет, диаметр - 7.1 см, высота -10.6 м, число деревьев - 8563 шт/га, сумма площадей сечения - 33.5 м2/га, запас - 195 м3/га, прирост - 7.7 м3/га. Аналогичные показатели (но в 2 раза меньшие), имеют молодняки после 1-го приема котловинной рубки 1973 г. Котловинные рубки зарекомендовали себя лучше для сохранения водоох-ранно-защитных свойств. Следовательно, в свежих букняках при наличии достаточного предварительного возобновления формируются высокопродуктивные молодняки.
4.1.2. Изменение факторов среды в связи с рубками
Динамика листового опада в буковых насаждениях различна па площадях опытных рубок и под пологом материнского насаждения: на котловинах его масса в 1.5 раза меньше, чем на сплошной вырубке; за последние 15 лет она возросла в 1.6 раза. Площадь листовой поверхности древостоя на делянке добровольно-выборочной (30 % выборки) рубки составляет 10.4 га на 1 га насаждения; на сплошнолесосечной и на добровольно-выборочной (16%) - 8.0...8.2 га/га, на контроле - 9.5 га/га. Следовательно, масса и площадь поверхности листового опада связаны со способами рубок и возрастом лесосек, сказываются также особенности структуры насаждения;
восстановление массы и площади листового опада более интенсивно проходит на добровольно-выборочной рубке, а более длительный срок восстановления отмечается на сплошнолесосечной и котловинной вырубках.
Динамика фитомассы травостоя и кустарничкового покрова и транспирация изучены по преобладающим их видам: ежевике (Rubus caucasicus L.) - 46...60%, трахистемону (Trachistemon orientale L.) - 29...42% и папоротникам (Polipodiaceae) - 2...17%. Кривые накопления фитомассы в течение вегетационного периода имеют максимумы: в окнах котловинной рубки и на сплошной вырубке - в середине вегетации, под пологом леса и на площади добровольно-выборочной рубки - к концу вегетации. На сплошной вырубке максимум развития травостоя наблюдается на 3...4-Й год после рубки (3.0...3.7 т/га), а затем постепенно уменьшается к 11-му году к первоначальным величинам (1.6...2.1 т/га). В окнах котловинной рубки фитомасса травостоя по абсолютным величинам превышает ее значения на сплошной вырубке при максимуме развития (4.8...5.4 т/га) на 3...5-Й год после рубки. На площади добровольно-выборочной рубки максимум фитомассы отмечается на 4...6-й год после рубки. Отношение величины фитомассы на площадях рубок к контролю наибольшие значения имеет на сплошной вырубке и в окнах котловинной рубки (соответственно 5.4...7.0 и 5.5...5.7). Расчет дает следующее соотношение максимумов фитомассы в среднем на площадях сплошнолесосечной, котловинной и добровольно-выборочной рубок в сравнении с контролем: 3.5 : 3.9 : 1.4 : 1.
4.1.3. Изменение водоохранной роли буковых насаждений
-Перехват осадков пологом на площади добровольно-выборочной рубки в среднем составил 13.0 мм (13.7% от выпавших осадков), под пологом нетронутого рубкой леса - 138.7 мм (14.2 %), из них около 40 мм (4.1 %) относятся к стекающим по стволам осадкам.
- Снежный покров. Параллельными снегосъемками на вырубке и под пологом нетронутых насаждений установлено, что динамика накопления снегозапасов и их расходования значительно различается.
Плотность свежевынавшего снега (около 0.2 г/см3) в лесу (Рл) на 25% больше, чем на вырубке (Р„). В начале снеготаяния запасы воды в снеге на вырубках (S„) незначительно отличаются от запасов под пологом леса (Sj,) (при г = 0.92...0.94) , а при интенсивном снеготаянии во второй половине зимы разница во влагозапасах в 1.8...2.0 раза больше. В молодня-ках 10-летнего возраста различия в режиме снеготаяния на вырубках и в лесу сглаживаются. Наиболее длительный процесс схода снега прослеживается в окнах котловинной рубки. При больших снегозаиасах весеннее снеготаяние на вырубках и в котловинах может давать до 30 мм осадков ежесу-
точно в течение 20 дней и более. Такое интенсивное и продолжительное поступление воды в речную сеть создает условия для формирования половодной волны, а при накладке дождевых паводков - катастрофических наводнений и развития эрозионных процессов в бассейнах рек.
• Испарение с почвы. Интенсивность испарения с почвы на вырубке значительно превышает испарение в нетронутом лесу: в 2.4 раза - весной, и в 3...6 раз летом. После изреживания древостоев в результате выборочной рубки (до 40% по запасу) интенсивность испарения увеличивается в условиях одинаковой экспозиции в 1.5...3.5 раза по сравнению с нетронутым лесом, и эта разница тем больше, чем выше приток прямой солнечной радиации. В отдельные солнечные дни испарение на открытом месте в 8.8 раз превышает испарение под кронами.
Средние величины испарения с почвы за 15-летний период наблюдений составляют 290 мм на вырубке и 116 мм в лесу, т.е. испарение на вырубке в 2.0...2.5 раза больше, чем в лесу.
-Транспираци я травянисто-кустар-н и ч к о в ы м покровом определена с использованием сезонных графиков накопления фитомассы на площадях рубок и эмпирических формул для расчета интенсивности транспирации по отдельным видам травостоя. По полученным данным (Битюков, Стасюк, 1986), транспирация травостоем под пологом не тронутого рубкой леса в среднем составляет 103 мм за вегетационный период, т.е. одинакова с величиной испарения с поверхности почвы в лесу. На площади добровольно-выборочной рубки травостой испаряет влаги в 1.4 раза больше чем под пологом леса и в 2.4 раза меньше чем на сплошной рубке. Наибольшая за сезон транспирация травостоем наблюдается на площади сплошной и в окне котловинной рубок - в среднем 357 и 399 мм, что выше, чем под пологом леса, в 3.4 и 3.9 раз. Для сравнения отметим, что транспирация не тронутым рубкой высокополнотным буковым древостоем за указанный период наблюдений колебалась от 280 до 495 мм, а в среднем за период 1965-1979 гг. - 290 мм (за последнее пятилетие -334 мм) [Битюков, 1988] , т.е. почти равна транспирации травостоем на площади сплошнолесосечной рубки и в окне котловинной рубки.
Влагозапасы в п о ч в е и а сплошной вырубке в 1.1...1.2 раза больше, чем в лесу. Количество гравитационной влаги в 1-метровом слое почвы контрольного участка составляет около 100 мм. На сплошной вырубке наименьшая влагоемкость (НВ) выше, но гравитационной влаги здесь почти в 4 раза меньше, чем в лесу, что связано с физикой почвы.
-Суммарный сток с горных склонов, являющийся интегральным показателем изменений гидрологической обстановки на водосборе, анализировали с применением графиков связи месячных сумм стока контрольного водосбора и каждого из опытных бассейнов. Основой
для сравнения служили графики связи, полученные в годы калибровочного периода. Последующий анализ выявил не только количественные изменения стока в связи с рубками, но и время наступления таких изменений. В результате определились три периода: калибровочный и два периода после проведения рубок.
На 1-м водосборе со сплошнолесосечной рубкой расчет по эмпирическим уравнениям показывает, что в среднем суммарный сток увеличился (в 2.4 раза) только на 6... 11 год после рубки. На 2-м водосборе с котловинной рубкой в среднем суммарный сток увеличился: сразу после рубки - в 1.35 раза и в 1.92 раза - на 6... 11-й год после нее. На 3-м водосборе (с добровольно-выборочной рубкой) по полученным в результате анализа уравнениям увеличения суммарного стока практически не наблюдалось. При Н4 > 200 мм разница в стоке до и после рубки существенна - в 1.5 раза.
Изменение водного баланса склона прослежено но трем периодам: до рубки (1966-1973 гг.), после рубки (19741979 гг.) и спустя 5 лет после рубок (1980-1984 гг.). Разбивка на периоды после рубок на две пятилетки обоснована сроком наиболее резких изменений элементов водного баланса во времени. Грунтовый сток на водосборах получен выделением из общего стока склоновой составляющей анализом гидрографов стока (Битюков, 1988). Инфильтрационная часть баланса определена как остаточный член.
В результате сплошной рубки на 1-м водосборе несколько возросло (на 10...12 % за теплый сезон) суммарное испарение: от 26 до рубки до 28% после рубки, в 3.4 раза увеличился сток (с 4.4 до 15 %) и уменьшилась инфильтрация (от 68 до рубки до 58 % после рубки). При этом изменилась доля составляющих суммарного испарения - взамен отсутствующих транспирации древостоем и перехвата осадков пологом леса на вырубке резко возросли испарение с почвы и транспирация травяным покровом. По мере формирования молодняков на вырубке происходит выравнивание всех составляющих суммарного испарения.
На 2-м водосборе (с котловинной рубкой) суммарное испарение в годовом балансе почти не изменилось (24...26%), возрос сток (как склоновый, так и подземный) - до 25 по сравнению с 12 % до рубки, уменьшилась инфильтрация - до 48 по сравнению с 62% до рубки.
На 3-м водосборе изменения водного баланса отмечены только в первые 5 лет после рубки, что выражалось в уменьшении суммарного испарения и увеличении инфильтрации.
Таким образом, по многолетним исследованиям в буковых лесах на ЛГС "Аибга" установлено, что рубки главного пользования на малых горных водосборах приводят к протяженному по времени влиянию на все элементы водного баланса, и прежде всего - на сток. Склоновый сток, играющий роль
интегрального показателя изменения гидрологической обстановки на водосборах, наиболее подвержен изменениям. При использовании технологии лесозаготовок, сводящей до минимума повреждения почвенного покрова, заметные изменения склонового стока отмечаются спустя 5 лет после рубок.
Установлено, что трансформация элементов водного баланса после рубок леса даже для одинаковых лесных формаций имеет региональные особенности.
4.1.4. Изменение водорегулирующей роли насаждений
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...19.1 мм и 1.1...9.3%) 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. Анализ выполнен построением корреляционных зависимостей характеристик паводков для периодов: калибровочный - 1966-1973 гг.; период наименьшего влияния рубки на паводки - 1974-1978 гг.; период наибольшего влияния рубки на сток - 1979-1984 гг., и период снижения влияния рубки на сток - 1985-1994 гг. Все зависимости имеют высокие коэффициенты корреляции - от 0.64 до 0.92 . На 1-м водосборе ЛГС "Аибга" (со сплошной вырубкой) объемы паводков в первые 5 лет после рубки практически не изменились; резкое увеличение паводков (в 2.1...2.6 раза) произошло здесь только на 6...11-й годы после рубки. Максимальные модули стока после рубки практически не изменились - около = 2,0 л/схга; изменилась форма гидрографов - за счет растягивания паводков во времени.
На 2-м водосборе с 3-мя приемами котловинной рубки (на 24 котловинах) на 5...11-й годы после рубки увеличились в 1.20 раза, а коэффициенты паводочного стока возросли за этот период в 1.80 раз; увеличение максимальных модулей стока составило в 1.25 в 1-й период после рубки и в 1.45 раза - во 2-й. На 3-м водосборе (с добровольно-выборочной рубкой) в 1-й период после рубки наблюдалось увеличение коэффициентов стока в
1.2 раза, а во 2-й - в 1.1 раза. Максимальные модули стока уменьшились после рубки в среднем в 1.4 раза.
В дальнейшем (в 1985-1994 гг.) повышенные коэффициенты паво-дочного стока наблюдались в начале 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 затем увеличение стока снизилось до 1.4 раза. Максимальная отмеченная интенсивность стока - 0.08 мм/мин. За 30-летний период наблюдений на ЛГС "Аибга" во время прохождения 3-х паводков буковые насаждения (даже на контрольном водосборе) не смогли обеспечить регулирование паводочных вод после интенсивных летних ливней. Расчеты показывают, что при суточном количестве осадков более 180 мм, т.е. при модульном коэффициенте суточного максимума К = 1.60 (что соответствует 5% обеспеченности, или повторяемости 1 раз в 20 лет) склоновый сток не может быть зарегулирован даже не тронутыми хозяйственной деятельностью буковыми древостоями.
Минимальное впитывание на площадях, занятых различными видами угодий, определено анализом эмпирических кривых обеспеченности интенсивности впитывания по площади. На участках покрытых лесом 70% площади способны поглотить ливни с интенсивностью более 0.6 мм/мин, а при интенсивном хозяйственном воздействии защитные функции могут выполняться лишь 1/4 частью площади, т.е. в среднем в 17 раз хуже по сравнению с лесными участками. В опытах на хозяйственно используемых участках наименьшее впитывание (0.10...0.19 мм/мин) получено на прогалине, где проводится систематический выпас скота. В среднем же для всех участков интенсивность впитывания составила 0.43 мм/мин при интенсивности дождевания 1.03 мм/мин.
4.2. Изменение гидрологической роли дубовых лесов в связи с рубками
4.2.1. Изменение водоохранной роли дубовых лесов
Насаждения контрольных водосборов ЛГС "Горский" ( №3 и №4) в динамике характеризуются снижением общего запаса и состояния, увеличением количества сухостоя, а также деревьев с механическими повреждениями (ветролом и ожеледи), имеются случаи ветровалов. Под пологом леса отмечается обильное количество подроста граба, образующего местами сплошное покрытие.
Все лесосеки, пройденные опытными рубками, имеют достаточное количество естественного возобновления - до 18.0 тыс. гнт./га. В настоя-
щее время на сплошных вырубках в свежих условиях сформировались молод-няки граба с примесью (до 2-х единиц в составе) дуба. В составе молодня-ков 6...7-летнего возраста главная порода (ДсК) составляет лишь 40%. На южных и крутых склонах, где условия более сухие, в молодняках преобладает дуб. При средней высоте 5.7 м и диаметре ствола 4.5 см количество стволов достигает 8050 шт/га, из них дуба - 1270 шт/га; 60% - порослевого происхождения. На водосборе №2 молодняки на вырубках (после 1-го приема) представлены овсяницевым и азалиевым дубняками. Из них более успешное лесовосстановлеиие протекает в овсяницевом дубняке: в составе мо-лодняков дуба до 7 единиц.
Динамика листового опада в молодняках ЛГС "Горский" соответствует составу сформировавшихся древостоев. Так, максимальную листовую поверхность среди вырубок имеет дубняк грабинниковый (9086 м 2/га). В дубняках злаковом и азалиевом этот показатель почти одинаков и составляет соответственно 5630 и 5568 м2/га. По количеству опада 1-е место занимает дубняк злаковый (3982 кг/га), а биомасса опада в дубняке грабинниковом составляет лишь 2669 кг/га.
Травяной покров 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 и 80%, а в грабинниковом - 40%; осоки - 30%, 23% и 50%. По биомассе травяного покрова несколько выделяется грабинниковый дубняк (311 кг/га), у злакового и азалиевого эти показатели близки и составляют соответственно 204 и 220 кг/га.
Водный баланс дубовых лесов на 1-м водосборе со сплошноле-сосечной рубкой в калибровочный период состоит наполовину из стока (51.5%), около 1/3 занимает испарение (39.8%), а остальные 10% приходятся на инфильтрацию и аккумуляцию воды в почве. Баланс влаги контрольного 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%. В первые 2 года после рубки увеличение стока на 1-м водосборе составило 56%, а в среднем за 6 лег, прошедших после рубки - на 37%. Суммарное испарение снизилось; практически исчезла инфильтрационная составляющая баланса. Следовательно, влияние сплошной вырубки сказалось в уменьшении глубоководного фунтового питания до нуля.
На 2-м водосборе с 2-приемной котловинной рубкой расходные элементы баланса до рубки составили: сток - 44.4% (на контроле 46.6%), суммарное испарение - 42.1% (на контроле 11.8%). После рубки на 2-м водосборе сток увеличился в 1.07 раза, испарение не изменилось, а ин-
фильтрация уменьшилась в 0.77 раза, т.е. на 4% по балансу. К 5-му шду после рубки сток на водосборе увеличился на 18% .
Таким образом, сгшошнолесосечные рубки на водосборах в формации дуба скального при условии очень напряженного водного баланса до рубки (на инфильтрацию приходится лишь около 10% осадков) приводят к уменьшению грунтового питания рек до нулевых величин и к увеличению склонового стока в 1.4 раза. Узколесосечные (котловинные) рубки влияют на ухудшение водного баланса в значительно меньшей степени.
4.2.2. Изменение водорегулирующей роли дубовых лесов
По результатам экспедиционных исследований формирования стока в формации дуба скального, водно-физические свойства почв в верхнем 30...40-сантиметровом оризонте характеризуются хорошими показателями в не тронутых рубками насаждениях. В связи с малой емкостью почвенного регулирования (30...40 мм) здесь наблюдаются значительные коэффициенты паводочного стока. Все виды рубок резко ухудшают водно-физические свойства почв: 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, и только в молодняках 10 лет и старше они восстанавливаются почти до уровня не тронутых рубкой древостоев.
Формация дуба пушистого произрастает в основном на перепюй-но-карбонатных почвах, водно-физические свойства которых лучше чем бурых лесных, и интенсивное хозяйственное и рекреационное воздействие сказывается не так сильно на гидрологических функциях (в сравнении с друшми формациями). Тем не менее, рубки в 2...3 раза ухудшают фильтрационные свойства этих почв, больше период восстановления их после рубок (на 13-летних вырубках на глубине около 35 см УКФ равно 0.4 мм/мин).
На ЛГС "Горский" на водосборе со сплошной вырубкой в течение первых 2-х лет после рубки паводки уменьшились на 6... 11%, а затем наблюдалось устойчивое увеличение: объемов паводков - в 1.34 раза, коэффициентов стока - в 1.11 раза, максимальных модулей стока - в 1.04 раза. Коэффициенты паводочного стока на 3-й год в 1.7 раза выше чем на контрольном, на 6-й год после рубки - больше в 1.24 раза, на 7-й - в 1.10 раза, на 8-й - в 1.22 раза чем до рубки.
На 2-м водосборе после проведения 2-х приемов узколесосечной (котловинной) рубки существенных изменений склонового стока не наблюдалось. Несколько возросли (в 1.1 раза) объемы паводков.
4.3. Изменение гидрологической роли пихтовых лесов в связи с рубками
Опытные рубки на лесогидрологическом стационаре СКЛОС в зоне пихтовых лесов Гузерипльского ЛПХ (по данным Г.Т.Беленко) были проведены в 1972-1973 гг. с использованием тракторов на трелевке древесины. Водосбор №1 (4.45 га) на площади 2.5 га был пройден сплошнолесосечной рубкой; водосбор №2 (2.71 га) - добровольно-выборочной рубкой с интенсивностью 31% по запасу с сохранением полноты 0.56; водосбор №3 (12.39 га) -на 66% площади пройден первым приемом постепенной рубки с интенсивностью 51% по запасу (с полнотой до 0.44). Результаты наблюдений за стоком, опубликованные Г.Т.Беленко [1978], показали, что в зимний период сток достигает в среднем 76% от выпавших осадков, а в среднем за год -66%. Средний водный баланс после рубки на 1-м водосборе изменился в сторону увеличения суммарного стока (на 21%) за счет уменьшения суммарного испарения, при этом сток увеличился пропорционально на одинаковую величину в холодный и теплый периоды. На 2-м и 3-м водосборах после проведения рубок в течение 4-х лет водный баланс изменился незначительно. На обоих водосборах на 3...4% увеличился суммарный сток - за счет быстрого склонового стока.
4.4. Изменение почвозащитной роли горных лесов региона в связи с рубками
Степень повреждения почвенного покрова достаточно надежно увязывается с изменением плотности поверхностных горизонтов почв (Коваль, Битюков, Шевцов, Щинников, 1976). Уплотнение зависит от способа рубки и технологии лесосечных работ, которыми определяются не только эксплуатационные повреждения почвы, но и последующие изменения ее физических свойств под влиянием естественных природных процессов. На опытных лесосеках при различных технологиях лесозаготовок (с применением трелевочных тракторов, канатных установок и вертолетов) изучены в динамике водно-физические свойства почв (ВФС). На лесосеках, освоенных с применением канатных установок различных систем в свежих дубняках с дубом черешчатым и в сухих дубняках с дубом скальным, на делянках сплошных рубок 1981 г. существенных различий в плотности почв (спустя 3 года после рубки) не установлено. В формации дуба скального УКФ выше в 2.5 раза, а в дубняках из дуба черешчатого - полевая и наименьшая влагоемкости на 10...20% выше.
На делянке добровольно-выборочной (20%) рубки в сухом дубняке дуба скального, но сравнению с контролем, плотность почвы на поверхности выше на 30%, а УКФ - ниже на 40%, НВ также ниже на 16%.
На площадях лесосек, освоенных с применением вертолетной транспортировки древесины, наблюдается ухудшение водно-физических свойств почв в сравнении с контролем, а также уменьшение почвенного профиля (примерно на 2/3 лесосек). На 6...8-летних вырубках, расположенных на склонах до 20°, отмечается восстановление водно-физических характеристик почвенного покрова до исходного уровня. Влияние размеров лесосек прослеживается недостаточно отчетливо. При крутизне склонов, превышающих 35°, на лесосеках в возрасте 4...6 лет наблюдаются оползневые явления.
По исследованиям на ЛГС "Аибга", в свежих и влажных буковых насаждениях через 11 лет после опытной сплошнолесосечной рубки и после 1-го приема котловинной, ВФС бурых лесных почв в верхнем 60-сантиметровом горизонте не уступают контролю. На водосборе с добровольно-выборочной рубкой ВФС через 10 лет отличаются от контроля несущественно. Прослеживается зависимость динамики ВФС от способов и интенсивности рубок. На тракторных волоках за период наблюдений ВФС не восстановились: на пасечных волоках-террасах в слое 1...14 см плотность равна 1.21...1.27 г/см3, УКФ - 0.18...2.57 мм/мин, наименьшая влагоемкость -52%.
Поскольку в не затронутых рубкой буковых древостоях поверхностный сток не превышает 0.2% от общего, 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 максимальная мутность воды не превышала 200 г/м3, а средние величины мутности имеют значения не более 2...4 г/м3.
В буковых насаждениях, изреженных промышленными выборочными рубками 5...10 лет назад, площадь поврежденного почвенного покрова достигает 57% от общей. Восстановление структуры на поврежденных участках происходит медленно, при этом 15% площади имеют величины 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. При промышленных выборочных рубках объемный вес (плотность) почв в буковых древостоях увеличивается до 1.11 г/см3, а УКФ снижается до 2.0 мм/мин. При добровольно-выборочных рубках эти показатели составляют соответственно 0.98 г/см3 и 12.6 мм/мин. В дубравах, на свежих сплошных вырубках, 87% площади имеет значительные повреждения почвенного покрова; на долю 2-й категории по-
вреждений приходится 46%, 3-й - 41%; УКФ поверхностных горизонтов на таких участках уменьшается до 0.2 мм/мин, объемный вес почв - 1.29 г/см3.
В дубравах Северо-Западного Кавказа с использованием метода искусственного дождевания элементарных водосборов определено, что под пологом сомкнутых насаждений и на сплошных свежих вырубках, в местах, где почвенный покров не нарушается при эксплуатационных работах, твердый сток составляет не более 0.08 т/га. При повреждениях почвы тракторами до 30%, твердый сток увеличивается почти в 50 раз. На магистральных волоках он выше, чем на поврежденных участках, примерно в 17 раз. На сплошных 7-летних вырубках с тракторной технологией, эрозионные процессы достигают существенных значений.
В пихтовых лесах региона, по данным Г.Т.Беленко (1977), на опытных водосборах твердый сток до рубки наблюдался в пределах 342...770 кг/га. После рубок на водосборе со сплошной вырубкой почвенный покров поврежден на 96% площади, с добровольно-выборочной - на 22%, с постепенной - на 61%. Максимальные мутности воды увеличились в 22 раза на сплошной вырубке и в 7.5 раза - на постепенной и добровольно-выборочной, а вынос мелкозема составил 258...277 м3/га или 178...1052 кг/га.
5. ВЛИЯНИЕ ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕЧНЫХ БАССЕЙНОВ
Для определения влияния лесопользования на изменение твердого и жидкого стока в бассейнах крупных и средних горных рек в условиях Северо-Западного Кавказа подобраны несколько репрезентативных бассейнов, имеющих длительные ряды наблюдений за элементами гидрологического режима и характеризующих определенные лесорастительные зоны региона: бассейны рек Белой, Пшехи и Псекупса - на северном макросклоне региона, и рек Мзымты, Пснй, Дюрсо, Шахе, Туапсе и Вулана - на южном макросклоне.
Анализ стока проводили в многолетнем разрезе (для гидрологических лет), при этом сток был переведен в относительные величины (модульные коэффициенты Ку, представляющие отношения годовых значений стока к его норме). Анализ данных по 22 бассейнам показал, что цикличность осадков и речного стока для отдельных частей региона носит общий для всего региона характер.
5.1. Анализ общерегиональных гидрологических связей
На примере модульных коэффициентов годового и минимального стока и годовых сумм осадков установлены следующие общерегиональные закономерности:
- Изменение норм осадков в бассейнах рек определяется высотой местности над уровнем моря и ориентацией хребтов относительно влаго-несущих воздушных потоков. Так, по данным 8 метеостанций в бассейне р.Белой увеличение осадков с высотой описывается уравнением:
X = 1.305 х Н + 487, г = 0.980, (7)
где: X - норма годовых сумм осадков, мм; Н - высота станций над ур.моря, м.
- Установлено, что цикличность осадков и речного стока для отдельных частей региона носит общий характер, что облегчает задачу определения периода и размеров изменения стока па водосборе под влиянием изменения лесной растительности. Средний период короткого цикла определен в 5.7...6.1 года, а длинного - около 16 лет.
- Анализ хронологических графиков модульных коэффициентов стока Ку и осадков Кх позволил установить наличие асинхронности хронологических изменений Кл по отношению к контрольным водосборам, что объясняется изменением состояния лесной растительности на бассейнах.
- Выявлена достаточно достоверная связь модульных коэффициентов стока и осадков Ку = ^ Кх) на контрольных бассейнах.
- Анализ минимального (базисного) речного стока в регионе позволил установить, что этот сток представляет собою глубоководное грунтовое питание, которое определяется как климатическими и геолого-геоморфологическими характеристиками речного бассейна, так и лесо-растительными условиями на водосборе. В связи с этим, изменение лесной растительности на водосборе неизбежно влечет за собой (при прочих неизменных условиях) изменение базисного стока - как его величины, так и его доли в общем годовом стоке реки. Наиболее устойчивой характеристикой базисного стока является годовой минимум (слой стока за период 30 суток из средних минимумов). Анализ показал, что наибольшее влияние на базисный сток рек оказывает площадь водосбора и его высота над уровнем моря. Зависимость минимального 30-суточного стока М,шп от площади водосбора Р поддается региональному районированию. Установлено 6 гидрологических районов, характеризующихся своими особенностями формирования стока (по геоморфологии, высотам над уровнем моря, климату и др.): 1-й район - верховья реки Кубань до р.Уруп - со средними высотами бассейнов 1500...2800 м над уровнем моря; 2-й район - от реки Малой Лабы до
р.Пшехи включительно со средними высотами 500... 1700 м; 3-й - от бас. реки Пшиш до бас. р.Адагум (150...500 м); 4-й - реки Черноморского побережья от р.Дюрсо до р.Туапсе; 5-й - реки ЧПК от р.Аше до р.Псезуапсе; 6-й район - реки ЧПК от р.Шахе до р.Мзымты - юго-восточная часть побережья (с максимальным в регионе увлажнением). Коэффициенты корреляции зависимостей минимального (базисного) стока Мт;п (мм за год с 1 км2 ) рек этих районов от площади водосбора Р (км2) достаточно велики г = 0.67...0.94.
Выделенные гидрологические районы следует применять при подборе рек-аналогов, поскольку только для водосборов рек, входящих в один гидрологический район можно ожидать схожие гидрологические процессы, для которых будут действительны разработанные модели. Для других водосборов необходима корректировка моделей путем внесения поправочных коэффициентов. В пределах каждой районной зависимости существует связь базисного стока от лесистости водосбора.
5.2. Гидрологическая роль лесов на речных водосборах южного макросклона
Для зоны буково-каштаповых лесов репрезентативным является бас. р.Псий - правобережного притока р.Шахе (площадь водосбора - 20.4 км2, длина реки - 9.8 км). Верхняя треть бассейна занята разновозрастными буковыми насаждениями 11-го класса бонитета, средняя - преимущественно спелыми каштановыми древостоями Н-го класса бонитета, а нижняя - дубравами (класс бонитета И) и частично буковыми насаждениями (класс бонитета III). Общая площадь букпяков - 44.5%, дубрав - 26.4%, каштанников - 25.5%. Насаждения характеризуются высокими полнотами и слабо затронуты хозяйственной деятельностью. Годовая сумма осадков здесь за 22-летний период наблюдений изменялась от 2156 до 3681 мм; из них холодный период - от 1241 до 2565 мм, теплый период - 478... 1540 мм. Для бас. р.Псий средний баланс за гидрологический цикл 1951-1965 гг. выглядит следующим образом, мм: 2940 = 1940 + 1000; %: 100.0= 66.0 + 34.0.
Основную часть в балансе занимает глубоководное грунтовое питание: в сумме со склоновым стоком достигает 66% для р.Псий. Суммарное испарение составляет здесь около 1/3 баланса.
На р.Псий для отдельных паводков коэффициенты склонового стока (при осадках 100...200 мм) колеблются от 0.03 до 0.61, а во время максимального ливня в июле 1956 г. при слое осадков 384 мм коэффициент стока за поводок достиг 0.90. Обычные же осадки не превышают 20 мм, и летом стока не дают (стокообразующими являются ливни более 20 мм).
Водорегулирующая роль леса северо-западной части региона (дубравная зона) в условиях недостаточною увлажнения могут характеризовать данные по бас. р. Дюрсо, который расположен в предгорьях крайней северо-западной части региона. Площадь его 51.9 км2, средняя высота над уровнем моря - около 170 м. Среднее годовое количество осадков составляет 806 мм, что в 3.7 раза меньше, чем в бас. р.Псий. За 20 лет наблюдений наибольшее количество осадков выпало в 1956 г. (1183 мм), наименьшее - в 1957 г. (528 мм). Годовые максимумы суточных осадков - от 26 до 111 мм. В течение гидрологического года весенние влагозапасы в бассейне расходуются почти полностью. По среднемноголетним данным водный баланс реки Дюрсо выражается следующим образом:
в мм: 806 = 280 + 526; в %%: 100.0= 34.7 + 65.3
Основную долю расхода составляет суммарное испарение. В отдельные годы, когда летом осадков выпадает достаточное количество, испарение только за летний период достигает 582 мм.
5.3. Влияние динамики лесопользования на режим стока и наносов в бассейне реки Белой
Из общей площади лесов в бас. р.Белой 46% находится в ведении ле-сохозяйственных организаций, 37% - в Кавказском госзаповеднике, 17% - в совхозах, колхозах и т.д. Лесистость территории достигает 66%. Кавказский гос.биосферный заповедник занимает верхнюю часть бассейна р.Белой - от 600 до 3239 м над уровнем моря всего 73.6 тыс.га. Под лесами здесь находится 71% территории, под пастбищами - 16.3%, под оползнями и скалами -11.5%. Заповедный режим ведения лесного хозяйства в нем установлен с 1924 г.
Объем рубок главного пользования, лесовосстановительных и прочих рубок за период 1970-1987 гг. (в сумме по лесным предприятиям) колебался по годам от 2.1 до 3.1 тыс.га - по площади, и от 311 до 441 тыс.м3 -по запасу. В среднем за год объем рубок но Гузерипльскому ОЛПХ и Первомайскому ЛПХ составил 2.3% от их площади, а по остальным предприятиям - 0.3...0.8%.
По Гузерипльскому ОЛПХ общая площадь рубок главного пользования и лесовосстановительных рубок (сплошные, котловинные, постепенные, добровольно-выборочные и прочие) за 1985-1991 гг. составила 9234 га, в среднем за год - 1.7% от площади водосбора, рубок промежуточного пользования - 1.1% и ухода за молодняками (осветления и прочистки) - 1.8%. По более ранним периодам установлены средние размеры ежегодного освоения
площади бассейна: для главного пользования - 1.6%, для рубок ухода -2.4%.
Для выявления связи режима лесопользования в бассейне р. Белой с изменением гидрологического режима реки и ее притоков проведен анализ хронологических графиков площадей ежегодных объемов рубок главного пользования, совмещенных с хронологическими графиками относительного стока и мутности воды (отношений годовых слоев стока и мутно-стей воды эксплуатируемых частей водосбора к аналогичным значениям по контролю). При анализе степени влияния лесохозяйственных мероприятий на режим и качество стока р.Белой установлено, что изменения гидрологических характеристик (элементов водного баланса) наблюдаются как по площади бассейна (осредненных величин), так и во времени. Лесопользование также изменялось и по своей интенсивности, и по территории бассейна. Анализ хронологических графиков модульных коэффициентов стока и осадков позволяет определить асинхронность их изменений в сравнении с контрольным водосбором, что увязывается с изменением здесь лесорасгитель-ных условий. Для контрольных водосборов зависимости Кь = ДКХ) обладают достаточной достоверностью (коэффициенты корреляции 0.8...0.9).
Совместному анализу накопления площадей вырубок и изменений годового стока был подвергнут бассейн реки Дах (приток р.Белой) по следующим причинам:
- в бассейне имеются наблюдения за стоком с 1954 г. по настоящее
время;
- в бассейне проводились интенсивные вырубки леса - за 30 лет рубками главного пользования пройдено около 80 % площади водосбора;
- бассейн имеет относительно небольшие размеры - 40,2 тыс.га;
- имеются надежные контрольные бассейны - р.Киша - Лагерная караулка (49.0 тыс.га) и р.Белая - нос.Гузерипль (54.7 тыс.га), в основном находящиеся в пределах Кавказского госзаповедпика.
На водосборе р.Дах изменения гидрологического режима прослеживались в течение всего периода наблюдений. Относительные модульные коэффициенты годового стока р.Дах за период наблюдений (1955-1990 гг.) изменялись в пределах 0.055...0.234, причем эти изменения увязываются с изменением интенсивности лесопользования. На хронологическом графике можно выделить два периода с повышенными величинами относительных коэффициентов годового стока, когда они превышали среднюю величину (равную 0.15), и один период (1966-1972 гг.), который отличается устойчиво низкими коэффициентами. На этот период приходится наиболее интенсивное проведение рубок главного пользования - до 1500 га ежегодных вырубок в бассейне.
Корреляция объемов рубок главного пользования в бассейне р.Дах 0УГЛ) с модульными коэффициентами стока представлена зависимостью:
К(Дах) = 0.242 - 9.22 х 10"5 х \Vr.n., г = - 0.60 ± 0.16 (8)
Результаты анализа с точностью г = - 0.57...0.65 доказывают существование зависимости коэффициентов относительного стока от водности года, т.е. с увеличением водности года коэффициенты относительного стока года должны быть больше, чем рассчитанные по фактическим наблюдениям, а в засушливые годы соответственно меньше.
Анализ влияния интегральной суммы вырубок в бассейне р.Дах на относительные коэффициенты годового стока К = А(Дах)/А(Гузерипль) (где А(Дах) - коэффициенты годового стока, т.е. отношение годового стока к осадкам по рДах, а А(Гузерипль) - тоже по гидроствору контрольного водосбора р.Белая у нос.Гузерипль) дали результаты, доказывающие суммарное влияние вырубок на изменение годового стока только на 5-6-й год после рубки:
К(Дах) = 0.186 - 1.79 х 10"5 х \Ус(Дах), г = 0.640 ± 0.181 (9)
Здесь: К(Дах) = А(Дах)/А(Гузерипль), а \Ус(Дах) - суммарная величина площадей рубок за 6 лет до года определения К(Дах).
5.4. Влияние лесопользования на гидрологический режим реки Псекупс
Общая площадь водосбора р.Псекупс до г. Горячий Ключ равна 765 км2 (76.5 тыс.га), из них около 5% используется под интенсивную сельхоз-деятельность. Лесной фонд в пределах бассейна по базе данных лесоустройства составляет 68248 га, или 89.2% от площади водосбора реки. Около 53% составляет площадь, на которой в течение последних 50 лет проводилась интенсивная лесохозяйственная деятельность (в виде рубок главного пользования).
В период наиболее активного лесохозяйственного воздействия (с 1955 по 1975 гг.) интенсивность рубок составляла 1.5...1.7% площади водосбора в год. За этот 20-летний период было вырублено около 1/3 бассейна р.Псекупс. До 1955 года влияние лесопользования на гидрологические условия в бассейне Псекупса незначительны - вырубленная за 20-летний период площадь не превышала 9%. Следовательно, период наблюдений за стоком до 1955-1960 гг. здесь можно считать калибровочным.
Для выбора контрольного водосбора, с которым можно было бы сравнивать гидрологический режим р.Псекупс, выполнен анализ годового, сезонного и минимального стока рек Шахе, Мзымты, Туапсе и Вулана. Наиболее надежные калибровочные связи стока р.Псекупс и контрольных водо-
сборов получены для рек, входящих в один и тот же гидрологический район, т.е. хорошо коррелирует сток Псекупса с бассейнами Вулана и Туапсе (г = 0.67...0.80). По полученным зависимостям, в среднем минимальный (базисный) сток по бассейну р.Псекупс в период 1959-1975 гг. меньше в 1.75 раза в сравнении с калибровочным периодом. Если принять в качестве контрольного водосбор р.Туапсе, примерно для тех же периодов наблюдений получены формулы, по которым уменьшение стока р.Псекупс рассчитано в 1.92 раза. Доказан факт уменьшения базисного фунтового стока в бас. р.Псекупс в 1.9 раза при накоплении на водосборе более 20% вырубленной его площади, и последующее небольшое увеличение стока в 1.16 раза на некоторый период (5...7 лет) с последующим возвратом к прежнему уровню. Аналогичные данные получены при анализе изменения доли фунтового (базисного) стока в общем годовом стоке (в %) в зависимости от интенсивности лесохозяйственной деятельности на водосборе. В сравнении с калибровочным периодом, в течение периода 1961-1974 гг. наблюдается уменьшение доли фунтового питания р.Псекупс в среднем в 1.7 раза, а в следующее десятилетие - небольшое (в 1.1 раза) его увеличение.
Доля грунтового питания р.Псекупс уменьшается в 2.0 раза в период 1960-1975 гг., а в последующий 5...7-летний период наблюдается небольшое ее увеличение. Таким образом, накопление молодняков по площади в речных бассейнах от 10% до 25...30% (от их площади) приводит к устойчивому уменьшению базисного речного стока по зависимости приведенной в табл. 2.
Таблица 2
Изменения базисного стока в зависимости от площади молодняков
Площадь молодняков, % 1...10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Коэф. 1.00 0.90 0.81 0.75 0.70 0.65 0.62 0.58 0.55 0.53 0.52
изме-
нения
баз.
стока
Анализ влияния на базисный сток дальнейшего уменьшения площадей молодняков и возврате их на уровень 20...25% от площади бассейна позволяет предположить, что на уровне речных бассейнов после интенсивных антроногенных воздействий образуются новые лесные экосистемы с другими параметрами (качественно новые экосистемы).
6. КОНЦЕПЦИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ РОЛИ ГОРНЫХ ЛЕСОВ 6.1. Вероятностная оценка водорегулирующей роли насажений
Речной водосбор представляет собой сочетание различных элементов, для каждого из которых характерны процессы разных масштабов - от формирования стока на склоне до транзитного перемещения паводочной волны. В прогнозах используют детерминистические модели, для которых существует однозначная связь входных и выходных данных. Влияние неравномерности стокообразующих факторов на сток в замыкающем створе зависит от площади водосбора. Чем меньше водосбор, тем меньшую роль играют сглаживающие эффекты, и тем большее влияние на сток оказывают мелкомасштабные неоднородности. С увеличением размеров площади водосбора влияние мелкомасштабных неоднородностей снижается, однако может существенно повыситься роль крупномасштабных неоднородностей, связанных со значительными различиями водно-физических характеристик почвы на больших участках водосбора, с изменчивостью водоподачи и др.
Как показали теоретические и экспериментальные исследования, в горных условиях Северо-Западного Кавказа фактически поверхностного стока на склонах, покрытых лесной растительностью, или не существует вовсе, или же он составляет доли процента от общего ручьевого стока. Во всяком случае, надежных способов выделить поверхностный сток в общем склоновом, формирующемся в верхнем 0.5... 1.0-метровом слое почвы, не имеется.
В связи с этим, для горных условий предлагается использовать понятие "склоновый сток", для которого основным отличительным признаком является скорость добегания до основного русла. Склоновым стоком следует считать количество воды, которое проходит через замыкающий створ в течение нескольких часов после выпадения паводкообразующих осадков (не более, чем в течение 1.,.2-х суток после дождя). По своим гидравлическим характеристикам и эрозионным свойствам склоновый сток сходен с поверхностным стоком в равнинных условиях.
В отличие от склонового, в более глубоких горизонтах почво-грунтов (глубже 0.5...1.0 м) формируется грунтовый сток, характеризую-
щийся большим временем добегания до замыающего створа (от нескольких суток до нескольких месяцев), и вследствие особенностей среды формирования обладающий своими особыми физико-химическими качествами.
Процесс формирования стока в системе "климат-лес-вода" необходимо исследовать в динамике как по площади, так и во времени. Генезис стока по площади различается по динамике на грех уровнях:
а) формирование стока в точке бассейна (изучается на площадках -участках склона размерами от десятых долей м2 до сотен м2);
б) формирование стока на малых (элементарных) водосборах, которые являются, как правило, первичной ячейкой гидрографической сети, т.е. притоками первою порядка;
в) закономерности образования и режима стока на крупных речных системах, имеющих региональное значение.
Экспериментальное изучение формирования стока в точке бассейна позволяет определить в динамике отдельные элементы этого процесса и получить генетические формулы максимального стока. Ориентация в этом случае идет на максимальный сток, а эксперименты состоят в исследованиях впитывания или инфильтрации в почвогрунты на площадках размером от десятых долей м2 (при применении инфильтрометров различных размеров и конструкций) до сотен м2 (при использовании метода искусственного дождевания с дождевальными установками различных конструкций). Однако, результаты этих экспериментов могут быть искажены вследствие балансовых различий на стоковых площадках в сравнении с естественным водосбором.
При изучении гидрологической роли леса применяются как модели детерминистических процессов, так и модели вероятностных (или стохастических) процессов, при рассмотрении которых принимается в расчет и вводится понятие вероятности появления переменных, участвующих в формировании стока, и учитывается (или не учитывается) последовательность появления переменных. Генетическая теория стока устанавливает детерминированные связи между стоком и стокообразующими факторами, однако ввиду сложности этих связей зачастую приходится прибегать к методам вероятностной оценки гидрологических процессов. Так, при анализе зависимостей величин паводков от стокобразующих ливней даже на малых водосборах (по данным ЛГС "Аибга" и "Горский") получены корреляционные отношения не более 0.7...0.8, и чем мощнее почвенный покров, тем менее точными являются эти зависимости. Еще менее точны подобные зависимости для водосборов основной речной сети.
Следовательно, при оценке водорегулирующей роли леса целесообразно использовать вероятностную оценку выполнения данной лесорасти-гельной формацией (насаждением, древостоем) функций регулирования паводков, образующихся под воздействием комплекса факторов. При опреде-
лении нормативов водорегулироваиия лесной растительностью в конкретных климатических условиях следует принять норматив вероятности (или обеспеченности) водорегулирующей роли леса. Расчет повторяемости наводка, регулируемою насаждением (1 раз в 100, 50 или 20 лет) необходимо производить на основе опытных данных и социальной значимости защищаемых лесом территорий.
Общая схема нормирования максимального склонового стока, регулируемого данным насаждением, включает расчет кривых обеспеченности наблюденных значений стока, оценку обеспеченности (повторяемости) стоко-образующих ливней, а также нормативов водорегулироваиия расчетного расхода воды лесонасаждением. При этом возможно пользование аналитических функций распределения, обычно применяемых в инженерно-гидрологических расчетах, т.е. биномиального распределения Пирсона III типа и трехпараметрического гамма-распределения Крицкого-Менкеля. Для этих распределений параметрами являются: математическое ожидание (среднее ряда) Хер, среднеквадратическое отклонение ст или коэффициент изменчивости (вариации) Cv, а также коэффициент асимметрии Cs. В силу ограниченности ряда наблюдений за стоком и осадками на реальных гидростворах особой задачей является оценка смещенности ординат аналитического распределения относительно эмпирических точек, для чего рекомендуется применять графо-аналитические методы. Как правило, в гидрологических справочниках легко найти таблицы координат для распределения Пирсона III типа, а также величии Кр (Cv, Р) для трехпараметрического гамма-распределения Крицкого-Менкеля.
При вероятностной оценке водорегулироваиия лесной растительностью следует задаться (или рассчитать) допустимой величиной ежегодной вероятности превышения максимального стока (на наш взгляд, не менее 10% вероятности, или повторяемости 1 раз в 10 лег). Для отдельных регионов и целевого назначения насаждений должна быть разработана своя шкала классности (включая и социальную значимость водорегулироваиия в данном бассейне, например - защита населенных пунктов от наводнений).
По разработанной методике обычным путем по кривой обеспеченности максимальных расходов воды (или суточных максимумов осадков) устанавливается расчетное значение при нормативной вероятности ежегодного превышения Р. При этом нормируется не только величина обеспеченности ежегодного превышения (Р), но и уровень значимости q (уровень доверительной вероятности), характеризующий уровень гарантии расчета максимального расхода воды, соответствующий классу капитальности сооружения (в нашем случае - лесонасаждения). Доверительные границы при заданном уровне значимости Q зависят от принятого закона распределения и его параметров (X, Cv, Cs).
Нормативный расчет максимальных расходов воды конечной целью имеет прогноз экологических последствий как для нетронутых хозяйственной деятельностью древостоев на водосборах, так н при ведении выбранных систем хозяйствования. Уменьшение водорегулирования лесной растительностью в связи с рубками и различными технологиями лесозаготовок должно быть оценено количественно для принятия альтернативных решений о проведении лесохозяйствепных мероприятий. Для насаждений каждого региона и целевого назначения должна быть разработана своя шкала водорегулирующей роли, включающая и социальную значимость водорегулиро-вания в данном речном бассейне (например, защиту населенных пунктов от наводнений).
6.2. Применение принципа иерархичности генезиса стока для оценки водоохранной роли леса
На основе анализа литературных источников и полученных многолетних экспериментальных данных предлагаются следующие теоретические положения в качестве основы доя практических рекомендаций по сохранению и улучшению гидрологического режима территорий, находящихся в хозяйственном обороте. Влияние лесной растительности на водный баланс склонов и гидрологический режим водотоков следует рассматривать на различных уровнях, которых должно быть не менее 3-х. Основным критерием разделения на иерархические уровни служит площадь водосбора, с которой связаны в горных условиях как генезис стока, так и стокообразующие факторы.
Первым уровнем следует считать сравнительно однородный участок горного склона (например, таксационный выдел),для которого в гидрологическом отношении характерным является отсутствие ручьевого стока (вследствие малой концентрации почвенно-грунтовых вод) и небольшая площадь - до 5... 10 га.
Вторым уровнем является минимальный водосбор, входящий в гидрологическую сеть реки (приток 1-го порядка) - гак называемый элементарный водосбор. Характерным признаком его следует считать четко сформированные геоморфологические условия 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; огг может включать от 1 до 2...3 кварталов.
Третьим уровнем является водосбор реки, имеющей развитую речную сеть, устойчивый базисный сток, и впадающей непосредственно в море или в основные реки региона. Размеры таких бассейнов измеряются десятками и сотнями км2 (т.е. сотнями и тыс.га). Характерной особенностью таких водосборов является наличие на их площади различных почвенно-климатических, геолого-шоморфологаческих лесорастительных условий, которые закономерно меняются по длине горной реки.
63. Критерии и методические особенности оценки гидрологических функций горных лесов
В связи с разноуровенностью объектов изучения влияния лесохозяй-ственпой деятельности на гидрологический режим различными являются критерии гидрологического режима и модели его изменения.
На 1-м уровне ввиду относительной однородности площади и лесной растительности имеется возможность учесть наибольшее количество критериев по динамике растительности и гидрологическому режиму (с целью более детальной их характеристики). На 2-м уровне таких критериев должно быть меньше, а гидрологические модели - обладать меньшей сложностью. На 3-м уровне вследствие взаимного наложения друг на друга процессов, направленных в противоположные стороны, а также нивелирующего влияния самой площади, критерии гидрологического режима и состояния лесной растительности сводятся к минимуму (1...2 интегральных показателя).
На уровне выдела (участка горного склона) представляется целесообразным рассмотреть влияние насаждений на изменение отдельных элементов водного баланса для определения водорегулирующей и почвозащитной роли леса. На уровне элементарного водосбора достаточно четко проявляется как водорегулирующая, так и водоохранная роль леса, характеризуемые изменением коэффициентов склонового стока и доли фунтового стока в его общем объеме. Оценка почвозащитной роли леса уже для таких площадей весьма проблематична, поскольку взвешенные наносы, определяемые в руслах водотоков, не дает представление о пространственном развитии плоскостной эрозии на бассейне.
На уровне речного бассейна имеет смысл оценивать только водоохранную роль леса, представляемую долей базисного стока в общем годовом. Водорегулирующая (паводкорегулирующая) роль насаждений на речных водосборах в значительной мере нивелирована влиянием фактора распластывания паводков по длине реки, их аккумулирования поймами рек и др. факторами. Почвозащитная роль леса на этом уровне вряд ли может быть
охарактеризована показателями выноса взвешенных наносов (велико влияние русловой эрозии и транзита по длине реки).
Критериями оценки состояния экосистем различного ранга являются параметры, характеризующие состояние отдельных объектов внутри экосистем, а также динамику процессов массообмена и энергообмена в них. На уровне элементарных водосборов система критериев включает параметры структуры и состояния древостоев, почвообразования, водного и теплового балансов. На уровне речных водосборов комплексным критерием является лесистость водосбора, а критерием состояния среды - характеристики речного стока и эрозии.
Проблема охраны природной среды и лесопользования в горных лесных экосистемах требует всестороннего учета множества взаимодействующих факторов. Эти задачи можно решать только с применением методов системного анализа и математического моделирования, учитывающих связи и взаимодействия между климатическими, почвенно-гидрологическими и лесоводственно-биологическими факторами. Результатом этих исследований являются региональные многофакторные системы моделей и программы их решения на ЭВМ для прогноза лесоводственно-экологических последствий лесопользования и обоснования комплекса мероприятий по оптимизации использования лесных ресурсов.
7. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СТАБИЛИЗАЦИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ГОРНЫХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ И ИХ ВНЕДРЕНИЕ
По результатам НИР, проведенных в различных лесорастительных формациях Северо-Западного Кавказа, разработана "Система лесохозяйст-венных мероприятий с лесоводственно-экологическими нормативами по сохранению и усилению водоохранно-защитных функций горных лесов Северного Кавказа", которая имеет целью обеспечить оптимальное пользование древесиной при максимальном сохранении и усилении водоохранно-защитных функций горных лесов.
Основные принципы ведения лесного хозяйства в горных лесах, направленные на максимальное сохранение водоохранно-защитных функций насаждений, сводятся к выполнению следующих требований:
- комплексный подход к одновременному использованию лесо-сырьевых ресурсов при максимальном сохранении средозащитных свойств насаждений предусматривает применение таких способов и объемов рубок, а также технологий лесосечных работ, которые не влекут зна-
чителыгых изменений в гидрологическом режиме и водном балансе малых водосборных бассейнов и речных систем региона;
- функциональное районирование территорий по превалирующему признаку значимости насаждений (целевому назначению); так, в приводораз-дельных частях горных систем следует выделять водорегулирующие леса, целевое назначение которых состоит в выполнении функции перевода атмосферных осадков в грунтовый сток и обеспечении равномерности питания горных рек и качества пресных вод; ведение хозяйства в таких лесах предполагает исключение рубок главного пользования;
- дифференцированный подход к различным лесным формациям, типам и группам типов леса, которые определяют гге только комплекс лесо-растительных условий, но и обладают количественными критериями водоохранной, водорегулирующей и почвозащитной роли, что ггеобходимо учитывать при назначении и проведении в них лесохозяйственных мероприятий;
- сбалансированное соотношение между лесопользованием и сохранением средозащитных функций горных лесов достигается планированием и ведением лесного хозяйства по водосборным бассейнам рек и малым водосборам, с выполнением всех лесохозяйственных мероприятий в пределах их границ, что должно быть предусмотрено при проведении лесоустройства;
В истоках горных рек должегг быть введен строго ограниченный режим лесопользования; в средней и нижней частях водосборов основных рек региона, которые находятся в интенсивном хозяйственном обороте, ежегодный объем рубок главного пользования и промежуточных рубок не должегг превышать 2.5% площади водосбора, в том числе 1.0 и 1.5% соответственно гго видам пользования; при этом лесистость, за период лесоустройства, не должна уменьшиться ниже сложившейся.
Для Северного Кавказа малыми (элементарными) водосборными бассейнами следует считать водосборы ручьев, имеющих устойчивое грунтовое питание в холодный ггериод года, т.е. притоков 1-го порядка в гидрографической сети речньгх систем. В буковых и пихтовых насаждениях площади этих водосборов достигают 80 га, а в дубовых - 200 га, что гго размерам сравнимо с размерами кварталов. Комплекс лесохозяйственных мероприятий ведется по хозяйственным водосборным бассейнам, площадь которых для зоны буковых и пихтовых лесов устанавливается в пределах -100... 1500 га, и для дубрав - 300...3000 га.
При назначении в рубку максимальная площадь, которая может быть вовлечена в хозяйственный оборот, в лесах 2-й группы не должна превышать 50 % водосбора, а па территориях, имеющих особо важное водорегулирующее значение (леса 1-й группы) - 25% площади малого или хозяйственного водосборного бассейна.
Лесистость на водосборах с учетом способа и продолжительности цикла рубки, сроков примыкания лесосек и периода естественного или искусственного восстановления рубок, должны быть на уровне сложившихся по горных лесам региона - около 85%.
Рубки в лесах I и II групп должны проводиться способами и технологиями, позволяющими вести их эффективную эксплуатацию, с одновременным максимальным сохранением водоохранно-защитных функций горных лесов и восстановлением их хозяйственно ценными породами. В насаждениях основных лесных формаций, с учетом групп типов леса, устойчивости почв против эрозии, крутизны склонов и базовых механизмов, рекомендуются добровольно-выборочные (комплексные), группово-выборочные, группово-постепенные котловинные и сплошные узколесосечные рубки. Добровольно - выборочные (комплексные) малой интенсивности (до 20%) рубки и окончательные приемы постепенных - проводятся в древостоях, ранее пройденных этими способами рубок.
Добровольно-выборочные (комплексные) рубки применяются в вы-сокополнотных разновозрастных буковых, пихтовых и еловых древостоях па почвах различной устойчивости против эрозии. В рубку назначаются в первую очередь фаутные, перестойные и спелые деревья, с выборкой 15...20% наличного запаса в 1 прием. Группово-выборочные рубки применяются на склонах крутизной до 30° . Площадь лесосек - до 15 га. Число окон в древостоях до 25 м - 4...5 шт/га, более 25 м - 3...4 шт/га. Сплошные узколесосечные рубки применяются на площади лесосек - 5... 10 га, ширине их -до 100 м. Срок примыкания варьирует от 5 до 10 лет. Котловинные рубки применяются на склонах крутизной до 30°. Число приемов определяется устойчивостью почв против эрозии, крутизной и экспозицией склонов, а также степенью воздействия трелевочно-транспортных средств. Двухприем-ные рубки назначаются на устойчивых почвах и склонах северных экспозиций крутизной до 20°; трехприемные - на среднеустойчивых почвах и склонах до 30° при технологии на базе СКУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенными исследованиями установлено, что в горных регионах максимальными средозащитными свойствами обладают насаждения, не затронутые хозяйственной деятельностью. Любая хозяйственная деятельность снижает защитную роль лесной растительности, при этом наибольшее воздействие на состояние горных лесов и их полезные функции оказывают рубки главного пользования и лесовосстановительные рубки, а также
промежуточное пользование и лесокультурные работы. При проведении этих мероприятий необходимо добиваться минимальных нарушений лесной среды.
Один из основных факторов, влияющих на генезис стока, - площадь водосбора. Определен предельный размер площади, до которого сказывается на гидрологических функциях лесов накопление вырубок в бассейне. Наиболее интенсивно влияет вырубка леса на сток на уровне ручьев и малых водосборов; на основных реках влияние рубок ещё заметно при площадях водосборов до 40...70 тыс.га. На водосборах более 100 тыс.га выявить изменения режима стока практически не представляется возможным.
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана концепция гидрологической роли горных лесов, включающая методологию исследований (ранговое разделение лесных экосистем по иерархическим уровням и вероятностный подход к оценке элементов экосистем), методические особенности определения их количественных характеристик и построения эмпирических моделей, а также практическое применение результатов в виде региональных нормативов и обоснование рационального лесопользования в горах. По результатам многолетних исследований, проведение рубок главного пользования на водосборах сочетается с протяженным во времени влиянием их на все элементы водного баланса и прежде всего - на сток. Склоновый сток, шрающий роль интефального показателя изменений гидрологической обстановки на водосборах, наиболее подвержен изменениям.
Экспедиционные и стационарные исследования склонового стока показали, что поверхностный горизонт почвы, благодаря своим хорошим водно-физическим свойствам, выполняет роль дренажной системы, особенно огчетливо проявляющей себя во время интенсивных летних ливней. С одной стороны, он переводит значительную часть осадков в склоновый сток, препятствуя развитию эрозионных процессов на поверхности почвы, а с другой - способствует восполнению убыли влаги нижележащих слоев, являющихся достаточно емким резервуаром доступной влаги. Водно-физические свойства почв на лесосеках зависят как от способов и интенсивности рубок, так и от технологии лесозаготовок и используемых при этом машин и механизмов. Для бурых лесных почв они восстанавливаются через 10... 11 лет, а в типах леса с подлеском и на волоках этот период длится более 16 лет. Из всех исследованных технологических схем освоения лесосек с различными способами рубок и используемых механизмов наименьшие повреждения почве наносятся при использовании вертолетов.
Определен период восстановления гидрологических функций лесной растительности на уровне малых водосборов и речных бассейнов в различных природных условиях горного региона. В зоне букняков и пихтарников на площадях сплошнолесосечных рубок их влияние на сток проявля-
ется на 3... 5-й год после их проведения; максимум роста стока- на 10... 11-й год, а тенденция к стабилизации наступает к 25-му году. На котловинных рубках увеличение стока наблюдается в те же сроки (после каждого приема), но размеры роста в 1.5 раза меньше. В дубравной зоне сплошные вырубки дают максимум увеличения стока на 3.,.5-й год после их проведения, а стабилизация стока происходит через 10... 15 лет. На водосборах с котловинной рубкой продолжительность ее влияния на сток составляет около 15 лет, но увеличение стока значительно меньше.
Анализ изменений гидрологического режима р. Белой и ее притоков, а также р. Псекупс и других рек, взятых в качестве аналогов бассейнов рек Северного Кавказа, используемых при лесохозяйственной деятельности, показал, что режим лесопользования оказывает существенное воздействие на режим стока воды и взвешенных наносов горных рек. Так, в бас. р.Псекупс доказано уменьшение базисного фунтового стока (в среднем в 1.7 раза) при накоплении на водосборе вырубок более 20% его площади, и последующее небольшое (в 1.1 раза) увеличение стока на некоторый период (5...7 лет) с последующим возвратом к прежнему уровню.
Наиболее уязвимой в г идрологическом отношении частью горных водосборов является область формирования речного стока, т.е. верховья рек, приуроченные к высокогорьям. В связи с этим, в истоках рек должен быть введен строго офаниченный режим лесопользования. В средней и нижней частях водосборов горных рек, как правило, находящихся в интенсивном лесохозяйственном обороте, ежегодный объем рубок главного и промежуточного пользования не должен превышать 1.5...2.0% от покрытых лесом площадей водосбора.
По результатам исследований на площадях опытных рубок 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 урон. При лесозаготовках в горных лесах необходимо строго соблюдать действующие "Правила рубок" и применять средосберегающие технологии лесозаготовок (на базе канатных установок и вертолетов.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана "Система мероприятий по сохранению и усилению водоохранных и почвозащитных функций горных лесов на водосборах Северного Кавказа", в которую вошли нормативы допустимых лесохозяйственных воздействий на водосборы и лесоводственно-экологические фебования, определяющие условия применения средосберегающих способов рубок и технологий лесосечных работ. Так, в средней и нижней частях водосборов основных рек региона ежегодный объем рубок главного пользования не должен превышать 1.0 %
лесопокрытой площади водосбора. Воздействие рубок на сток проявляется при освоении рубками около 20 % площади речного водосбора (и больше) за 20-летний период. При освоении лесов рубками главного пользования 25...30 % лесопокрытой площади бассейна и больше базисный сток и его доля в общем годовом уменьшается в 1.7...2.0 раза.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ ТЕМЕ (в скобках указаны соавторы)
1. О режимах влажности и температуры горно-лесных почв иод буковыми лесами.// Почвоведение. 1967. №3. С.97...109 (Коваль И.П.)
2. Лесная растительность и режим рек Черноморского побережья Краснодарского края. // Тр.Сочинской НИЛОС.1968. Вып.5. М.: Лесная пром-сть. С.276...292. (Коваль И.П.)
3. Экспериментальные исследования дождевого стока в буковых лесах бассейна р.Мзымты. М.: ВНИИЛМ, 1968. 141 с. (Бефани А.Н., Бе-фани Н.Ф., Гопченко Е.Д., Гушля A.B., Коваль И.П., Одрова Т.В.)
4. Особенности стока в бассейне р.Шахе.//Материалы экспедиционных работ. Гослескомитет, М.: 1968. 103 с.(Бефани А.Н., Бефани Н.Ф., Гопченко Е.Д., Гушля A.B.,Коваль И.П.,Поляков М.М., Тюхтя К.К.)
5. Световые условия под пологом буковых лесов.//Лесоведение. 1969. №5. С.45...56. (Коваль И.П.)
6. О климатической и гидрологической роли буковых лесов Черноморского побережья Кавказа //Известия выс. уч. заведений: Лесной жур-нал,1970, №5. С.141...143.
7. Речной сток в условиях Черноморского побережья Кавказа // Доклады Соч.отд.Геогр.общ-ва. Вып.2 Геогр.общ-во СССР при АН СССР. Л., 1971. С. 184... 189.
8. Влияние буковых насаждений на дождевые осадки // Тр. Сочинской НИЛ ОС, 1971. Вып.6, Сочи. С.33...40.
9. Исследование водного и теплового режимов буковых лесов Черноморского побережья Кавказа. // Автореф.канд.дисс. Fia со-иск.уч.степ.кандидата географ, наук. МГУ.М., 1972. 24 с.
10. Гидроклиматическая роль буковых лесов. // Лесное хоз-во, 1972. №8, С.19...22. (Коваль И.П.)
11. Количественная оценка водорегулирующей роли горных лесов Черноморского побережья Кавказа.//Лесоведение, №1, 1972. С.3...11 (Коваль И.П.)
12. Режим влажности бурых лесных почв Черноморского побережья Кавказа.//Почвоведение, 1973, №11. С.77...85.
13. О водно-физических свойствах бурых лесных почв под буковыми лесами. //Научные работы но лесному почвоведению. : Сб.науч.тр. ВНИИЛМ. Лесная пром-сть, М.: 1973. С.29....35.( Коваль И.П.)
14. Экспериментальные исследования водорегулирующей роли приморской части побережья. // Горное лесоводство и лесовосстановление.:
Сб.науч.трудов СочНИЛОС. Сочи, 1974. Вып.9. С.32...41. (Коваль И.П., Шхалахов Х.Ч.)
15. Особенности формирования снежного покрова в горных лесах Северо-Западного Кавказа //Охрана и рац.использов. лесов Черн. побережья Кавказа. : Сб.науч.тр.ВНИИЛМ,М. 1976. Вын.11. С.41...52.
16. Состояние почвенного покрова и изменение водорегулирующих функций горных лесов в связи с рубками. //Охрана и рациональное использование лесов.:Сб.науч.тр. ВНИИЛМ. М., 1976. Вып.11. С.7...23. (Коваль И.П., Шевцов Б.П., Щинников Р.Д.)
17. Рекомендации по проведению постепенных и выборочных рубок в горных лесах с применением перспективных машин и орудий.// Гос-комлес СССР. Сочи, 1976. 19 с. (Коваль И.П., Шевцов Б.П., Щинников Р.Д.)
18. Влияние лесохозяйственных мероприятий на средообразующую роль горных лесов. // Лес и его роль в охране окружающей среды: Тез. докл. Всесоюзн. симпозиума. Таллинн, 1976. С.75...77. ( Шевцов Б.П., Щинников
Р.д.)
19. Радиационный режим буковых насаждений// Тр.СочНИЛОС, Сочи, 1976. Вып.6. С.13...33. (Коваль И.П.)
20. Научные основы и нормативы запретных (защитных) лесных полос вдоль рек Кавказа.// Принципы выделения защитных лесных полос. М.: Наука,1977. С. 52...65. (Коваль И.П., Шевцов Б.П., Щинников Р.Д.)
21. Сток и инфильтрация в горных лесах в связи с хозяйственной деятельностью //Повышение качеств. продуктивности лесов Черноморск. побережья Кавказа : Сб.трудов КФ ВНИИЛМ. 1978. М.: Вып. 12. С. 61...67.
22. Влияние рубок на суммарное испарение в буковых насаждениях.// Тез. докл.по интродукции, акклим.раст.и охране окр.среды Совета бот.садов Закавказья, Тбилиси. 1978. С.42...44.
23. Гидролошческая роль лесной растительности в областях питания минеральных вод. // Проблемы горных лесов Сев.Кавказа. = Сб.науч.тр.КФ ВНИИЛМ, М.: 1980. Вып.15. С.57...65.
24. Рекомендации по повышению водоохранно-защитных свойств лесных насаждений Северо-Западного Кавказа. КФ ВНИИЛМ. Сочи, 1980. 15 с.
25. Средообразующие функции горных лесов. // Растительные ресурсы. 4.1. Леса. = Природные ресурсы и производит.силы Сев.Кавказа. Ростовский университет, Ростов-на-Дону. 1980. С.265... 295. (Коваль И.П., Казанкин А.П.)
26. Методические указания по изучению водорегулирующих функций горных лесов. М.: ВНИИЛМ, 1981. 38 с.
27. Научные основы повышения водоохранно-защитных функций горных лесов. // Проблемы горных лесов Сев.Кавказа : Сб.науч.трудов ВНИ-ИЛМ, 1981. Вып. 16. ВНИИЛМ. С.103...111.
28. Ведение хозяйства в лесах областей питания минеральных вод.// Лесное хозяйство, 1981. №2. С.36...38 (Коваль И.П.)
29. Динамика стока растворенных веществ в буковых и дубовых лесах Северо-Западного Кавказа. \\ Проблемы горных лесов: Сб. науч. тр., 1983. Гослесхоз СССР, Вын.17. М.: С.10...18.
30. Изучение транспирации травостоем на площадях рубок в буковых лесах. //Лесной журнал, 1986. № 4. С.25...29. ( Стасюк Л.К.)
31. Изменение водорегулирующей роли горных лесов в связи с рубками. //Средообразующая роль лесов и ее изменения под влиянием антропогенных воздействий.: Сб.науч.тр. ВНИИЛМ. М.: 1987. С.78...84.
32. Моделирование влияния хозяйственной деятельности на состояние горных лесов Северного Кавказа. // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Том Х.Л.: Гидрометеоиздат, 1987. С.199...213. (Горстко А.Б., Медалье М.В., Угольницкий Г.Л., Коваль И.П., Солнцев Г.К.)
33. Водный баланс водосборов в связи с рубками в буковых лесах Северо-Западного Кавказа. Лесоведение, 1988. № 3. С.56...65.
34. Влияние рубок на изменение водоохранной роли дубрав СевероЗападного Кавказа.// Сб.науч.тр. ВНИИЛМ, Сочи, 1980. С.23...32. (Резников В.П.)
35. Имитационное моделирование многофункционального использования горных лесов.//Лесоведение, 1990. № 1. С.3...12. (Коваль И.П., Солнцев Г.К., Горстко А.Б., Медалье М.В., Угольницкий Г.А.)
36. Гидрологическая роль леса на горных водосборах.//Сб.науч.гр. НИИгорлесэкол "Экологические основы ведения лесного хозяйства в горных лесах. Сочи: 1994. С. 12... 19.
-
Битюков, Николай Александрович
-
доктора биологических наук
-
Москва, 1996
-
ВАК 03.00.16
- Влияние рубок на изменение качества ручьевого стока в буково-пихтовых насаждениях
- Влияние рубок на возобновление и водоохранно - защитные функции насаждений дуба скального Черноморского побережья Кавказа
- Влияние хозяйственной деятельности на изменение гидрологических и защитных функций еловых лесов Прииссыккулья
- Динамика изменения биологических свойств дерново-карбонатных почв Западного Кавказа после вырубки леса
- Эрозия почв на вырубках горных склонов в поясе дубовых лесов Северо-Западного Кавказа
