Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование и оценка состояния и динамики сосновых древостоев от уровня грунтовых вод с целью рационального использования ресурсов лесных болот

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Моделирование и оценка состояния и динамики сосновых древостоев от уровня грунтовых вод с целью рационального использования ресурсов лесных болот"

в»

. | дай №

На правах рукописи

КОРЕПАНОВ ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИИ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И ДИНАМИКИ СОСНОВЫХ ДРЕВОСТОЕВ ОТ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ вод С ЦЕЛЬЮ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕСУРСОВ ЛЕСНЫХ БОЛОТ

11.00. П - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Йошкар - Ола - 1999

Работа выполнена на кафедре безопасности жизнедеятельности Марийского государственного технического университета

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Поздеев А.Г.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, Красильников H.A.

доктор биологических наук, профессор Чипдясс A.C. доктор физико - математических наук, профессор Косов A.A.

Ведущая организация Управление лесами

Нижегородской области

"С

Защита состоится "2д" февраля 7.ООО г. в 1С "часов на заседании спе циализированного совета К064.30.04 в Марийском государственно! техническом университете по адресу: 424024, г. Йошкар - Ола, Респуб лика Марий Эл, плЛенина 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Марийского гс сударственного технического университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать ученому секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан "26п.>>к/а/>$ 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук,

доктир сельскохозяйственных наук, q ,___р>

профессор -<gj [~£>~t* ъу Романов Е.М

Г?Ith о

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Известно, что в настоящее время лесной фонд России находится в критическом состоянии. Поэтому важным источником его восполнения является повышение продуктивности древостоя произрастающего в условиях переувлажненных земель. Однако отсутствие надежной системы учета и мониторинга не позволяет дать объективную полномасштабную оценку состояния лесных ресурсов. .

Особенно чувствительны к смене экологических условий развития болотные массивы (9,2% земель лесного фонда). Поэтому выявление параметров оптимального ттднпго режима лесных болот и отклонений от него имеет большое научное и практическое значение для народного хозяйства России в целом и Волго - Вятского региона в частности.

Цель и задачи. Целью является разработка аналитической модели влияния грунтовых вод осушаемых лесных болот на продуктивность насаждений, с учетом почвенно - климатических условий Волго - Вятского региона и обоснование ее параметров.

Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи: выявление комплекса экологических факторов, влияющих на продуктивность сосновых насаждений; определение продуктивности сосновых насаждений аналитическим методом в зависимости от режима грунтовых вод и комплекса почвенно - климатических факторов; построение имитационной модели влияния грунтовых вод на продуктивность сосновых насаждений на основе системного подхода; теоретическое и экспериментальное обоснование способа импульсной электроразведки для получения параметров модели осушаемых лесных болот; составление методики применения импульсной электроразведки уровня грунтовых вод; проведение полевых исследований для обоснования параметров модели; разработка рекомендаций по практическому применению разработанной модели.

Научная новизна. На основе данных полевых исследований в Волго - Вятском регионе построена имитационная модель влияния фунтовых вод на продуктивность сосновых насаждений, разработана система мониторинга за уровнем грунтовых вод на болотах с комплексом измерительных устройств, получены аналитические зависимости для расчета влияния уровня грунтовых вод на состояние и динамику продуктивности сосновых древостоев.

Практическая значимость определяется возможностью применения модели для расчетов в системе пользования лесными болотами. Получена универсальная аналитическая зависимость для определения за-

паса спелых сосновых насаждений в условиях осушаемых лесных болот. Разработанный комплекс измерительной аппаратуры может быть применен при мониторинге уровня грунтовых вод и поиске подповерхностных неоднородностей, и, в частности при определении кривой депрессии и глубины залегания грунтовых вод.

Апробация. Материалы исследований представлялись на Всероссийских конференциях "Взаимодействие человека и природы на границе Европы и Азии" (Самара, 1996г.); "Гидротехническая мелиорация лесных земель, ведение лесного хозяйства и вопросы экологии" (пос. Варнавино - Санкт - Петербург, 1997г.); "Гидролесомелиорация и эффективное использование земель лесного фонда" (Вологда - Кирилов, 1998г.). Отдельные положения работы докладывались на научных конференция.". в г. Йошкар - Оле в 1996 - 1999гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ. г.

Достоверность результатов основывается на достаточном объеме экспериментального материала и его обработке методами математической статистики с применением ПЭВМ и применении методов системного анализа для построения аналитических моделей. Приборы, использованные в лабораторном и полигонном эксперименте, а также специально разработанный для полевых исследований комплекс аппаратуры импульсного электромагнитного зондирования и профилирования при определении уровщ грунтовых вод прошли метрологическую поверку.

, Личный вклад автора заключается в обосновании темы, определении целей и задач исследований, закладке опытных объектов в Кировской области и Республике Мари Эл, разработке и создании технических средств импульсной электроразведки, методики их практического использования и.]?„получении аналитических зависимостей для расчета влияния уровня грунтовых вод на состояние и динамику продуктивности сосновых древостоев. ...

На защиту выносятся следующие вопросы:,,, .

- имитационная модель влияния уровня грунтовых вод осушенных бодот на продуктивность древостоя; .

- универсальная аналитическая зависимость для определения запаса спелых сосновых насаждений в условиях осушаемых лесных болот;

- теоретические основы и комплексы для измерения уровня грунто-выхводспособомлмпульсной электроразведки.

- результаты лабораторных и полигонных измерений подповерхностных неоднородностей на осушенных болотах..

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованной литературы в количестве 112 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 124 страницах машинописно^ текста, иллюстрировано 38 рисунками и 5 таблицами. Приложение включает 14 страниц с 18 таблицами.

Содержание работы 4

1. Состояние вопроса и анализ литературных источников

Изучение гидрологического. режима переувлажненных лесных земель и его влияния на древостой проводятся практически на всей территории бывшего Советского Союза. Основные районы комплексных исследований сосредоточены на Северо - Западе (Дубах, 1945; М.П.Елпатьевский, 1978; Х.А.Писарьков, 1955; Е.Д.Сабб,- 1976; Б.В.Бабиков, 1993, С.Э.Вомперский, 1968; В.К.Константинов,' 1972; Н.А.Красильников, 1998); на Севере, (А.М.Тараканов, 1991, В.Ф.Изотов, 1969); на Украине. (А.С.Рябуха, 1977; А.И.Михович, 1970); в Карелии (Г.Е.Пятецкий, 1958; В.М.Медведева, 1971; Е.Д.Орлов, 1973; З.А.Сибирева, 1959); в Прибалтике (К.К.Буш, 1957; П.П.Залитис, 19)33; Ю.Ю.Русецкар, 1974; А.А.Айре, 1977); на Среднем Урале,' в Прикамье и Волго - Вятском регионе (А.С.Чиндяев, 1989; Дружинин, 1980;

A.А.Корепанов, 1984; В.В.Шишов, 1997); в Белоруссии (Г.Д.Эркин, 1934; С.Х.Будыка, 1959; Л.П.Смоляк, 1969; В.К.Поджаров, 1970;

B.А.Ипатьев, 1999); в Западной Сибири (Ф.З.Глебов, 1980;

C.П.Ефремов, 1987).

Многочисленные исследования показали, что режим почвенно-грунтовых вод наряду с почвенными условиями является одним из основных факторов, влияющих на продуктивность древостоев. Основными характеристиками водного режима заболоченных и избыточно увлажненных лесных земель являются состояние и динамика глубины залегания уровня грунтовых вод (УГВ), поскольку в основном они определяют режим влажности вышележащих горизонтов почвы, испарение и сток.

2. Программа, методика и объекты исследований

Известные зависимости между уровнем грунтовых вод и продуктивностью древостоев носят в основном качественный характер. Для получения количественных показателей требуется построение модели выде-

ляющей отдельные факторы и взаимосвязь между ними для получения количественных значений. Для оптимизации процесса исследования уровня грунтовых вод были разработаны дистанционные электроимпульсные средства контроля отмеченных показателей, которые в настоящее время осуществляются более дорогими масштабными и экологически небезопасными методами.

В отличие от измерений в сложной неоднородной среде, где глубина проникновения тока зависит от соотношения мощностей и проводимо-стей всех слоев разреза, задача определения уровня высокостоящих грунтовых вод на болотах облегчалась относительной однородностью исслсдусмого пространства. Это позволило упростить аппаратное обеспечение, отказавшись от использования вольтметра и сопутствующих ему приемных электродов и тем самым решить проблему устранения основного источника помех - явления поляризации на измерительных электродах, возникающего между металлическим электродом и водой при появлении двойного слоя носителей тока, когда электронная проводимость металла переходит в ионную проводимость электролита.

• П орядковые номера скв ажин в межханальном пространств е

: Рис. 1. Зависимость злектроимпульсных измерений от уровня грунтовых вод Результаты исследований, приведенные в графике (рис. 1), показывают эмпирическую связь между реальным уровнем грунтовых вод и электроимпульсными измерениями, которую можно выразить в виде формулы, имеющей вид уравнения регрессии:

■у — Oq + Q[X + О^Х (1)

где у - уровень грунтовых вод; х - данные измерений; а0, а\, а2 - коэффициенты уравнения.

Основные характеристики уравнения, полученные после обработки данных компьютерными программами "Статистика" и "Origin":

- ЗНАЧИМОСТЬ УРАВНЕНИЯ РЕГРЕССИИ.....= ЗНАЧИМО;

- КОЭФФИЦИЕНТЫ ФИШЕРА (ПРИ 5%) :

- РАСЧЕТНЫЙ = 190.3 ТАБЛИЧНЫЙ = 6.6;

- СУММА КВАДРАТОВ ОСТАТОЧНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ = 76.4;

- ОСТАТОЧНАЯ ДИСПЕРСИЯ............=15.2;

- СРЕДНЕКВАДРАТИЧНАЯ ОШИБКА ОЦЕНКИ....=3 . 9;

- КОЭФФИЦИЕНТ МНОЖЕСТВЕННОЙ ДЕТЕРМИНАЦИИ = 0.9;

- КОЭФФИЦИЕНТ МНОЖЕСТВЕННОЙ КОРРЕЛЯЦИИ...=0.9;

- СРЕДНЯЯ ОШИБКА АППРОКСИМАЦИИ (%).....3.3.

Как видно из графика (рис. 1), с помощью электроимпульсного способа зондирования можно достаточно точно определять уровень грунтовых вод при условии относительной однородности грунта. Методика проведения электроимпульсного зондирования в реальных условиях отличалась от традиционной, что не оказало существенного влияния на точность измерений.

Достаточно точные показания глубины залегания грунтовых вод, полученные с помощью импульсного электромагнитного зондирования при проведении полевых исследований в условиях сложного в экотипи-ческом отношении ландшафта, показали возможность практического применения электроимпульсного способа в гидролесомелиорации..

Применение новых технических средств вызвало необходимость создания методики предварительной обработки результатов. В качестве такой методики были предложены системные диаграммы учета влияющих факторов. Эти диаграммы позволили выделить наиболее значимые из факторов и на этой основе построить имитационную модель их взаимодействия..

3. Физические данные модели взаимосвязи уровня грунтовых вод , и продуктивности насаждений

Анализ физических данных взаимосвязи УГВ и продуктивности Насаждений в работе/выполнен на основе морфологического анализ^ и построения системных диаграмм. ''

Уровень 1 _ t •! Уровень 2

1.2

Уровень 3 3 5

1.3

2.2 3'5l 3.6

Рис. 2. Диаграмма зависимости класса бонитета соснового насаждения от возраста: • уровень I - средневегетационный уровень грунтовых вод, см; ' уровень 2 - класс возраста; уровень 3 - класс бонитета; 1.1 - от 100 до 250; 1.2 - от 50 до 100; 1.3 - от 0 до 50; 2.1 - II; 2.2 - V; 3.1 -1; 3.2 - II; 3.3 - III; 3.4 - IV; 3.5 - V; 3.6 - Va Диаграммы состоят из ряда уровней, на которые наносятся изучаемые значения. Такие системные диаграммы позволяют выделить главные и второстепенные связи между факторами. Например, на приведенной диаграмме включающей выбранные лесотаксационные показатели оптимальный диапазон изменения УГВ лежит в пределах от 50 до 100 см (рис. 2).

Проведенный в диссертационной работе корреляционный анализ подтвердил правильность избранного метода анализа сложных систем, что мы можем проследить на примере Чернушкинского лесоболотного массива, который изучен с помощью двух методов системного и корреляционного (табл. 1). Степень неравномерности гидрологических условий в пределах исследуемых пробных площадей этого массива ведет к разнообразию показателей производительности сосновых древостоев в частности класса бонитета и запаса.

Таблица 1

Основные таксационные показатели пробных площадей ■ на Чернушкинском болоте " ' ,,

Пробн&х площадь №ПЯ1 Возраст, лет Сости Число си га ов шт/га Сумма площадей сечения м5/га Относительная попила Средний диаметр, см Средни высот», м Класс бонитета Запас м'/га Общий средний прирост м'/га

1 70 10С+Б 170 34,3 1,09 15,6 15,1 III, 5 261,2 3,73

2 - 10С+Б 180 35,3 1,12 15,4 14,0 111,9 215,1 3,07

3 10С+Б 175 28,9' 1,00 14,1 " 11,9 IV,4 168, 8 2,41

Классический корреляционный анализ при этом потребовал выполнения 3-х математически сложных расчетов. Системный подход решает эту задачу более простым единым методом. Чернушкинский лесоболот-ный массив при классическом подходе к связи между УГВ и продуктивностью древостоев (рис. 3) подразделяется на 3 особенных области: первая имеет линейно восходящий участок; вторая - параболический участок с явно выраженным максимумом; третья - участок насыщения, на котором кривые принимают горизонтальный характер.

Традиционный анализ имеет высокие показатели точности, но при этом не может охватить большого объема природных объектов с резко изменяющимися индивидуальными особенностями. Системный подход охватывает большой массив природных объектов, не давая высокой точности показателей. Решение возникающей проблемы сочетания вы-:, сокой точности с обработкой значительного числа природных,объектов может быть реализовано созданием имитационных моделей. В работе рассмотрена модель, выходным параметром которой является запас' древостоя.

Рис. 3. Изменение запаса древостоя от уровня грунтовых вод На основании установленной системы взаимосвязи между УГВ и запасом древостоя построена имитационная модель. Модель включает ряд основных элементов, представленных в виде уровней и темпов изменения некоторых субстанций. Каналы потоков субстанций, соединяясь в структуру, образуют сеть с входами информационных связей между уровнями и темпами, допускающую графическое изображение (рис. 4).

В имитационной модели комплекса влияния уровня грунтовых вод на производительность древостоев выделяются 6 подсистем: I - подсистема производительности древостоя; II - подсистема уровня грунтовых вод; III - подсистема перехвата грунтовых вод; IV - подсистема перехвата поверхностного стока; VI - подсистема теплового режима почвы.

Модель комплекса является открытой, поэтому в ней выделяется ряд экзогенных факторов. К таковым относятся ряд функциональных зависимостей: скорость прогревания почвы (TMG), скорость ее охлаждения (ТМА), темп выпадения осадков (PWG), скорость склонового (PWA) и темп глубинного стока, определяющего формирование объема неактивных грунтовыхвод. .

В соответствии сцелыо построения модели - получения максимальной продуктивности древостоя в зависимости от УГВ выделена группа постоянных факторов: оптимальный уровень теплового режима почвы (TMS), оптимальный уровень прчверной . влажности'(SWS) и относи-

тельный уровень грунтовых вод (Ш). Отмеченные постоянные факторы определяются в результате измерений. -

' Построенная модель позволила записать систему линейных дифференциальных уравнений. Уравнения для уровней (состояний) по отдельным подсистемам имеют вид: .. . .

:SAP.K=SAPJ + DЦRSJK-DSJK); . - (2)

где £>Г - интервал времени расчета; К, Ж - начальный и конечный моменты времени и интервал между ними соответственно.

■ Я.К - Я. У + ВТ (НС.Ж - НАЛС); Л . (3)

Рис. 4. Имитационная модель " Продуктивность древостоев-грунговые воды": , SAP - залас древостоя на единицу площади; RS - темп увеличения запаса древостоя;

DS - темп снижения запаса древостоя; Н - уровень грунтовых вод; HG • превышение уровня грунтовых вод; НА - уменьшение уровня грунтовых вод; GW - емкость перехвата грунтовых вод; GWG - темп просачивания осадков; GWA - темп глубинного стока .

(неактивные фунтовые воды); PW - емкость перехвата поверхностного стока; . PWG - темп осадхо»; PWA - склоновый сток; SW - запас почвенной влажности; SWG - темп инфильтрации; S WA - темп испарения; S WI • темп подповерхностного ¿тока;

"ТМ -тепловой режим почвы; TMG - нагревание почвы; ТМА - охлаждение почвы; HS - оптимальный уровень грунтовых вод; Е - экзогенные факторы; SWS - оптимальный уровень почвенной влажности; TMS - оптимальный уровень теплового режима почвы; КТ- множитель влияния теплового режима почвы натемп испарения; - SSG г множитель влияния почвенной влажности на увеличение Запаса древостоя; SSA - множитель влияния почвенной влажности на снижение запаса древостоя; PHG - множйтель влияния перехвата поверхностного стока на повышение .УГВ; .РИА - множитель влияния перехвата поверхностного стока на уменьшение УГВ; GHA - множитель влияния глубинного стока на уменьшение уровня грунтовых вод; GHG - множитель.влияния емкости перехвата грунтовых вод на повышение УГВ; HSG - множитель влияния уровня фунтовых вод на повышение почвенной влажности; HSA - множитель влияния уровня грунтовых вод на снижение почвенной влажности.

HAJfC = Су DISK.К, L; ' . .. ■ (4)

' -'¡¡ио -

где Су - константа пропорциональности; DISC - разность между оптимальным уровнем грунтовых вод HS и его фактическим значением Н , DISC.K = HS-H.K; , ^ « ^

GW.K = GW.J+DT(GWGJK ± GWA.JK); - "*'' J . (5)!'

PW.K = PW J + DT(PWG.JK - PWAJky, ' (6)

■ SW.K = SW..J + DT(SWGJK - $WA.JK, ^ SWI.GK), . " ' "(7)

SIVI.JK = C2 • DISC.K; ••. ...•. . . .(8)

где C7 - константа пропорциональности;' D/St? - разность между оптимальным запасом почвенной влажности .WS и его фактическим значением SW', DISC.K = SWS —SIV.K ;

TM.K=TMJ + DT(TMJ.JK-TMAJK), , (9)

тде TMJ.JK- G3 • DISC.K ; C3 - константа пропорциональности; D/5C - разность между оптимальным уровнем теплового режима почвы и его фактическим значением, DISC.K = TMS - 7М.К .

Для реализации модели следует решить полученную систему уравнений совместно с зависимостями для дополнительных факторов', учитывающих взаимовлияние подсистем комплекса, методом итераций при нарастании интервала времени DT. Таким образом^ может бьггь спрогнозирована .зависимость между ростом запаса древостоя к уровнем грунтовых вод в виде SAP = /(//).

В разделе 5 приведен вариант решения указанной задачи аналитическим путем' На.упрощенной модели, включающей только две подсистемы: I - подсистему продуктивности древостоя; II - подсистему уровня грунтовых вод. '

4. Количественные зависимости для влияющих факторов модели

Для построения модели предварительно^ выявлены количественные характеристики взаимовлияния , факторов комплекса "Производительность древостоя - грунтовые воды", , •

Проведенный анализ эмпирических данных позволяет представить продуктивность древостоев (&1/> ) в виде простой функции:

SAP = f(H,F); / • (10)

где - средневегетационный уровень грунтовых вод; F - почвенно -климатические факторы.

Важнейшие факторы развития растений, такие как увлажненность (водонасыщенностъ) зоны аэрации, определяющая доступ кислорода в почвенную среду и являющаяся практически однозначной функцией глубины стояния уровней грунтовых вод, температура и ее колебания в деятельном горизонте, коррелятивно связанные с УГВ, в условиях Вол-го - Вятского региона косвенно учитываются режимом уровней грунтовых вод. При этом связующим звеном между водным и тепловым балансом болотных экосистем является испарение.

Таким образом, простая модель динамики режима уровня грунтовых вод может быть выражена следующим уравнением:

где Р - осадки; Е - испарение; Я - сток; Н^ - известный уровень грунтовых вод; Нср в - средневегетационный уровень грунтовых вод.

В условиях Волго - Вятского региона, где величина осадков превышает величину суммы стока и испарения примерно в 1,1 раза возможно использование следующей модели:

Яд,*. = #«*«.+ОДР (12)

Уровень грунтовых вод - сложная производная многих факторов, поэтому моделирование точного значения режима УГВ в условиях лесных болот не представляется возможным, и данная модель имеет характер прогностической.

Полученные по результатам полевых наблюдений корреляционные зависимости взаимосвязи уровня грунтовых вод и значимых климатических факторов, дополненные данными по испарению, позволяют построить упрощенные динамические модели прогноза продуктивности древостоев.

Проведенный системный анализ объектов исследования показал, что между режимом грунтовых вод, почвой и сосновыми насаждениями тесная взаимообусловленная связь. Режим почвенно - грунтовых вод в условиях Волго - Вятского региона не может быть единственным фактором определяющим продуктивность древостоя. При установлении связи УГВ и продуктивности насаждений основное внимание следует уделить почвенно - климатическим условиям. Тип леса наиболее полно охватывает как почвенно - гидрологические, так и климатические факторы среды, влияющие на продуктивность. В определенных климатических условиях каждому .типу леса соответствует свой режим грунтовых вод. При этом насаждениям всех классов возраста, бонитета и типов леса характерны как общие закономерности сезонной динамики, так и

специфические особенности. Условно, по различию режима грунтовых вод можно выделить 3 группы сосновых насаждений: насаждения недостаточно, нормального и избыточно увлажненные.

К первой группе относятся сосняки лишайниковые и мшисто - лишайниковые, которым характерна производительность с И по V класс бонитета. Сосняки - лишайниковые отличаются, в основном сухостью и бедностью почв, им характерно сравнительно глубокое стояние УГВ (более 2м) и низкая производительность с с III по V класс бонитета. Такой диапазон в продуктивности обусловлен большой глубиной грунтовых вод и связанного с этим изменения классов бонитета с возрастом.

Простая модель определения средней высоты древостоя г^ от УГВ для сосняка лишайникового IV класса возраста выражается следующей формулой

1588,93-Н (321-НЛ ....

2А=ГТтЗб-ТтН' ()

а запас древостоя гзап

]263,84-# (327-НЛ "

где Я - уровень грунтовых вод, измеренный в начале вегетационного периода.

Сосняки мшисто - лишайниковые также относятся к насаждениям недостаточного увлажнения и характеризуют древостой II и III класса бонитета. У сосняков мшисто - лишайниковых, как и у лишайниковых, несколько выражено повышение класса бонитета с возрастом, хотя и в меньшей степени.

Модели продуктивности для сосняков мшисто - лишайниковых III класса возраста можно описать следующими уравнениями

ElJmzä) (15)

" У 0,91 I 2,0 J ;;

1287,82-Я f 254-Я V '

Насаждения нормального увлажнения, характеризуемые высокой продуктивностью представлены следующими типами леса: мшистым, брусничным и черничным. Все три типа леса произрастают на относительно бедных песчаных почвах различной влажности. Сосняки мши-

стае отличаются недостаточным увлажнением в пределах II класса бонитета. Сосняки черничники, наоборот временным переувлажнением. Оптимальным по степени увлажнения может быть назван лишь брусничник. ..... ''

.-. Сосняки мшистые по режиму грунтовых напоминают насаждения недостаточного увлажнения являясь переходной ступенью от сосняков недостаточного увлажнения к соснякам оптимального увлажнения. Средневегетационный уровень грунтовых вод равен 1,5м. Наблюдается небольшое увеличение глубины стояния грунтовых вод с возрастом. В течение года УГВ колеблется в пределах от 0,7 до 2,0 м.

Сосняки брусничники в условиях Волго - Вятского региона представлены насаждениями высокой продуктивности на песчаных почвах. По степени увлажненности это следующая ступень после сосняков мшистых. Уровень грунтовых вод в насаждениях данного типа леса колеблется в пределах от 20 до 150 см, средневегетационный уровень УГВ равен 93 см.

Сосняки черничники являются переходными от нормального увлажнения к избыточному. По динамике уровня грунтовых вод они во многом схожи с брусничниками. Режим грунтовых вод сосняков черничников отражает предел оптимальных условий увлажнения. Дальнейшее увеличение влажности почв приводит к снижению продуктивности насаждений. Средневегетационный УГВ в черничнике свежем равен 73 см, а в черничнике влажном - 54 см. -

. Насаждениям нормального увлажнения характерна одинаковая сезонная реакция на изменение количества летних осадков. ■

Математическая модель продуктивности для сосняка брусничника III класса возраста выглядит следующим образом

Я-6,4 (\Ъ2-НS " '

- "Ги-; : , v'■.. <|7)

Я- 4,6 0,274

2зan. ~ - - _ . +

'132-Я, (]8)

1,1

Насаждения на избыточно увлажненных почвах-верхового типа заболачивания представлены сосняками, в основном V - Уб, классами бонитета. -

Сосновые насаждения на верховых болотах делятся пр условиям произрастания и режиму грунтовых вод на две крупные группы типов: сосняки - кустарничково сфагновые и сосняки пушицево - сфагновые.

и

Вторые отличаются несколько большей обводненностью и проточ'но-СТЬЮ. ,

Сосняки пушицево - сфагновые, несмотря на большую обводненность, отличаются меньшей продуктивностью. Сосняки кустарничково-сфагновые составляют группу сосняков, растущих в наиболее неблагоприятных условиях среды. Неблагоприятные почвенно- гидрологические условия верховых болот позволяют произрастать на них только низко продуктивным соснякам V - Уб классам бонитета. Продуктивность сосняков этой группы типов с возрастом снижается на один класр, бонитета. Режим грунтовых вод всех подтипов сосняков сфагновых от-; личается лишь по глубине стояния УГВ. Динамика грунтовых вод прак--. тически одинакова. Колебания уровня грунтовых вод в течение вегетационного периода от +11 до 50 см.

Насаждения на торфяных почвах переходного типа расположены в,. заторфированных слабопроточных понижениях представлены одним. 3 типом леса - осоково - сфагновом, в основном IV - V классов бонитета. По степени проточности грунтовых вод близки к древостоям на пере- . ходных болотах сосняки долгомошники. УГВ в течение вегетационного периода колеблется в пределах от+15 см до 50 см.

Уравнения продуктивности сосняка долгомошника IV класса Возраста выражаются следующими формулами:

* 3,34 Д 0,5 ]

и

Я-2,8 ,(46-Н) пп.

-оГУ - • (20)

Таким образом, в рамках предложенных моделей, особенностью которых является двухчленная, структура из двух слагаемых, первое из которых отвечает за продуктивность древостоя в зависимости от УГВ, а второе слагаемое за влияние осадков испарения и стока от УГВ, наблюдается устойчивая зависимость между колебаниями уровней фунтовых вод и продуктивностью сосновых насаждений. В качестве вывода следует признать, что, несмотря на различие в типах леса и климатических факторов структура получаемых зависимостей одинакова и отличие состоит в значениях входящих коэффициентов, что говорит об эффективности модели.

Кроме того, вид уравнений продуктивности означает, что диффе-эенциальные уравнения состояния и динамики, построенные на этой

основе, не должны быть выше первого порядка вида dzh = KdH, где К - коэффициент, характеризующий темп прироста величины г/, при изменении уровня грунтовых вод Н.

5. Состояние и динамика продуктивности древостоя от уровня грунтовых вод.

Обратимся теперь к имитационной модели комплекса "Продуктивность древостоя - фунтовые воды", включающей две подсистемы: подсистему продуктивности древостоя (I) и подсистему уровня грунтовых вод (II) (рис. 4).

Рассмотрим изменение запаса древостоя SAP, м3/га при изменении уровня грунтовых вод Я, м от начального V до некоторого характерного, соответствующего максимальной продуктивности, значения К (рис. 3). Составим уравнение запаса в виде:

SAP.K = SAP J + DH ■ RSJK, (21)

где DH - изменение уровня, м; RSJK - рост запаса древесины при изменении уровня от точки J до К, (м3/га)/м.

Рост запаса равен

RSJK = Cr DISK.К , (22;

где DISK.К = GLX - SAP.K - отклонение запаса SAP.К от предельной: значения GL{, возможного при наивыгоднейших условиях; Ct - константа пропорциональности.

Тогда

. SAP.К -SAPJ = DH ■ q (GL\ - SAP.К). (23]

Совершая предельный переход DH —> 0 и интегрируя в пределах о-0 (точка J ) до уровня Н\ (точка К ) получим

SAP(HX) = GL-]GL\ -SAP(0)]-eCvH^. (24]

При нулевом значении запаса древесины при уровне грунтовы: Нх = 0 и SAP{0) = 0, найдем

SAP(Hl) = GLlQ~e~CvHl). (25

При изменении уровня Н от значения К до значения L аналогии ным образом получаем

SAP{Hi) -GLi -[l-еС~>-{Hi~H2)]+SAPi^)• eCl(//|~Il2). (26]

Использовав значение запаса для первого интервала от 0 до Н\ (от J до К)

и, подставив его в предыдущую формулу, найдем

SAP(H2 ) = GL2 [l - e'C2{f'2 ~/i')]+ SAP(H\ )e~Cl (//2_//|). (27)

При условии стремления уровня предельного запаса GLi к нулю (GL2 —* 0) получим зависимость:

SAP(H2) = SAP(H2)e~C2{H2~Hi) = C7i,(l- <TciH> )• е"С2(Я2~Я|), (28) где в качестве SAP{H{) следует подставить максимальное значение

запаса. Величина Q = —-— является обратной уровню фунтовых

max

вод, разделяющему участки нарастания и снижения производительности при возрастании уровня Я . Величина С2 = —-— является обратной-

УГВ при наименьшей продуктивности на втором интервале его измене-" ния.

Полученная модель состояния древостоя носит статический харак- ; тер. Для ее практического применения необходимо определить коэффициенты (константы пропорциональности) С\ и С2, а также найти значения оптимального уровня фунтовых вод HS. Указанные величины , определяются на основе результатов измерений.

Проверка адекватности построенной аналитической модели производится путем ее сравнения с результатами рефессионного анализа данных электрометрических измерений УГВ, полученных для различных типов болот.

Для анализа используется следующая методика. Выбираются данные измерений запаса и уровня фунтовых вод для сосняков различного класса возраста и сводятся в таблицу. Например, для продуктивности спелых сосновых древостоев выбирается не менее пяти значений УГВ (табл.2). ,

На основе данных таблицы производится рефессионный анализ зависимости запаса от УГВ SAP(H) = /(Я). Для этого выбираются данные от минимального значения УГВ до уровня, соответствующего наибольшему запасу. Затем составляется рефессионное уравнение с помощью прикладного профаммного пакета "Curver". Из набора встроенных функций пакета выбирается экспоненциальная зависимость

y = ai(\-e~blX) и определяются ее коэффициенты а\ и ¿^.Оставшиеся данные таблицы, включающие диапазон изменения УГВ от значения при максимальном запасе до наибольшего с помощью того же пакета

обрабатываются для построения уравнения вида у = а^е ^1* и определения его коэффициентов а2 и •

В аналитической модели, которая также разбивается на два под диапазона изменения УГВ определяются значения множителя Gl] = щ и выбираются значение уровня, соответствующего максимальной производительности Я] шах и предельное табличное значение Ят min .

Таблица 2

Режим уровня грунтовых вод

и производительность спелых сосновых д| эевостоев

Тип леса Средневегетацион-ный уровень УГВ, см Класс бонитета Запас, м'/га Возраст, лет

Сосняк лишайниковый 259 IV 178 92

Сосняк мшисто -лишайниковый 182 II 234 90

Сосняк мшистый 174 I 321 ' 80

Сосняк брусничник 99 I 420 106

Сосняк черничник 63 I 350 76

Сосняк чернично . -сфагновый 25 V 177 110

Сосняк кустарничково -сфагновый 14 Va 73 92

Сосняк осоково -сфагновый 5 Va 40 80

, В результате строятся графические зависимости в координатах, у, SAP и х, Я. Взаимное отклонение кривых качественно характеризует точность аналитической модели и ее адекватность (рис. 5).

Для случая использованной таблицы (табл. 2), в частности имеем:

а) регрессионный анализ

у, = 673 -(I - в'0'01'''); у2 = 7S6-e'0-006^ ; „

б) аналитическая модель

SAP(H\) = К-420-(1-е~0'01Н>), где К определяется путем сравнения с данными дисперсионного анализа^ К = 1,6; - "

SAP(H2) =420-е 159 .

Рис. 5. 3uSi!C(!.V"ОСП» ЗЗП2СЗ ОТ УГЗ ДЛЯ СПСЛЫХ СОСНОВЫХ ДрсВОСЮсВ

Подставляя значения Xj и xj, Ну и в последние зависимости, получаем изменение запаса yj и у2, SAPy и SAPj. Результаты расчета представлены в графической форме (рис. 5).

В работе аналогичным образом получены зависимости производительности сосняков II класса возраста от УГВ:

а) по регрессионной модели получены формулы

j, =445,9-(1-^°'0087 xi); У2 = 579,2 .е-0'01^ ;

б) по аналитической модели получены формулы

S/4P(WI) = Ar-230-(l-i~°'01'/i|)5 где К определяется путем сравнения с данными дисперсионного анализа, К = 1,6 6;

#2-100

SAP(H2) = 230-е 159 .

Как видно из графических зависимостей (рис. 5) основные расхождения регрессионных и аналитических зависимостей лежат в области высоких уровней грунтовых вод. Тем не менее, ошибка не превышает отраслевой нормы 5%.

Рассмотренная выше зависимость между запасом и УГВ может быть дополнена характеристикой изменения запаса во времени. Это позволит после определения уровня грунтовых вод в текущий момент времени на неосущенном болоте спрогнозировать характеристики изменения запаса древостоя на дальнейшую перспективу.

Рассмотрим динамику уровня грунтовых вод. Модель описывается уравнениями:

' П К г, ¡¡.J + DT{IIG.JK - HA.JK); (29)

HA.JK = С DISC.К , (30)

где С - константа пропорциональности; DISK - разность между целью

или оптимальным уровнем грунтовых вод, соответствующим максимальному запасу древостоя, и фактическим уровнем DISK.К = HS- Н.К ; HS - оптимальный уровень грунтовых вод.

Уровни грунтовых вод в текущий момент К и исходный J, а также в некоторый будущий момент L определяются не только темпом осушения HAJK , но и темпом повышения уровня грунтовых вод (темпом приточности) HG.JK.

Аналитический вид уравнения для #(/) в любой момент времени /

т Г^_ж+Я(0)]е-а. (31)

с J

H(t) = HS-

с

Система достигает цели примерно за время 3Т . При этом уровень грунтовых вод становится разным 0,95HS. Отсюда следует, что допустимый темп повышения УГВ (темп приточности) равен

HG=Hs~m> (32)

тр .,

где H(t) - #(0) - полный приток за период повышения уровня Т.

Величина коэффициента С = ^ определяется из данных наблюдений.

Используя построенную аналитическую модель произведем проверку динамической зависимости запаса древостоя от уровня грунтовых вод.

Для изучения динамики УГВ Используем основные лесотаксацион-ные показатели сосняков до и после осушения Быстрицкого лесоболот-ного массива, в которых отсутствуют характеристики уровня фунтовых вод, но содержатся данные по запасу древостоя за ряд лет наблюдений. Определив тип леса по таксационным показателям как сосняк кустар-ничково - сфагновый, применим зависимость обратную найденной

sap(hx)

функции SAP(HV) = К • 420(1 - <Г0,01Я1), т.е. Н{ = -100In

1 —

420-К

Это позволяет дополнить таблицу основных показателей значениями величин УГВ (табл. 3); Выделим оптимальное значение УГВ, соответствующие максимальному запасу древостоя 8АР = 217 м3/га после осушения, и получим Ж = 39 см. При этом за начальное значение УГВ примем величину #(0) = 1,5см. Выбирая характерное время Г равным Г = 30 лет (период осушения), находим темп приточности

HG = [tfS - #(0)]/ T = [l 1,4 -1,5]/ 67 = 0,15 см/год. Использовав зависи-

мость #(/) = HS-

HG

HG

■ HS + //(0)

e~Ct, где С = 1/30 =0,033,

после подстановки численных значений запишем

Я( 0 = 39-

0,15 0,033

0,15

0,033

-39+1,5

-0,033/

Для возраста 67 лет после осушения получаем значение #(/) = 38,Г

см.

До осушения После осушения

Возраст, лет Запас, м'/га УГВ, см Возраст, лет Запас, м3/га УГВ, см .

25 10 1,5 57 176 30,4

34 38 5,8 67 217 39,0

86 56 8,7 118 129 21,3

92 73 11,4 125 170 29,2 ■

Подставляя в последнюю формулу ряд значений времени t, определяем последовательные значения УГВ H(t). На основании этих значений может быть построена зависимость изменения УГВ и запаса во времени.

Выводы

1. Современные имитационные модели влияния лесной растительности на гидрологические процессы в почве ограничены решением задачи поглощения воды корнями и перехвата осадков растительным покровом. В то же время, на основе известных физических уравнений возможен обобщенный количественный расчет влияния уровня грунтовых вод на производительность древостоев при условии построения обоснованной имитационной модели.

В работе составлена комплексная имитационная динамическая модель "Производительность древостоя - фунтовые воды".

2. Проведенный анализ факторов, определяющих динамику роста леса на осушенных болотах, позволяет построить модель системы взаимосвязи между производительностью древостоев уровнем фунтовых вод и климатическими факторами состоящую из взаимодействующих между собой подсистем. В результате выделения основных факторов

создана аналитическая модель состояния древостоя и динамики уровня грунтовых вод.

3. Рассчитанные методом моделирования множественные уравнения связи текущего прироста по запасу от УГВ и климатических условий для основных типов леса сосновых древостоев адекватно отражают исследуемые закономерности.

4. Полученные по результатам полевых наблюдений корреляционные зависимости уровня грунтовых вод и значимых климатических факторов дополненные данными по испарению позволяют построить динамические модели прогноза продуктивности древостоев. Получены аналитические зависимости для оцешеи состояния запаса древостоя н прогнозирования динамики фунтовых вод.

Проверена адекватность указанных зависимостей регрессионным соотношениям, полученным на основе измерения УГВ и оценки состояния запаса древостоя на лесных болотах.

В рамках предложенных моделей установлена зависимость между колебаниями уровней грунтовых вод и продуктивностью сосновых насаждений.

5. Проведенный анализ объектов исследования показал, что межд> режимом грунтовых вод, почвой и сосновыми насаждениями имеется тесная взаимообусловленная связь! В определенных климатических условиях каждому типу леса соответствует свой режим грунтовых вод.

В рамках предложенных моделей установлена зависимость междз колебаниями уровней грунтовых вод и продуктивностью сосновых насаждений.

6. Традиционная методика измерения уровня грунтовых вод требуе" внедрения современного измерительного оборудования, способной существенно повысить эффективность исследования. В настоящее вре мя единственным методом, позволяющим получать достаточно досто верные результаты с глубин менее 10 метров, является классически! метод Шлюмберже. Трудность применения данного метода и его моди фикаций при гидролесомелиоративных изысканиях требуют модерни заций известных технологий для эксплуатации в условиях лесных бо лот. Применительно к решению поисковых задач гидролесомелиоращм таких как определение уровня грунтовых вод или толщины торфяно! залежи.

В работе показана практическая возможность применения импульс ных методов электроразведки и разработано их аппаратное обеспече ние, позволяющее существенно снизив потребление электроэнерги повысить эффективность поиска.

Полевые исследования, проведенные в Волго - Вятском регионе, показали тесную связь между средневегетационным уровнем грунтовых вод, продуктивностью древостоев и почвенно - климатическими факторами.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Корепанов Д.А. Импульсный метод определения мощности торфяной залежи и ее физико-механических'показателей // Гидротехниче-, екая мелиорация земель, ведение лесного хозяйства и вопросы экологии. - СПб:СПбНИИЛХ, 1997. - С. 103 - Д 04.

2. Корепанов Д.А. Определения мощности торфяной залежи и ее физико-механических показателей // Материалы науч. конф. проф. - преп. состава, докт., асп., сотр. МарГТУ, Йошкар -Ола, 1997.- С. 153-154.

3. Захаров К.К., Корепанов Д.А; Практическое применение модифицированного импульсного метода зондирования почвы на примере ботанического сада МарГТУ Н Материалы постоянно действующей всероссийской междисциплинарной науч. конф. "Вторые Вавиловские чтения", Йошкар-Ола, 1997. - С. 67 - 68. , ,< ;

4. Корепанов Д.А., Захаров К.К. Экспресс - метод определения границ подповерхностных неоднородностей И Материалы науч. - практ, конф. "Современные проблемы учета и рационального использования лесных ресурсов", Йошкар - Ола, 1998. - С. 238 - 239.

5. Корепанов Д.А. Визуальный анализ электромагнитных колебаний в среде с потерями // Труды науч. конф. по итогам н. - и. работ Map. гос. техн. ун-та . Секц. Природопользования и безопасности жизнедеятельности, Йошкар - Ола, 20 - 22 апр., 1998 / Map. гос. техн. ун-т. - Йошкар -Ола, 1998. - С. 12 -14. - Деп. в ВИНИТИ 03.09.98, №2736 - В98.

6. Корепанов Д.А. Анализ результатов натурных исследований электромагнитного профилирования на осушенном болоте в районе реки Лебедань П Труды науч. конф. по итогам н. - и. работ Map. гос. техн. унта . Секц. Природопользования и безопасности жизнедеятельности, Йошкар - Ола, 20 - 22 апр., 1998 / Map. гос. техн. ун-т. - Йошкар - Ола, 1998. - С. 15 -16. - Деп. в ВИНИТИ 03.09.98, №2736 - В98.

7. Корепанов Д.А. Построение кривой депрессии методом импульсного электромагнитного профилирования // Гидролесомелиорация и эффективное использование земель лесного фонда: Информационные материалы, Вологда, 1998. - С. 191 -193.

8. Корепанов Д.А. Имитационное моделирование гидрологических процессов за рубежом // Труды науч. конф. по итогам н. - и. работ Map.

гос. техн. ун-та . Сскц. "Лее. экология, человек". Подсекц. "Измерение (таксация), обустройство, охрана и рациональное использование природных ресурсов". Йошкар - Ола. 19-21 апр.. 1998 / Map. гос. техн. унт. - Йошкар - Ола. 1999. - С. 87 - 92. - Деп. в ВИНИТИ 25.08.99, №2712 -В99.

9. Корепанов Д. А.. Яровикова Л. А. Тепловой расчет водного режима почвы // Труды науч. конф. по итогам н. - и. работ Map. гос. техн. ун-та . Сскц. "Лес. экология, человек". Подсекц. "Измерение (таксация), обустройство. охрана и рациональное использование природных ресурсов". Йошкар - Ола. 19-21 апр.. 1998 / Map. гос. техн. \н-т. - Йошкар - Ола. 1999. - С. 164 - !68. - Дсп. в ВИНИТИ 25.08.99. №2712 - В99

10. Глухов O.A. Корепанов Д.А. Особенности импульсного электромагнитного зондирования при проведении поисковых работ в археологии Н Взаимодействие человека на транице Европы и Азии. Тсчисы докладов конференции 18-20 декабря 1996. - Самара, 1996. - С. 160 - 161.

11. Корепанов Д А. Возможности зондирования почвы электромагнитными импу льсами при проведении поисковых работ в археологии // Материалы, науч. конф. проф. - прсп. состава, докт., асп.. сотр. Мар-ГТУ, Йошкар -Ола. 1996.-С 136-138. . "

12. Захаров К.К.. Корепанов Д.А. Определение профиля высоких грунтовых вод импульсным электромагнитным методом // Материалы респ.. науч. практ. конф. 24 - 25 февр.' 1999. - Йошкар - Ола. 1999. - С. 48 -49.

. ПЛД№ 2018 от 06.10.99 Усл.печ.л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ № 1935.

ООП Map. ГТУ. 424006 Йошкар - Ола. ул. Панфилова. 17 .

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Корепанов, Дмитрий Анатольевич

Введение

1 Состояние вопроса и анализ литературных источников

1.1. Режим почвенно - грунтовых вод (ПГВ)

1.2. Влияние осушения на рост леса

1.3. Электрометрические методы исследования неоднородностей в гидролесомелиорации

1.4. Имитационные модели взаимосвязи лесной растительности и гидрологического режима почвы

1.4.1. Общие принципы моделирования природных процессов

1.4.2. Моделирование динамики болотных экосистем

1.4.3. Модель влияния лесоосушения на гидрологический цикл речного водосбора

1.4.4. Водобалансные модели лесных почв

Winsoil" и "Vamps"

2. Программа, методика и объекты исследований

2.1. Программа и объекты исследований

2.2. Закладка и обработка пробных площадей

2.3. Традиционная методика проведения замеров УГВ

2.4. Электроразведочные способы определения границ подповерхностных неоднородностей

3. Физические данные модели взаимосвязи уровня грунтовых вод и продуктивности насаждений

3.1. Водобалансная модель продуктивности древостоев лесных болот

3.2. Уровень грунтовых вод и продуктивность насаждений

3.3. Влияние осадков на динамику грунтовых вод

3.4. Влияние УГВ на скорость стока

3.5. Температурный режим почв 51 3.6 Комплексная модель "Продуктивность древостоя - грунтовые воды" 56 4 Количественные зависимости для влияющих факторов модели

4.1. Осадки

4.2. Испарение

4.3. Перехват

4.4. Поток воды в почве

4.5. Тепловой поток в почве

4.6. Теплопроводность

4.7. Влияние снега на тепловой режим почвы

4.8. Нижние граничные условия для теплопроводности

4.9. Промерзание почвы

4.10. Упрощенный метод моделирования оптимального уровня грунтовых вод 86 5. Состояние и динамика продуктивности древостоя от уровня грунтовых вод.

5.1. Зависимость запаса древостоя от уровня грунтовых вод. Аналитическая модель

5.2. Проверка адекватности модели состояния 97 древостоя

5.3. Водобалансная модель динамики грунтовых вод

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по географии, на тему "Моделирование и оценка состояния и динамики сосновых древостоев от уровня грунтовых вод с целью рационального использования ресурсов лесных болот"

В настоящее время земельный фонд России находится в критическом состоянии. В государственном докладе "О состоянии и использовании земель Российской Федерации за 1994 год" [56] отмечается, что природопользование при существенном сокращении мероприятий по охране и рациональному использованию почв и земельных ресурсов углубляет процессы деградации земель. Водный режим почвы наиболее динамичная составляющая комплекса экологических факторов и наиболее подвержена антропогенным воздействиям. По данным Совинтервода, в условиях избыточного увлажнения находятся 16,1 млн. га сельскохозяйственных угодий, общая площадь земель различного назначения, подтопленных водохранилищами, составляет 866,1 тыс. га. В зонах орошаемого земледелия в результате, плохого состояния водоотводных коллекторов нарушается водный баланс на значительных площадях, что сказывается не только на мелиоративном состоянии орошаемых земель, но и на гидрологическом режиме территорий, прилегающих к орошаемым массивам. По данным мелиоративного кадастра, площадь переувлажненных земель только на уровне грунтовых вод выше 1,5 метров составляет 296 тыс. га.

Деградационные процессы в почве усугубляет сокращение лесных массивов. Возрастающая хозяйственная деятельность, расширение населенных пунктов, рост промышленных центров обуславливают необходимость отвода для них дополнительных территорий из земель лесного фонда. Поэтому тенденция сокращения этой категории земель будет в дальнейшем сохранятся. Основная часть (94%) из общей площади земельного фонда России (1,7 млрд. га), включая леса покрыта растительностью. Однако, отсутствие надежной системы учета и мониторинга не позволяет дать полномасштабную объективную оценку состояния лесных ресурсов. Применительно к лесным экосистемам важнейшей задачей является установление оптимальных параметров водного, воздушного и теплового режимов почв, обеспечивающих формирование высокопродуктивных насаждений.

Одним из эффективных мероприятий, способствующих повышению продуктивности и устойчивости лесных фитоценозов, является поддержание оптимального и сохранение естественного водного режима местообитаний. Особенно чувствительны к смене экологических условий развития болотные массивы (9,2% земель лесного фонда), где малейшее антропогенное влияние вызывает существенные качественные и количественные изменения. Поэтому выявление параметров оптимального водного режима и отклонений от него, приводящих к снижению продуктивности и устойчивости лесных экосистем, имеет большое научное и практическое значение для народного хозяйства России в целом и Волго - Вятского региона в частности, где площадь гидролесомелиоративного фонда составляет 1324,4 тыс. га.

Цель и задачи. Целью является разработка аналитической модели влияния грунтовых вод осушаемых лесных болот на продуктивность насаждений, с учетом почвенно - климатических условий Волго - Вятского региона и обоснование ее параметров.

Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи:

- выявление комплекса экологических факторов, влияющих на продуктивность сосновых насаждений;

- определение продуктивности сосновых насаждений аналитическим методом в зависимости от режима грунтовых вод и комплекса почвенно - климатических факторов;

- построение имитационной модели влияния грунтовых вод на продуктивность сосновых насаждений на основе системного подхода;

- теоретическое и экспериментальное обоснование способа импульсной электроразведки для получения параметров модели осушаемых лесных болот;

- составление методики применения импульсной электроразведки уровня грунтовых вод;

- проведение полевых исследований для обоснования параметров модели;

- разработка рекомендаций по практическому применению разработанной модели.

Научная новизна. На основе данных полевых исследований в Волго - Вятском регионе построена имитационная модель влияния грунтовых вод на продуктивность сосновых насаждений, разработана система мониторинга за уровнем грунтовых вод на болотах с комплексом измерительных устройств, получены аналитические зависимости для расчета влияния уровня грунтовых вод на состояние и динамику продуктивности сосновых древо-стоев.

Практическая значимость определяется возможностью применения модели для расчетов в системе пользования лесными болотами. Получена универсальная аналитическая зависимость для определения запаса сосновых насаждений в условиях осушаемых лесных болот. Разработанный комплекс измерительной аппаратуры может быть применен при мониторинге уровня грунтовых вод и поиске подповерхностных неоднородностей и в частности при определении кривой депрессии и глубины залегания грунтовых вод.

Апробация. Материалы исследований представлялись на Всероссийских конференциях "Взаимодействие человека и природы на границе Европы и Азии" (Самара, 1996г.); "Гидротехническая мелиорация лесных земель, ведение лесного хозяйства и вопросы экологии" (пос. Варнавино - Санкт - Петербург, 1997г.); "Гидролесомелиорация и эффективное использование земель лесного фонда" (Вологда - Кирилов, 1998г.). Отдельные положения работы докладывались на научных конференциях в г. Йошкар - Оле в 1996 - 1999гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Достоверность результатов основывается на достаточном объеме экспериментального материала и его обработке методами математической статистики с применением ПЭВМ и применении методов системного анализа для построения аналитических моделей. Приборы, использованные в лабораторном и полигонном эксперименте, а также специально разработанный для полевых исследований комплекс аппаратуры импульсного электромагнитного зондирования и профилирования при определении уровня грунтовых вод прошли метрологическую поверку.

Личный вклад автора заключается в обосновании темы, определении целей и задач исследований, закладке опытных объектов в Кировской области и Республике Мари Эл, разработке средств импульсной электроразведки, методики их практического использования и в получении аналитических зависимостей для 9 расчета влияния уровня грунтовых вод на состояние и динамику продуктивности сосновых древостоев.

На защиту выносятся следующие вопросы:

- имитационная модель влияния уровня грунтовых вод осушенных болот на продуктивность древостоя;

- универсальная аналитическая зависимость для определения запаса спелых сосновых насаждений в условиях осушаемых лесных болот;

- теоретические основы и комплексы для измерения уровня грунтовых вод способом импульсной электроразведки.

- результаты лабораторных и полигонных измерений подповерхностных неоднородностей на осушенных болотах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения списка использованной литературы в количестве 112 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 122 страницах машинописного текста, ^иллюстрировано 38 рисунками и 4 таблицами. Приложение включает 17 страниц с 24 таблицами.