Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оценка стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов Северо-Западного Кавказа

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Оценка стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов Северо-Западного Кавказа"

На правах рукописи

Тертерян Ашот Владимирович"

КАВКАЗА

Специальность: 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

2 4 ОКТ 2013

Новочеркасск - 2013

005535688

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО НГМА).

Научный руководитель: Ивонин Владимир Михайлович, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор Официальные оппоненты: Полуэктов Евгений Валерианович, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО НГМА, заведующий кафедрой почвоведения и орошаемого земледелия; Водяной Сергей Михайлович, кандидат сельскохозяйственных наук, Пшишское лесничество Комитета по лесу Министерства природных ресурсов Краснодарского края, заместитель директора Ведущая организация - Государственное научное учреждение

«Всероссийский научно-исследовательский

институт агролесомелиорации Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИАЛМИ Россельхозакадемии) Защита состоится 24 октября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.049.01 при ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Пушкинская, 111, ауд. 339.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научном отделе библиотеки ФГБОУ ВПО НГМА.

Автореферат разослан 23 сентября 2013 г. и размещён на официальных Интернет-сайтах ВАК РФ и НГМА. Учёный секретарь ,, ^

диссертационного совета CfИванова Нина Анисимовна

С"'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Роль лесных насаждений в охране вод и защите почв от эрозии высоко оценена в научной литературе (Ф.К. Арнольд, 1893; Г.Ф. Морозов, 1912; Г.Н. Высоцкий, 1950; A.A. Молчанов, 1973; В.В. Рахманов, 1962; М.В. Рубцов, 1972; В.Н. Дьяков, 1976; П.Ф. Идзон, 1980; H.A. Воронков, 1988; A.C. Жильцов, 2008; Е.В. Полуэктов, 2011 и др.). Особенно велика почвоохранная роль коренных горных лесов (В. 3. Гулисашвили, 1956; А.П. Казанкин, 1972; С.М.Водяной, 2001; H.A. Битюков, 2007; И.П. Коваль и др., 2012 и др.).

Вырубка коренных лесов Северо - Западного Кавказа привела к образованию производных лесов (измененных под влиянием хозяйственной деятельности человека и стихийных сил природы), с пониженной стокорегулирующей и почвозащитной способностью. Это вызвало усиление эрозионных процессов в производных лесах, заилению горных рек и их паводковым разливам при выпадении интенсивных ливней.

Необходимость изучения таких явлений в производных лесах СевероЗападного Кавказа определило актуальность нашей научно-исследовательской работы.

Степень разработанности темы. Снижение стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов, по сравнению с коренными лесами, Северо-Западного Кавказа исследовано не достаточно. Не выяснены причины усиления поверхностного стока и эрозии почв при выпадении интенсивных ливней в производных лесах. Не разработаны мероприятия по повышению стокорегулирующей и почвозащитной способности таких лесов.

Цель и задачи исследований - оценка стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов региона и разработка мероприятий по её повышению.

Задачи исследований: дать характеристику производных лесов СевероЗападного Кавказа; оценить качество природных вод водотоков, как индикатора

влияния на них состояния производных лесов; оценить стокорегулирующую и почвозащитную способность производных лесов; разработать мероприятия по повышению стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов.

Научная новизна:

- установленные данные о количественной связи воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова с содержанием органического вещества в верхнем слое бурых лесных почв;

- количественные показатели влияния на ливневой сток таких факторов, как интенсивность впитывания осадков, содержание органического вещества и гранулометрический состав верхнего слоя почв;

- выделено два критических значения воздушно - сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова: первое значение (ш > 10 т/га) характеризует отсутствие стока при ливнях; второе значения (т >3,25 т/га) -характеризует отсутствие смыва;

- отсутствие смыва при ливнях характеризуют также содержание органики в верхнем слое почв (б >7,6%), значения коэффициентов пористости ( >1,33), верхнего предела пластичности (\/У > 53%) и углов внутреннего трения между почвенными частицами (ср > 22°).

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные уравнения связи коэффициентов стока, интенсивности впитывания осадков и смыва почвы с воздушно - сухой массой напочвенного покрова и характеристиками поверхностного слоя нарушенных почв позволили исследовать стокорегулирующую и почвозащитную способность производных лесов при ливнях.

Практическая значимость работы заключается в рекомендациях производству по повышению стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов, позволяющих снизить риски паводковых разливов горных рек региона.

Методология и методы исследований основаны на полевых экспериментах по искусственному дождеванию пробных площадок (В.М.Ивонин, Н.Д. Пеньковский, 2003), а также - на отборе и анализе образцов речной воды и почв по общепринятым методам. Обработку полученных результатов проводили с применением стандартных методов анализа на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- основные факторы, определяющие поверхностный сток при ливнях в производных лесах (деградация лесной подстилки и живого напочвенного покрова и содержание глинистых фракций в составе верхнего слоя нарушенных почв);

- критические значения воздушно - сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова: первое ш > 10 т/га - характеризует отсутствие стока при ливнях; второе ш >3,25 т/га - характеризует отсутствие смыва;

- критические значения свойств верхнего слоя нарушенных бурых лесных почв, характеризующие отсутствие смыва при ливнях: содержание органики (С >7,6%), значения коэффициентов пористости ( >1,33), верхнего предела пластичности (Ш > 53%) и углов внутреннего трения между почвенными частицами (ф > 22°).

Степень достоверности и апробация результатов подтверждается использованием общепринятых методов исследований, большим объемом экспериментальных данных, показателями тесноты связей математических соотношений, апробацией полученных результатов в производственных условиях. Апробация результатов проводилась на международной научно-практической конференции «Проблемы природоохранной организации ландшафтов» (г. Новочеркасск, ФГБОУ ВПО НГМА, 24-25 апреля 2013 г.) и международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию выпуска первого мелиоратора России (г. Новочеркасск, ФГБОУ ВПО НГМА, 29-30 мая 2013 г.).

По материалам диссертационной работы опубликованы пять научных работ, в том числе две - в рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ журналах и одна монография. Общий объём публикаций 10.8 п.л., личное участие автора - 5,4 п.л.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обоснована актуальность исследований, степень её разработанности, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследований, основные положения выносимые на защиту, степень достоверности и апробации результатов.

В первом разделе приводится литературный обзор по стокорегулирующей и почвозащитной способности горных лесов. На такую способность горных лесов обращали своё внимание классики русского лесоводства: Ф.К. Арнольд, 1893; Г.Ф. Морозов, 1912; Г.Н. Высоцкий, 1950; П.С. Погребняк, 1968; A.A. Молчанов, 1973 и другие.

Эти функции горных лесов изучали отечественные и зарубежные учёные: П. Демонце (1891), А. Брилианский (1934), Д.Г. Смарагдов (1939), Б.Д. Жилкин (1940), В.И. Рутковский (1949), А. Д. Дубах (1951), М.Е.Ткаченко (1952), В. 3. Гулисашвили (1956), В.В. Рахманов (1962), М.В. Рубцов (1972), В.Н. Дьяков (1976), П.Ф. Идзон (1980), H.A. Воронков (1988), A.C. Жильцов (2008) и др.

Развитие эрозионных процессов после проведения рубок и порослевого возобновления лесов зафиксировано исследователями в различных регионах: А.Н. Олиферов, 1963; И.И. Хуторцев,1964; А.Ф. Поляков, 1971; H. М. Горшенин, 1974; Р.Г. Чагелишвили, 1977; A.A. Ханазаров,1983; И.Г. Зыков, 1998; В.М. Ивонин, В.А. Тертерян, С.М. Водяной, 2001. Особое внимание уделяют сосредоточению стока и усилению эрозии вдоль волоков и лесовозных дорог (Tomasic Zeljko, 1994; Iqor Potocnik, 2000; Qio Rond - zn at al., 2000).

Таким образом, анализ литературных источников позволяет полагать, что вырубка коренных лесов Северо - Западного Кавказа привела к образованию производных лесов, с пониженной почвозащитной и водоохранной ролью. Это вызывало при ливнях усиление эрозионных процессов, заиление горных рек и их паводковые разливы при выпадении интенсивных ливней.

Во втором разделе характеризуются место проведения, условия и методика исследований. Исследования проводили в Пшишском лесничестве ГУ «Комитета по лесу» Краснодарского края, расположенном в южной части Краснодарского края на территории Туапсинского и Апшеронского административных районов.

Юго-западный склон Большого Кавказского Хребта в Туапсинском районе представляет относительно узкую в 30 - 60 км систему с частыми повышениями и понижениями рельефа. Сложный горный рельеф имеет эрозионно-тектоническое происхождение. В районе исследований преобладают бурые лесные почвы.

В горной части Туапсинского района в теплый период года спорадически выпадают сильные ливневые осадки. Это вызывает формирование склонового стока, во время которого малые реки и водотоки не могут пропустить весь объём поступающей воды. В результате паводочного разлива рек наблюдаются подтопления территории населённых пунктов.

Исследования проводили в производных лесах в районе слияния рек Большой и Малый Пшиш, берущих начало на северных склонах Большого Кавказского хребта. Эти леса мы характеризовали по результатам таксации лесных насаждений Гойтхского участкового лесничества Пшишского лесничества (Воронежлеспроект, 2000). Кварталы и выдела подбирались на водосборе рек: Пшиш (территория, где ведётся интенсивная хозяйственная деятельность) и Малый Пшиш (территория, где хозяйственная деятельность ограничена).

Качество воды горных водотоков исследовалось в период низкого меженного уровня (4. 09. 2012 г.), высокого уровня паводка (24. 09. 2012 г.), а также - во время снеготаяния (8.04. 2013 г.). Отбор проб речной воды проводили (по ГОСТ 17.1.5.05-85) в заданных створах 4. 09. и 24. 09. 2012 г., а также -08.04. 2013 г. Образцы в сумке-холодильнике транспортировались в Аккредитованный испытательный лабораторный центр Туапсинского филиала ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Краснодарском крае». Здесь проводили лабораторные исследования 4 - 7 и 24 - 27 сентября 2012 г., а также -8-9 апреля 2013 г. Объёмы и оценка лабораторных исследований определялись СанПиН 2.1.5.2582-10 и ГН 2.1.5.1315-03.

В санитарно-гигиенической лаборатории определяли: рН (по ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97), прозрачность (РД 52.24.496-05), запах (РД 52.24.496-05), хлориды (РД 52.24.407-2006), марганец (ГОСТ 4974-72), сульфаты (РД 52.24.483-05), ртуть (ПНД Ф 14.1:2: 4.199), медь (ГОСТ Р 52180-2003), цинк (ГОСТ Р 52180-2003), свинец (ГОСТ Р 52180-2003), кадмий (ГОСТ Р 521802003), нитриты (РД 52.24.381-2006), нитраты (РД 52.24.367-2010), аммиак по азоту (ПНД Ф 14.1:2:1-95), фенол (ПНД Ф 14.1:2: 4.182-02), ПА Ванионоактивные (ПНД Ф 14.1:2: 4.158-00), железо (ГОСТ 411-72), фосфаты (ПНД Ф 14.1:2:112-97), фториды (ГОСТ 4386-89), жёсткость общая (РД 52.24.395-07), общая минерализация или сухой остаток (ПНД Ф 14.1:2.114-97), ДДТ и его метаболиты (ГОСТ Р 52209-98), гамма-изомер ГХЦГ (ГОСТ Р 52209-98) и 2,4 Д кислота (ГОСТ Р 52209-98), мышьяк (М 01-26-2006), молибден (ГОСТ 18308-72), алюминий (ПНДФ 14.1:2:4.166-2000), нефтепродукты (ПНДФ 14.1:2:4.128-98).

В микробиологической лаборатории определяли: возбудители кишечных инфекций (МУК 4.2.1884-04), общие колиформные бактерии (МУК 4.2.188404), колифаги (МУК 4.2.1884-04), термотолерантные колиформные бактерии (МУК 4.2.1884-04).

При рекогносцировочных обследованиях водосбора реки Пшиш на территории Гойтхского участкового лесничества были подобраны типичные участки производных лесов, где закладывались пробные площади, ориентируясь на ОСТ 56-84-85 с учетом справочной литературы (Справочник лесотаксационных нормативов для Северного Кавказа, 1995; Н.Н.Гусев, 2004).

На участках по каждому варианту эксперимента устраивали по две стоковых площадки - близнеца, размером 1,43 X 0,7 м (1 м2) каждая, размещая их длинной стороной вдоль склона.

Одна из площадок предназначалась для искусственного дождевания, по методике В.М.Ивонина и других (2003), а на второй отбирали образцы лесной подстилки, живого напочвенного покрова и слоя почв 0 — 20 см.

Образцы лесной подстилки и травянистого покрова доводили до воздушно -сухого состояния и взвешивали, выражая массу в т/га. Образцы почв упаковывали с ненарушенным строением при помощи марли и жидкого парафина для транспортировки и хранения, согласно ГОСТ 12071 - 72.

В грунтоведческой лаборатории г. Туапсе в образцах почв определяли: гранулометрический состав - по ГОСТ 12536 - 79; естественную влажность, плотность и пластичность - по ГОСТ 5180 - 84.

Полученные результаты использовали для расчетов коэффициентов пористости и водонасыщения. Содержание органического вещества в почвах и грунтах находили при прокаливании образцов.

Определяли следующие характеристики прочности: сопротивление грунтов срезу (х), углы внутреннего трения (Ф), удельное сцепление (С). Соотношения между этими характеристиками представляет уравнение Кулона.

Сопротивление грунта срезу определяли как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец грунта срезается по фиксированной плоскости при заданном нормальном напряжении. Для определения «С» и «9» для каждого образца провели три испытания при различных значениях нормального напряжения (ГОСТ 12248 - 96).

Дождевание на вариантах эксперимента проводили с помощью исследовательской капельно - струйной установки, изготовленной в мастерских ООО «Пшишский лесхоз» и обеспечивающей неизменность критерия эродирующей способности искусственного и натурного ливней. Время дождя принимали равным 30 минут, а интенсивность дождя - 3 мм/мин.

При этом количество и средний размер капель искусственного дождя и скорость их падения обеспечивали кинетическую энергию ливня - аналога (В.М.Ивонин и др., 2003). Необходимое давление воды в установке регулировали с помощью напорного бака и вентиля - регулятора с водомером.

При дождевании определяли слой дождя, время от начала дождя до появления стока на водоприемном лотке, слой стока, время дождевания и добегания воды после его окончания.

Мутность стока определяли при фильтровании проб, отобранных на водоприемном лотке стоковой площадки, в три срока: начало стока, его середина и окончание. Определив среднюю мутность и зная объем стока, находили смыв почвы, выражая его в т/га.

Стоковые площадки ограждали листовым железом, заглубленным в почву для предупреждения бокового растекания воды. Сток на водоприемном лотке учитывали объемным способом с помощью тарированной емкости.

Дождевание проводили в августе 2012 года на трёх опытных участках Гойтхского участкового лесничества: 1 - квартал 120 выдел 8 (склон ЗЭ, высота над уровнем моря 295-300 м., дровяная вырубка в порослевом лесу); 2- квартал 120 выдел 5 (склон ЗЭ, высота над уровнем моря 253 м., трасса нефтепровода «Тихорецк - Туапсе»); 3 - квартал 29 выдел 4 (склон ВЭ, высота над уровнем моря 318-362 м., водоохранная полоса леса).

Полученные данные эксперимента обрабатывали на ЭВМ с получением

уравнений регрессии.

Мероприятия в производных лесах по сокращению ущерба горным рекам разрабатывали с учётом современных научных достижений ( В.М. Ивонин и др., 2001; И.П. Коваль и др., 2012) и методических указаний (А.П. Казанкин, 1978).

Предотвращённый ущерб рассчитывали, в соответствии с Водным кодексом РФ (от 3 июня 2006 г. № 74-ФЗ), Методическими указаниями ФГНУ «РосНИИПМ» (2009) и Методикой исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства, утверждённой Приказом Минприроды России от 13 апреля 2009 г. N 87 (http://base.garant.ru/12167365/). При этом использовали материалы собственных исследований.

В третьем разделе характеризовали производные леса и качество природных вод водотоков. Проводившиеся ранее рубки главного и промежуточного пользования в твердолиственных лесах Пшишского лесничества способствовали смене высокоствольных дубрав и бучин низкоствольными дубняками и грабинниками.

В производных древостоях, пройденных рубками, запас сырой древесины не велик (менее 50-100 м3/га). В насаждениях водоохранных полос рек запас достигает 240 м3/га. На охраняемой территории «Река Малый Пшиш» сохранились коренные леса: дубравы к возрасту 125 лет обладают запасом сырой древесины 270-330 м3/га, буково - пихтовые насаждения в возрасте 210 - 270 лет достигают запаса 660 - 720 м3/га.

На водосборе р. Пшиш имеются также следы иной хозяйственной деятельности, приводящей к снижению почвозащитной и стокорегулирующей способности лесов. Например, в квартале 120, выделах 12 и 13 проходят трасы ЛЭП, шириной 70 м, в выделах 5 и 6 этого же квартала - трасса нефтепровода, шириной 25 м.

При возобновлении вырубок максимальной продуктивностью характеризуются дуб высокоствольный, бук и ясень, при соответствии лесорастительных условий экологическим требованиям этих пород. Минимальная продуктивность у дуба низкоствольного вегетативного происхождения.

В производных лесах редкий подлесок в основном составляют боярышник, лещина и кизил. В водоохранных полосах леса подлесок средней густоты составляют ежевика, кизил и лещина, которые сохраняют относительно высокий почвозащитный потенциал насаждений.

В лесах низовий р. Малый Пшиш (за пределами охраняемой территории), густой и средней густоты подлесок составляют ежевика, лавровишня и азалия. Они, вместе с разновозрастным подростом, обеспечивают относительно высокий (по сравнению с лесами верховий р. Пшиш) почвозащитный потенциал насаждений.

Таким образом, леса на водосборах рек Пшиш и Малый Пшиш в пределах Пшишского лесничества (за исключением охраняемых природных территорий) пройдены главными и промежуточными рубками, обладают пониженной производительностью, деградированными лесной подстилкой и живым напочвенным покровом, нарушенными почвами, угнетённым подлеском и подростом.

Несмотря на это, при низком меженном уровне воды (4. 09. 2012 г.) производные леса обеспечили качество воды рек Пшиш и Малый Пшиш, соответствующее требованиям безопасности, жизни и здоровья потребителей. Однако в летний период во время высокого уровня паводка 24. 09. 2012 г. вода реки Пшиш содержала аммиак в количестве 1,6±0,12 мг/дм3, что превышает гигиенический норматив.

Результаты микробиологических исследований показывают, что во время низкого меженного уровня 4. 09. 2012 г. качество воды р. Малый Пшиш соответствовало гигиеническим нормативам. Качество воды р. Пшиш в это время не отвечала гигиеническому нормативу по содержанию термотолерантных колиформных бактерий (240 КОЕ - колониеобразующие единицы в 100 мл).

Во время паводкового разлива рек (24. 09. 2012 г.) качество воды р. Пшиш не соответствовало гигиеническому нормативу по содержанию колифагов (306 БОЕ - бляшкообразующие единицы в 100 мл) и термотолерантных колиформных бактерий (290 КОЕ в 100 мл). При этом качество р. Малый Пшиш не отвечало нормативам по общим колиформным бактериям (700 КОЕ в 100 мл) и термотолерантным колиформным бактериям (130 КОЕ в 100 мл).

Во время снеготаяния (08.04. 2013 г.) качество воды рек Пшиш и Малый Пшиш соответствовало: СанПиН 2.1.5. 2582-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к охране прибрежных вод морей от загрязнения в местах водопользования населения. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы»; СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод».

В целом, в теплый период года качество воды р. Пшиш хуже, чем р. Малый Пшиш, что связано с характеристиками производных лесов и хозяйственной деятельностью на водосборах. Поэтому исследования почвозащитной роли производных лесов проводили на водосборе реки Пшиш в теплый период года.

В четвёртом разделе характеризовали опытные участки, находящиеся на протвоположных берегах долины р. Пшиш, склонах западной и восточной

экспозиции (почвы - бурые лесные). Эти участки определяли вариаты дождевания.

Участок 1.1 представляет собой лесную поляну, используемую под верхний склад. На поляне уничтожены живой напочвенный покров и лесная подстилка, уплотнён гумусовый слой бурой лесной почвы, поверхность которой нарушена и частично покрыта опилками. На поляне находится поленница дров и стоянка трелёвочного трактора. Это склон, крутизной 11°, на котором имеются следы разворотов тракторного трелёвщика. На момент обследования воздушно-сухая масса опилок в среднем составила 0,86 т/га. Участок 1.2 характеризует рабочий волок с нарушенным гумусовым слоем бурой лесной почвы. На поверхности волока выражена колея с раздавленными кусками коры и сучьями, воздушно-сухая масса которых в среднем равна 0,76 т/га. На волоке находятся сорные растения, с воздушно-сухой массой 0,11 т/га. Крутизна склона (в месте закладки пробы) равна 7°. Участок 1.3 представлен на склоне ЗЭ, крутизной до 30° (в месте закладки площадки - 18 °) порослевой грабово-ясенёвый дубняк возрастом 57 лет (состав 6Г2Я02ДС, тип леса СВДС, подлесок БЯР, КЗЛ редкий). Воздушно - сухая масса подстилки равна 2,35 т/га, живого напочвенного покрова - 0,91 т/га. Участок 2.1 расположен на строящейся трассе нефтепровода «Тихорецк - Туапсе». Ширина трассы равна 25 м. Почва на трассе полностью уничтожена, на поверхности -желтый суглинок с примесью скальных обломков, изредка попадаются сухие сучья. В месте закладки пробы крутизна склона 7,5 Участок 3.1 представляет двухлетние культуры дуба под пологом разновозрастной грабово-буковой дубравы 6Г2ДС1БК1ДС+Г+ГР, развивающейся по 4 классу бонитета, полнотой 0,6. Тип леса - СВДС, подрост - 8ДС2БК, подлесок КЗЛ, ЛЩ средней густоты. Высота культур равна 0,5-1,0 м., расстояния в ряду - 0,5 м. Крутизна склона в месте закладки пробы составляет 6°. Воздушно - сухая масса подстилки равна 1,34 т/га, живого напочвенного покрова - 0,15 т/га. Участок 3.2 характеризует двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 года. Высота поросли граба в среднем составляет 2-3 м., высота культур дуба - 1-1,5 м. Крутизна склона в месте закладки пробы равна 6,5 Воздушно - сухая масса подстилки равна 1,21 т/га, живого

напочвенного покрова - 0,13 т/га. Участок 3.3 характеризует участок леса вблизи вырубки (проба 3.2) с повреждённой при трелёвке подстилкой и уплотнённой почвой. Характеристика леса аналогична пробе 3.1. Крутизна склона равна 7°, воздушно - сухая масса подстилки - 1,55 т/га, живого напочвенного покрова - 0,08 т/га. Участок 3.4 расположен не эксплуатируемого волока с заровненной колеёй, на котором созданы культуры дуба, посадки 2010 года. На волоке имеются сухие листья дуба и граба, редкие растения земляники и подорожника. Крутизна склона равна 3°. Воздушно - сухая масса сухих листьев равна 0,99 т/га, живого напочвенного покрова - 0,11 т/га. Участок 3.5 характеризует восстановившийся на вырубке участок порослевого леса, возрастом 65 лет - грабовая дубрава с участием в составе ольхи чёрной, клёна полевого и бука. Тип леса - СВДС, крутизна склона -28°, подлесок - ЛЩ, ЕЖВ, густой. Воздушно - сухая масса лесной подстилки равна 9,99 т/га, живого напочвенного покрова - 7,10 т/га.

На участках исследовались свойства почв (пород) и характеристики напочвенного покрова на различных вариантах исследований (таблица 1).

Определена тесная связь содержания органики в слое почв 0-20 см (С, %) с воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова (т, т/га):

в = 0.35 1п т + 7.03 при г2= 0,774. (1)

По уравнению (1), при полной деградации воздушно-сухой массы ЛП+ЖНП, содержание органики в верхнем слое почв определяется содержанием гумуса (5,5%). Возобновляющиеся на вырубках порослево-семенные насаждения к возрасту 60 лет постепенно накапливают воздушно-сухую массу ЛП+ЖНП до 15-20 т/га, обеспечивая нарастание содержания органики в верхнем слое почв от 5,5 до 8%.

Определена тесная связь пределов текучести почв и пород (УУт.Уа) с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова (г2 = 0,774).

Таблица 1 -Свойства слоя 0-20 см почв, воздушно-сухая масса ЛП + ЖНП и

прочностные характеристики

№ Вариант Плот- Коэффи- Содержа- Воздуш- Орга- Угол Удель-

участка ность, циент ние но-сухая ника, внутрен- ное

г/см3 порис- глинистых масса % него сцепле-

тости фракций в ЛП трения ние

составе, % + ЖНП, (ф), град (С),

т/га кПа

1.1 Лесная поляна, 1,49 0,819 20,5 0,86 6,1 16,7 20,0

используемая

под верхний

склад

1.2 Рабочий волок 1,33 1,038 22,8 0,87 8,3 23,0 0,8

1.3 Грабово- 1,32 1,045 3,9 3,26 6,3 20,6 4,2

ясенёвый дубняк

2.1 Строящаяся 1,68 0,595 17,0 0 3,6 12,7 П,7

трасса

нефтепровода

«Тихорецк -

Туапсе»

3.1 Двухлетние 1,08 1,472 23,8 1,49 7,5 16,7 17,2

культуры дуба

под пологом

грабово-букового

дубняка

3.2 Двухлетние 1,14 1,351 21,3 1,34 7,3 21,8 10,0

культуры дуба на

вырубке 2009

года

3.3 Грабово-буковый 1,13 1,381 22,4 4,00 7,4 21,8 12,5

дубняк вблизи

вырубки

3.4 Двухлетние 1,14 1,351 24,6 1.10 7,2 23,0 5,8

культуры дуба на

выровненном

волоке

3.5 Порослево- 1,34 0,993 15,8 17,09 7,5 19,3 14,2

семенное

насаждение,

восстановившее-

ся на вырубке

Эта связь проявляется по мере накопления воздушно-сухой массой лесной подстилки и живым напочвенным покровом с возрастом насаждений определённого количества глинистых и илистых частиц.

Таким образом, при полной деградации воздушно-сухой массы ЛП+ЖНП, содержание органики в верхнем слое почв определяется содержанием гумуса (5,5%). Возобновляющиеся на вырубках порослево-семенные насаждения к возрасту 60 лет постепенно накапливают воздушно-сухую массу ЛП + ЖИЛ до 15 - 20 т/га, обеспечивая нарастание содержания органики в верхнем слое почв от 5,5 до 8%.

В пятом разделе даётся оценка стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов. Результаты наших наблюдений за поверхностным стоком при искусственном дождевании показали, что сток практически отсутствовал на участках 1.3 и 3.5 (таблица 2).

Таблица 2 - Показатели дождевания (9-10.08.12 года, слой дождя 90 мм)

№ участка

Вариант

Влажность почвы слоя 0-20 см, %

Слой, мм

впитывания

Коэффициент стока

1.1 Лесная поляна, 22,0 используемая под

верхний склад

1.2 Рабочий волок 22,5

1.3 Грабово-ясенёвый 18,3 дубняк

2.1 Строящаяся трасса 11,5

нефтепровода «Тихорецк - Туапсе»

3.1 Двухлетние культуры 25,8 дуба под пологом грабово-букового

дубняка

3.2 Двухлетние культуры 27,7 дуба на вырубке 2009

года

3.3 Грабово-буковый 17,2 дубняк вблизи вырубки

3.4 Двухлетние культуры 20,5 дуба на выровненном

волоке

3.5 Порослево-семенное 16,9 насаждение, восстановившееся на вырубке___

36,1

39,6 0,009

40,6 25,0

34,0

8,7 16,9

0,009

53,9

50,4 90,0

49,4 65,0

56.0

81,3

73.1

0,401

0,440 0,0001

0,451 0,272

0,378

0,097 0,188

Смыв, т/га

90,0 0,0001

2,2

5,9 0

34,5 1,4

1,8

0,1 1,3

0

Регрессионный анализ данных таблиц 1 и 2 позволил получить уравнение связи коэффициентов стока (к) с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова:

к = 0.2272 е-0'5031" при г2= 0,572. (2)

Графическое решение уравнения (2) приведено на рисунке 1. Анализируя данные рисунка 1, полагаем, что коэффициенты стока равны нулю (стока нет) при воздушно-сухой массе лесной подстилки и живого напочвенного покрова, равной 10 т/га и более.

При уменьшении этой массы до нуля коэффициенты стока увеличиваются до 0,23 - 0,45, в зависимости от свойств верхнего слоя нарушенной бурой лесной почвы, в частности от содержания глинистых частиц (рисунок 2).

5 10

ЛП+ЖЫП, т/га

15

20

Рисунок 1 - Связь коэффициентов стока (к) с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова (ш)

0 5 10 15 20 25 30

Глинистые фракции, %

Рисунок 2 - Связь коэффициентов стока (к) с содержанием глинистых фракций в слое почв 0-20 см (Р)

Линия тренда рисунка 2 представлена зависимостью:

к = 9Е - 08 Р4'6224 при г2 = 0,568, (3)

где: Р - содержание глинистых фракций в слое почв 0-20 см, %.

Анализируя данные рисунка 2, заключаем, что на бурых лесных почвах супесчаного гранулометрического состава (Р < 12%) коэффициенты стока равны нулю (выпадающие осадки полностью поглощаются почвой). На суглинистых и тяжелосуглинистых почвах (глинистые фракции в слое почв 0-20 см увеличиваются от 12 до 25%) коэффициенты стока возрастают до 0,25 - 0,45. Возрастание стока при дождевании происходит за счет снижения интенсивности впитывания осадков по мере утяжеления гранулометрического состава верхнего слоя почв.

Регрессионный анализ полученных данных позволил обнаружить связь между интенсивностью впитывания осадков (/, мм/мин) и воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова:

/ = 2.19 т0045 при г2 = 0,358, (4)

Анализируя уравнение (4), полагаем, что максимальная воздушно сухая массы напочвенного покрова (15-20 т/га), обеспечивает интенсивность впитывания осадков 2,5 мм/мин. Следовательно, при выпадении осадков с максимальной интенсивностью более 2,5 мм/мин за определённый период на нарушенных почвах производных лесов возможно формирование поверхностного стока.

Обратная связь интенсивности впитывания осадков с содержанием глинистых фракций в слое почв 0-20 см представлена обратным линейным уравнением:

/ = ЗД- 0,047 Р при г2 = 0,208. (5)

Анализ уравнения (5) показывает, что на бурых лесных почвах супесчаного гранулометрического состава ( Р < 12%) интенсивность впитывания осадков максимальна (выпадающие осадки полностью поглощаются почвой).

Утяжеление гранулометрического состава верхнего слоя почв (глинистые фракции увеличиваются до 25% и более) приведёт к уменьшению интенсивности впитывания осадков до 1,5 мм/мин и менее.

Уравнение связи между эрозией (Э, т/га) и воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова имеет вид:

Э = -3,183 ln(m) + 3,757 при г2 = 0.951. (6)

Применение уравнения (6) для расчётов ограничено величиной воздушно-сухой массы ЛП+ЖНП не более 3,25 т/га. Это критическое значение указывает на то, что эрозия почв во время ливней полностью отсутствует при m > 3,25 т/га.

При обработке данных экспериментов получили связь между эрозией и содержанием органики в верхнем слое почв 0-20 см (G, %):

Э = -6,718 G + 50,924 при г2 = 0.683. (7)

По уравнению (7), при содержании органического вещества в верхнем слое почв, равном G >7,6%, ливневая эрозия практически отсутствует.

Обнаружилась связь между эрозией и коэффициентами пористости верхнего слоя почв ():

Э = -27,141п0 + 7,996 при г2 = 0.547. (8)

При анализе обратной логарифмической зависимости (9) заключаем, что при значениях коэффициентов пористости верхнего слоя почв более 1,33 эрозия почв при ливнях практически отсутствует.

Выяснено, что верхний предел пластичности (W, %) тесно связан с эрозией почв. Уравнение, характеризующее эту связь, имеет вид:

Э = -60,89 ln(W) + 242.11 при г2 = 0,705. (9)

Как следует из уравнения (9), чем выше верхний предел пластичности, тем больше почва сопротивляется водной эрозии при дождевании. При значениях W > 53% эрозия почв под пологом производных лесов отсутствует.

Получена связь между эрозией и углами внутреннего трения между агрегатами в слое почв 0-20 см:

Э = -42,321п(ф) + 130.28 при г2 = 0,565. (10)

По зависимости (10), с возрастанием углов внутреннего трения между почвенными агрегатами уменьшается эрозия почв при дождевании. Эта зависимость ограничена при расчётах( <р < 22°), что означает, что эрозии отсутствует при значениях углов внутреннего трения более 22°.

В шестом разделе на основании полученных результатов исследований предлагаются мероприятия по повышению стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов. Осуществление этих мероприятий по мелиорации производных лесов позволит существенно сократить сброс взвешенных наносов при ливнях в горные реки за теплый период года (апрель-октябрь). Эти мероприятия заключаются в следующем: не проводить проходные рубки, а также рубки переформирования и обновления, при которых вновь эксплуатируются волоки и лесовозные дороги, существенно деградируют живой напочвенный покров и лесная подстилка; необходим уход за порослевыми гнёздами дуба, которые должны быть горежены до 2-3 экземпляров; следует проводить мероприятия по увеличению участия в составе насаждений семенного дуба и бука (восстановление главных лесообразующих пород коренных лесов и постепенная трансформация низкоствольных дубняков в высокоствольные насаждения); следует осуществлять не связанные с рубкой мероприятия по уходу за подростом и самосевом, подсадку сеянцев или саженцев; для предупреждения формирования стока и эрозии на трелёвочных волоках и технологических дорогах необходимо обеспечить отвод поверхностного стока под лесной полог.

Размер вреда от сброса взвешенных наносов с лесопокрытой площади ООО «Пшишский лесхоз» в реку Пшиш при контрольном варианте эксплуатации производных лесов (не осуществляются предлагаемые нами мероприятия) равен 102577,9 тыс. рублей. По мелиорированному варианту размер вреда составит 7629,9 тыс. рублей. Внедрение мероприятий по мелиорации производных лесов на территории ООО «Пшишский лесхоз» позволит сократить размер вреда на 94948 тыс. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Река Пшиш в своём верхнем течении с притоком Малый Пшиш являются типичным горными водотоками бассейна Кубани, водосборы которых интенсивно используются в хозяйственной деятельности. Леса на водосборах этих рек в пределах Пшишского лесничества (за исключением труднодоступных и охраняемых природных территорий) являются производными. Они пройдены главными и промежуточными рубками, обладают пониженной производительностью, деградированными лесной подстилкой и живым напочвенным покровом, нарушенными почвами, угнетённым подростом.

2. Во время весеннего снеготаяния производные леса на водосборах обеспечивают качество воды рек Пшиш и Малый Пшиш, соответствующее требованиям безопасности, жизни и здоровья потребителей. Однако в летний период при паводковом разливе речная вода р. Пшиш может содержать аммиак в количестве, превышающем гигиенический норматив. В это время в воде обеих рек возможно нарушение санитарно-эпидемиологических нормативов по содержанию общих и термотолерантных колиформных бактерий и колифагов.

3. При полной деградации воздушно-сухой массы ЛП+ЖНП, содержание органики в верхнем слое почв определяется содержанием гумуса (5,5%). Возобновляющиеся на вырубках порослево-семенные насаждения к возрасту 60 лет под своим пологом постепенно накапливают воздушно-сухую массу лесной подстилки и живого напочвенного покрова до 15 - 20 т/га, обеспечивая нарастание содержания органики в верхнем слое почв от 5,5 до 8%.

4. В лесах, почвы которых нарушены при антропогенной деятельности, поверхностный сток во время интенсивных ливней определяется напочвенным покровом (ЛП+ЖНП). Поверхностный сток при ливнях возрастает (коэффициенты стока увеличиваются до 0,23-0,45), в зависимости от степени деградации лесной подстилки и живого напочвенного покрова, а также от свойств верхнего слоя нарушенной бурой лесной почвы, особенно - от содержания в её составе глинистых частиц.

5. Воздушно-сухая масса ЛП+ЖНП (ш) является основным фактором формирования ливневого стока и проявления эрозии почв под пологом производных лесов. Выделено два критических значения воздушно - сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова. Первое значение (ш > 10 т/га) характеризует отсутствие стока при ливнях; второе значения (ш >3,25 т/га) — характеризует отсутствие смыва. Определены следующие критические значения, характеризующие отсутствие смыва при ливнях: содержание органики в верхнем слое почв (б > 7,6%), коэффициенты пористости ( > 1,33), верхний предел пластичности (\А/ > 53%) и углы внутреннего трения между почвенными частицами (ср>220).

6. Полученные уравнения связи коэффициентов стока, интенсивностей впитывания осадков и смыва с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова, а также со свойствами поверхностного слоя нарушенных почв и пород позволили исследовать в производных лесах условия формирования поверхностного стока и проявления эрозии при ливнях.

7. Внедрение мероприятий по мелиорации производных лесов на территории ООО «Пшишский лесхоз» позволит сократить размер вреда от сброса взвешенных наносов в реку Пшиш за теплый период года на 94948 тыс. рублей.

Рекомендации производству. На основании проведённых исследований можно рекомендовать в производных лесах осуществлять следующие мероприятия по повышению их стокорегулирующей и почвоохранной способности:

не проводить проходные рубки, а также рубки переформирования и обновления, при которых вновь эксплуатируются волоки и существенно деградируют живой напочвенный покров и лесная подстилка;

лесохозяйственные работы должны быть сосредоточены на уходах за порослью (порослевые гнёзда дуба изреживают до 2-3 экземпляров), мероприятиях по увеличению участия в составе насаждений семенного дуба и бука; а также -мероприятиях по уходу за подростом и самосевом, подсадку сеянцев или саженцев;

для предупреждения формирования стока и эрозии на трелёвочных волоках и технологических дорогах необходимо обеспечить отвод поверхностного стока под лесной полог.

Перспективами дальнейшей разработки темы являются исследования по обоснованию постепенной трансформации производных лесов в высокоствольные насаждения, обладающие стокорегулирующей и почвозащитной способностью коренных лесов Северо-Западного Кавказа.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Мииобрнауки РФ:

1. Ивонин, В. М. Поверхностный сток при ливнях в нарушенных лесах на водосборах горных рек Северо-Западного Кавказа / В. М. Ивонин, А. В. Тертерян //Мелиорация и водное хозяйство. - 2013.- №1.- С. 17-19.

2. Ивонин, В. М. Поверхностный сток и эрозия почв во время дождей в нарушенных горных лесах Северо-Западного Кавказа / В. М. Ивонин, А. В. Тертерян // Научная мысль Кавказа. - 2013. - №1. - С. 97-101.

Монографии:

3. Ивонин, В. М. Почвозащитно - водоохранная роль производных лесов на водосборах горных рек Северо-Западного Кавказа: монография / В. М. Ивонин, В. А. Тертерян; Под ред. д-ра сельскохозяйственных наук, проф. В.М. Ивонина. Издание 2-е испр. и допол. - Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2013,- 108 с. + 20 с. ил.

Статьи в других изданиях:

4. Ивонин, В. М. Производные леса и качество воды горных рек СевероЗападного Кавказа / В. М. Ивонин, А. В. Тертерян // Интеграция науки и образования - стратегия устойчивого развития водно-мелиоративного комплекса страны. - Материалы международной научно-практической конференции,

посвященной 100-летию выпуска первого мелиоратора России 29-30 мая 2013 г., г. Новочеркасск, НГМА. - Новочеркасск: Лик, 2013. - С. 205-213.

5. Ивонин, В. М. Сокращение размера вреда, вследствие сброса дождевого стока в горные реки с территории производных лесов / В. М. Ивонин, А. В. Тертерян // Интеграция науки и образования - стратегия устойчивого развития водно-мелиоративного комплекса страны. - Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию выпуска первого мелиоратора России 29-30 мая 2013 г., г. Новочеркасск, НГМА. - Новочеркасск: Лик, 2013.- С. 213-218.

Подписано в печать Й0..09„ 2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Объём 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № Отдел оперативной полиграфии ФГБОУ ВПО НГМА, 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111.