Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Трансформация элементов водного баланса под влиянием хозяйственной деятельности в различных климатических условиях

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Трансформация элементов водного баланса под влиянием хозяйственной деятельности в различных климатических условиях"

На правах рукописи УДК: 502.51: 504.61

Мясникова Надежда Александровна

ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ПОД ВЛИЯНИЕМ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность: 25.00.36 — геоэкология (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

иу

з о СЕН 2015

005562782

Санкт-Петербург 2015

005562782

Работа выполнена в лаборатории географии и гидрологии Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт водных проблем Севера Карельского научного центра Российской академии наук».

Научный руководитель:

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт водных проблем Севера Карельского научного центра Российской академии наук» Карпечко Юрий Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор, профессор кафедры гидрологии суши Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» Догаиовский Аркадий Михайлович

кандидат географических наук, заместитель руководителя отдела речного стока и водохозяйственных проблем, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения «Государственный гидрологический институт» Шалыгин Андрей Ленович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук» (ИЛ КарНЦ РАН)

Защита состоится^-У¡,¿0с^/ъЛО'¡Ь $'А/на заседании Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.199.26, созданного на базе Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена, по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 12, ауд. №21.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена (191186, г. Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп.5) и на сайте университета по адресу: http://disser.herzen.spb.ru/Preview/Karta

Автореферат разослан « ¿¿4С7

Ученый секретарь диссертационного совета

ва Ирина Петровна

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Проблема водных ресурсов приобретает в последние десятилетия острый экологический характер. Это обусловлено возрастанием роли антропогенных факторов, связанных с водопотреблением на нужды населения, промышленности и сельского хозяйства, а также с воздействием на условия формирования речного стока и заметными изменениями глобального и регионального климата, вызываемыми, в том числе, и деятельностью человека.

Деятельность человека в настоящее время является одним из важных факторов формирования водных и биологических ресурсов, во многом определяя их количественные и качественные характеристики. До настоящего времени вопросы, связанные с оценкой и прогнозом гидроэкологической роли антропогенного фактора в силу их многогранности и сложности далеки от разрешения. Недостаточная изученность затрагиваемых проблем объясняется и тем, что с течением времени повышаются требования к точности получаемых результатов, расширяется круг интересующих практиков вопросов, изменяются количественные и качественные характеристики техногенных нагрузок.

Все изменения окружающей среды, вызванные антропогенным фактором и отражающиеся на динамике происходящих в ней процессов, предполагают изучение их проявления в формировании качественных и количественных характеристик водных ресурсов. Исследование этих процессов обеспечивает, в конечном итоге, возможность управления природоформирующей деятельностью человечества.

Таким образом, оценки и прогнозы изменения элементов водного баланса под воздействием хозяйственной деятельности, преобразующей ландшафты, и совершенствование методов их определения относятся к числу актуальных научных и практических задаче.

Объект исследования: водный баланс участков суши в различных климатических условиях.

Предмет исследования: экологические изменения элементов водного баланса (испарение, сток, запас воды в снежном покрове) под влиянием хозяйственной деятельности.

Цель работы. Изучение влияния хозяйственной деятельности (рубки леса, гидротехническое строительство, урбанизация) и природных катастроф (лесные пожары) на экологическую динамику элементов водного баланса в различных климатических условиях.

Задачи исследования:

1. Разработать классификацию преобразованных участков территории, учитывающую степень их влияния на гидрофизические и гидрологические процессы.

2. Дать характеристику видам хозяйственной деятельности, определяющую степень изменения экосистем и объясняющую их роль в гидрофизических и гидрологических процессах.

3

3. Разработать метод оценки изменения элементов водного баланса в первый год после рубок и лесных пожаров.

4. Оценить существующие региональные методы расчета листового аппарата.

5. Разработать метод расчета листового аппарата в различных экологических условиях лесной зоны, учитывающий в более полной мере продуктивность древостоя.

6. Разработать метод расчета общей фитомассы древостоя и ее прироста.

7. Оценить влияние климатических факторов на изменения элементов водного баланса в различных экосистемах под влиянием рубок леса, гидротехнического строительства и урбанизации.

Защищаемые положения:

1. Изменения элементов водного баланса после рубок и лесных пожаров зависят от возраста древостоя до его удаления и экологических условий произрастания древостоя, определяющих продуктивность и породный состав.

2. Влияние продуктивности леса на элементы водного баланса определяется в значительной степени возрастом древостоя, сформировавшегося после рубок и лесных пожаров. В молодом и средневозрастном древостое испарение увеличивается с улучшением экологических условий, в спелом и перестойном - данная тенденция может нарушаться.

3. Количественная оценка характеристик водных ресурсов, меняющихся под воздействием хозяйственной деятельности, зависит от солнечной радиации, осадков и их соотношения (радиационного индекса сухости).

Научная новизна.

Предложена новая классификация преобразованных участков территории в зависимости от их характеристик, дальнейшего развития и влияния на гидрофизические и гидрологические процессы.

Впервые разработаны методики расчета листового аппарата, учитывающие продуктивность древостоя, что позволяет использовать их в пределах всех лесных экосистем.

Разработан метод расчета общей фитомассы древостоя и ее прироста для сосны, ели и березы.

Предложены новые методы оценки изменения элементов водного баланса в первый год после рубок и лесных пожаров, учитывающие экологические характеристики лесных участков до воздействия.

Впервые произведена оценка влияния климатических характеристик на изменения элементов водного баланса, определяющие экологические условия территорий, занятых дорогами и населенными пунктами.

Теоретической основой диссертации являются результаты исследований ведущих отечественных и зарубежных специалистов в области изучения изменения окружающей среды под влиянием деятельности человека: М.И. Будыко, В. С. Вуглинский, Б. М. Доброумов, О. И. Крестовский, В. В. Куприянов, М. И. Львович, А. А. Молчанов, В. 3. Родионов, Б. С. Устюжанин, С. Ф. Федоров, Г. М. Черногаева, И. А.

4

!

Шикломанов, J.M. Bosch, N.B. Comerford, W. Golf, N. Hansel, J.D. Hewlett, J. L. Monteith, H. Riekerk, P. Seuna, G. Sun.

Материалы и методы исследования.

При оценке роли климатической составляющей в изменении испарения использовались данные о среднемесячных значениях температуры воздуха, радиационного баланса, давления водяного пара, дефицита насыщения водяного пара, среднемесячного и годового количества осадков.

В качестве исходных материалов для анализа и моделирования использовались данные Научно - прикладного справочника по климату СССР, карты элементов водного баланса для территории Центральной и Восточной Европы. Использовались опубликованные базы данных характеристик лесов.

Для моделирования трансформации элементов водного баланса после лесозаготовок и лесных пожаров использовались данные по Мурманской и Ленинградской областям, Республики Карелия.

При анализе трансформации испарения в результате сооружения водохранилищ в различных природных зонах были использованы опубликованные и рассчитанные нами данные по 56 водным объектам (рис.1), для расчета изменения испарения после строительства практически водонепроницаемых участков территории использовались

метеорологические данные по 43 пунктам (рис.1), расположенным в различных климатических условиях.

Рис. 1. Карта-схема объектов исследования влияния антропогенных факторов на изменение испарения (о строительства практически водонепроницаемых участков, о сооружения водохранилищ)

В диссертационной работе при исследовании изменения испарения и стока применялся метод водного баланса и методы гидролого-

5

географического и статистического анализа гидрометеорологической информации.

Обоснованность и достоверность результатов исследования

базируется на выполнении поставленных задач с привлечением современных методов проведения географических, гидролого-географических и геоэкологических исследований. Достоверность научных положений и выводов подтверждается большим объемом представленного фактического материала; современным уровнем гидролого-географических и геоэкологических исследований; подробным анализом опубликованных материалов по изучаемой тематике; применением методов математической статистики в обработке материалов и предоставления результатов.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в расширении научных представлений о трансформации элементов водного баланса под воздействием человеческой деятельности.

Практическая значимость.

Разработанные методы расчета фитомассы древостоя и оценки изменения элементов водного баланса после рубок и лесных пожаров в различных климатических условиях используются в практических расчетах.

Полученные методы и оценки изменения элементов водного баланса в результате преобразования геокомплексов могут быть использованы при проведении экологических экспертиз.

Внедрение результатов исследований.

Исследования выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИВПС КарНЦ РАН. Результаты работы вошли в отчеты по темам НИР ИВПС КарНЦ РАН: «Геоэкологические закономерности устойчивого функционирования крупных озер и водохранилищ Северо-Запада России» (ГР № 01201001300), «Закономерности изменения озерных экосистем в различных ландшафтах Восточной Фенноскандии: озера Вендюрской группы и Заонежья» (ГР № 01201155831). Результаты по теме диссертации использовались при решении задач в рамках проекта РФФИ: № 13-05-98803 «Использование характеристик леса на водосборе для оценки химического состава речной воды на Европейском Севере России», а также находят отражение в работах по проекту РНФ (№ 14-17-00766) «Онежское озеро и его водосбор: история геологического развития, освоения человеком и современное состояние».

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертации изложены в 7 печатных работах, из них 3 в рецензируемых изданиях. Основные результаты исследования докладывались и получили положительную оценку на международной молодежной конференции «Экология - 2011» (г. Архангельск, 2011); на всероссийской конференции с международным участием «XII Перфильевские научные чтения» «Изучение, охрана и рациональное использование растительного покрова Арктики и сопредельных территорий» (г. Архангельск, 2012); на 65-ой конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Науки о Земле: задачи молодых» (г. Петрозаводск, 2013);

6

на II Всероссийской (XVII) молодежной научной конференции (с элементами научной школы) «Молодежь и наука на Севере» (г. Сыктывкар, 2013); на международном семинаре с полевым выездом «Трансграничные водосборы: Финляндия и Россия — водосбор Белого моря» (Республика Карелия, о. Соностров, 2013); на VII всероссийском гидрологическом съезде (г. Санкт-Петербург, 2013); на Международной студенческой научно-практической конференции «Современные проблемы в гидрологии» (г. Санкт-Петербург, 2014); на Международной школе-конференции «Моря, озера и трансграничные водосборы России, Финляндии и Эстонии» (г. Петрозаводск, 2014).

Личный вклад автора.

Личный вклад автора включает формулировку цели и постановку задач исследования, сбор и анализ данных, выполнение расчетов, методическое обеспечение решения поставленных задач и интерпретация полученных результатов, подготовка к публикации материалов по итогам проведенных исследований.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, пяти приложений. Цитируемая литература содержит 139 наименований. Текст изложен на 148 страницах и включает 29 рисунков, 20 таблиц, 52 формулы.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дается обоснование актуальности темы исследования, определены цели и задачи диссертационной работы, перечислены основные защищаемые положения, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава «Антропогенная деятельность и исследования ее влияния на элементы водного баланса в России и за рубежом» посвящена обзору существующих исследований изменения элементов водного баланса в результате антропогенного воздействия. Результаты исследований, полученные к настоящему времени, не решают весь круг вопросов, возникающих при решении практических и экологических задач.

Дана характеристика видам хозяйственной деятельности, которые исследовались в работе (лесохозяйственная и лесопромышленная деятельность, сооружение водохранилищ, урбанизация территорий), а также природным катастрофам (лесные пожары), дана степень изменения экосистем, показана их роль в гидрофизических и гидрологических процессах.

Во второй главе «Классификация видов хозяйственной деятельности и ландшафтов, преобразованных человеком» представлены различные классификации хозяйственной деятельности и преобразованных экосистем, способствующие решению, поставленных их авторами задач.

Нами предложена классификация преобразованных человеком ландшафтов. Преобразованные участки, созданные человеком в результате его непосредственного воздействия на подстилающую поверхность водосборов, в

зависимости от их характеристик, дальнейшего развития и влияния на гидрофизические и гидрологические процессы можно разделить на три группы:

1) техногенные ландшафты - это участки суши, физические свойства поверхностных слоев которых преобразуются кардинальным способом, существенно изменяющим условия формирования гидрологических и геоэкологических процессов;

2) нарушенные ландшафты - созданные человеком или при его участии природные участки суши: искусственные водоемы, вырубки (как свежие, так и зарастающие древостоем), гидромелиоративные системы, сельскохозяйственные поля, лесопосадки, парки и т.д., их дальнейшее развитие во многом определяется природными факторами;

3) природно-техногенные ландшафты - комплексы, состоящие из нарушенных ландшафтов, где величины элементов водного баланса и их соотношения мало отличаются от характерных для данных природных зон (парки и скверы) и техногенных участков (застройки, дороги, прочие проезды, промышленные объекты, аэродромы и пр.).

В третьей главе «Методы оценок влияния видов хозяйственной деятельности на элементы водного баланса в различных экологических условиях» рассмотрены существующие методы количественной оценки и прогноза антропогенных изменений элементов водного баланса. С учетом их анализа выбраны из существующих и предложены новые методы, направленные на решение поставленных в работе задач.

Нами предложены методы оценки изменения испарения, стока и максимальных снегозапасов после рубок и пожаров.

Изменение испарения за год оценивается как разница между испарением с вырубки или гари (Еы) и испарением с леса до воздействия (£}). После простых преобразований получено уравнение для оценки изменения испарения после воздействия в следующем виде:

(1Е = Ес, - £> = Е„ (к,-!)- (Е, + Е), (1)

где Е, - испарение с наземного покрова; к5 — переходный коэффициент от испарения под пологом леса к испарению с вырубки или гари; Е( - транспирация древостоем; Е, - испарение задержанных пологом леса атмосферных осадков.

Уравнение для оценки изменения годового стока получено как разность стока до (У}) и после (Ус/) воздействия. При этом для определения осредненной для многолетнего периода величины изменения стока осадки и влагозапасы почвогрунтов не учитываются:

¿V = Уы- Уг = -(Е, (к,- 1)-(Е, + Е,)) + с1¥с1/, (2) где (1УС1{ - дополнительный сток, вызванный нарушениями водно-физических свойств почвогрунтов лесоуборочной техникой.

Для оценки влияния лесозаготовок и лесных пожаров на снегонакопление в хвойных лесах получено уравнение:

= (£т,с/ - Еш/) - (Яс, - Щ + Еш, (3)

где 5)-и 5С/- максимальные снегозапасы на участках, покрытом древостоем и на безлесном, соответственно, мм; Етз — испарение осадков с полога леса, мм; Еш/ и Ешс! — испарение с наземного покрова под пологом леса и с безлесного участка,

8

соответственно, мм; Hf и Hj— слои стаявшего снега в период оттепелей с лесного и с безлесного участков, соответственно, мм.

В работе показаны пути определения параметров, используемых в данных расчетных методах. Для определения переходного коэффициента к, нами используется зависимость к, =fiLAI). Наличие такой зависимости отмечается при анализе опубликованных параллельных измерений испарения с различных видов растительности и с участков, лишенных растительности, под пологом леса и на полянах. Эта зависимость имеет следующий вид:

ks = Eci/Es = ехр(0.18 LAI), (4)

где LAI- листовой индекс, га/га.

При строительстве водохранилищ наблюдается существенное преобразование экосистем, что связано с изменением соотношения площадей водной поверхности и суши, преобразованием рельефа местности и видового состава растительности, что сопровождается изменением испарения.

Наибольшую долю в изменение потерь воды с водосбора вносит разница между испарением с созданной человеком водной поверхности и с затопленного участка суши до сооружения водохранилища:

dEw=Ew-Eh (5)

где dEyy — изменение испарения после строительства водохранилища; Еуу -испарение с водной поверхности, мм; Е; — испарение с затопленного участка суши до сооружения водохранилища, мм.

При расчете испарения с водной поверхности применялся подход, основанный на показаниях наземных водных испарителей ГГИ - 3000, а в качестве испарения с суши принималась средняя величина из полученных по методам М. И. Будыко и А. Р. Константинова значений.

К основным факторам, определяющим изменения экологических условий на урбанизированных территориях, относятся: наличие практически водонепроницаемых участков земель, приводящих к снижению испарения и преобразование метеорологических процессов над населенным пунктом.

Дороги различных технических категорий и разной протяженности, проезды, аэродромы и прочие объекты суши с практически водонепроницаемым покрытием способствуют изменению экосистем, процессов формирования поверхностных и подземных вод, трансформации максимального весеннего и дождевого стока. Нами в работе исследовалось изменение испарения после сооружения таких участков, которое оценивается по равенству:

dEr = Er-Eu (6)

где Ег— испарение с практически водонепроницаемого участка суши, мм; Е| -среднее испарение с окружающей преобразованные участки территории, мм.

Годовое испарение с практически водонепроницаемых участков суши определяется по выражению:

Ег — Ers, (7J

где Ег, — испарение с практически водонепроницаемой поверхности в теплый период времени, мм; Е„, — испарение с практически водонепроницаемой

поверхности в холодный период времени, мм;

Испарение с практически водонепроницаемой поверхности в теплый период года рассчитывается по формуле:

Е„ = Р (I - а), (8)

где Р — осадки, мм; а - коэффициент поверхностного стока, равный отношению стока к испарению.

В зимний, ранневесенний и позднеосенний периоды в районах со снежным покровом можно считать, что на поверхности с таким покрытием влаги практически всегда достаточно для суточного ее испарения, поэтому для расчета этого элемента водного баланса использовалась общеизвестная формула для расчета потерь воды со снежного покрова.

В ходе урбанизации создается новая антропогенная среда, что приводит к изменению биогеоценоза и следовательно условий формирования водного баланса территории. Роль населенных пунктов в преобразовании водного баланса зависит от доли практически водонепроницаемых участков и от климатических характеристик. Для решения этой задачи условный населенный пункт был разделен на две части: практически водонепроницаемые участи и участки, соответствующие по своим характеристикам исследуемой природной зоне.

Для расчета испарения с территорий при различных долях практически водонепроницаемого покрытия (Е,) используется уравнение:

Е, = Е,у+Его, (9)

где £■( — среднее испарение с окружающей территории, мм; у — доля поверхности, близкой к естественной; Ег — испарение с практически водонепроницаемого участка суши, мм; а — доля практически водонепроницаемой поверхности.

В четвертой главе «Методы расчета фитомассы древостоя» рассмотрены некоторые существующие и предложены новые методы расчета.

Запас фитомассы древостоя для каждого конкретного участка леса, определяется его биологическими особенностями, условиями произрастания и продолжительностью периода роста (возрастом) растения. Гидрологическая роль растительности теснейшим образом связана с почвами. Растения в процессе своей жизнедеятельности извлекают почвенный раствор и транспирируют влагу в атмосферу.

Показано, что концентрация питательных веществ в почвенном растворе меняется в зависимости от плодородия почв, в качестве количественной характеристики которого служит класс бонитета. Улучшение бонитета (понижение класса бонитета) связано с повышением количества питательных веществ в почве. По мнению Н.Г. Федорец и О.Н. Бахмет (2003), в климатических условиях Карелии фактором, ограничивающим рост растений, является наличие доступных для растений соединений азота в почве.

В работе прослежена связь массы листового аппарата с объемом необходимых для растения минеральных веществ, поглощаемых из почвы в

виде их водного раствора. С уменьшением концентрации лимитирующего рост и развитие растения минерального вещества наблюдается увеличение удельного расхода растением воды (расход воды, необходимый для построения единицы фитомассы), а, следовательно, количества листвы.

В настоящее время в некоторых районах существуют региональные методы определения листового аппарата, применение которых ограничено экологическими условиями территории, для которых они были получены. В работе на основе опубликованных данных по фитомассе нами предложены уравнения расчета листового аппарата, в полной мере учитывающие продуктивность древостоя, что позволяет использовать их в пределах всей лесной зоны. Общий вид этих уравнений:

т = аМехр(-(Ъ - с 1п(К1 + \)) И), (10) где ш — масса листвы (хвои) в абсолютно сухом виде, т/га; М - запас стволовой древесины м3/га; К1 — показатель класса бонитета; А — средняя высота древостоя, м; а, Ь и с — коэффициенты регрессии, равные соответственно для сосняков 0.15, 0.213, 0.063, ельников 0.165, 0.128, 0.033 и березняков 0.067, 0.14, 0.026.

В уравнении (10) и в дальнейшем классы бонитета замещаются на показатели классов бонитета, которые представлены арабскими цифрами (обозначения 1а, I, ..., V, Уа заменены на 7, 6, ..., 2, 1). Такие замещения сделаны для удобства анализа и формализации зависимостей.

Анализ возрастного распределения удельной массы хвои в сосняках и ельниках свидетельствует о ее связи как со всей фитомассой, так и с ее приростом. Основываясь на этом, нами предложено рассматривать массу листового аппарата древостоя как усредненную для различных погодных условий и для конкретного возраста сумму из величин, пропорциональных общему количеству фитомассы и ее приросту.

В практических целях для расчета массы листового аппарата древостоя (ш) фитомассу древостоя и ее прирост можно заменить запасом стволовой древесины и его приростом:

т = аМ + @<1М, (И)

где а - коэффициент, характеризующий удельную массу листвы (хвои), пропорциональную запасу стволовой древесины; (1М - текущий прирост запаса стволовой древесины м3/(га год); р - коэффициент, характеризующий удельную массу (листвы) хвои, пропорциональную приросту стволовой древесины.

В первом случае под удельным количеством листового аппарата понимается масса листвы (хвои), приходящаяся на единицу запаса стволовой древесины, а во втором случае масса листвы (хвои), приходящаяся на единицу прироста стволовой древесины.

С улучшением бонитета сосняков и ельников коэффициенты, характеризующие удельную массу хвои, пропорциональную как запасу стволовой древесины, так и его приросту, снижаются.

Эта тенденция удовлетворительно описывается экспоненциальными уравнениями:

а =а ехр(-6 К1), (12)

Р = с ехр(-с/ К[), (13)

где а, Ъ, с и с1 — коэффициенты регрессии, равные для сосняков соответственно 0.024,0.275, 0.930,0.133 и для ельников-0.051, 0.274, 1.650,0.115.

Расчет по уравнениям (10) и (11) позволяет установить массу сухой хвои сосняков и ельников.

Возрастная динамика массы хвои в большой степени соответствует динамике прироста фитомассы, поэтому интенсивность как возрастания, так и снижения массы хвои с возрастом в высокопродуктивном древостое будет выше, чем в низкопродуктивном. Следовательно, в молодом и средневозрастном древостое масса хвои, и транспирации будет увеличиваться с ростом продуктивности лесов. Так как в высокопродуктивном древостое масса хвои достигает максимальных значений раньше, чем в низкопродуктивном и в дальнейшем с возрастом снижается достаточно интенсивно, то в спелых и перестойных древостоях следует ожидать изменения соотношения массы хвои.

Масса стволовой древесины во многих случаях составляет наибольшую часть общей фитомассы (60-70%) и только в возрасте менее 20 лет ее доля в сосновом и еловом древостое опускается ниже 40%. При таких условиях общую фитомассу древостоя можно представить как линейную функцию запаса стволовой древесины:

Р = а + ЬМ, (14)

где Р — общая фитомасса древостоя в сухом виде, т/га; а и Ь — коэффициенты регрессии, равные соответственно для сосняков 13.0 и 0.58, для ельников 30.4 и 0.55, для березняков 11.2 и 0.68.

Основываясь на представлениях Г.Ф. Хильми (1966) об энергопотреблении растительным покровом, можно полагать, что отношение прироста фитомассы к ее массе для каждой породы одновозрастного древостоя во всех классах бонитета остается постоянным. Данное отношение зависит лишь от возраста древостоя:

с1Р/Р = с ехр(-</ т), (15)

где (¿Р— прирост общей фитомассы в сухом виде, т/(год га); г- возраст древостоя, лет; с и коэффициенты, зависящие от породы.

В работе были получены значения коэффициентов с и с/, которые для сосняков, ельников и березняков соответственно составили: 0,096, 0,011; 0,114, 0,011; 0,264,0,021.

Пятая глава «Оценка влияния различных видов хозяйственной деятельности на элементы водного баланса» посвящена количественной оценке влияния антропогенной деятельности на водный баланс экосистем.

Удаляемая в результате рубок листва (хвоя) определяет транспирацию и испарение осадков с полога леса, составляющих в большинстве случаев 65-85% от суммарного испарения. Эти же части суммарного испарения с леса составляют значительную долю в величине трансформации испарения, что и определяет

наличие связи между суммарным испарением с леса и его изменением после удаления древостоя (рис. 2).

Испарение с леса, мм

Рис. 2. Зависимость величины изменения испарения от суммарного испарения с леса до воздействия: 1 - сосняк, 2 - ельник, 3 - березняк Зависимости, приведенные на рис. 1 были выявлены для чистых древостоев (наличие в конкретном древостое только одной породы), поэтому связи получились тесные.

В ходе исследования были изучены возрастные ряды изменения испарения (idE) для 10 типов смешанных сосняков и 7 типов смешанных ельников. Расчеты осуществлялись для периода роста древостоя от 20-летних до 140-летних через каждые 10 лет. Получено, что значения dE зависят от возраста и продуктивности леса. Абсолютные максимальные значения dE отмечаются после удаления высокопродуктивного древостоя (I и II классов бонитета) в возрасте, когда он расходует наибольшее количество влаги (30-60 лет). Для сосняков черничников и кисличников они изменяются от 233 до 275 мм, а в ельниках черничниках и кисличниках — от 231 до 261 мм. По отношению к испарению с леса до удаления древостоя эти величины составляют ~ 50 %. В спелом древостое, который предназначается для промышленной заготовки древесины (100 лет), после вырубки сосняков испарение снижается на 218—241 мм (~ 46 %), а в ельниках - на 200-224 мм (~ 44 %).

Для низкопродуктивных сосняков сфагновых и багульниковых максимальное снижение испарения не превышает 151 - 174 мм, а в ельниках травяно-сфагновых и болотно-травяных — 180 мм. В низкопродуктивных лесах максимальные за период роста значения dE соответствуют спелому древостою возраста 100-130 лет.

Расчеты демонстрируют, что в большинстве своем значения максимального изменения испарения в различных лесах после рубок или пожаров увеличиваются с ростом продуктивности древостоя (табл. 1).

Приведенные в таблице 1 значения представляют собой выборку из моделированных возрастных рядов изменений испарений. Цифры характеризуют тенденцию: с повышением продуктивности древостоя

максимальная величина изменения испарения возрастает, а возраст, в котором она наблюдается, уменьшается.

Изменение испарения в результате воздействия существенно зависит от возраста леса. На рис. 3 показана возрастная динамика изменения испарения после удаления древостоя в средних по продуктивности для условий Карелии лесах.

Таблица 1

Максимальные величины изменения испарения в различных по

продуктивности и по условиям произрастания лесах после воздействий

Класс Сосна Ель Береза

бонит Возраст, Изменение Возраст, Изменение Возраст, Изменение

ета лет испарения, лет испарения, лет испарения,

мм мм мм

Va 110 -152

V 90 -159 100 -232

IV 60 -163 70 -251 70 -192

IV 40 -220

III 40 -210 50 -263 60 -219

III 40 -247 40 -284 50 -219

III 40 -255 40 -263 50 -224

II 30 -267 40 -294 40 -239

II 30 -316 30 -258 40 -226

II 40 -258

I 30 -287 30 -292 30 -241

я

-80

« "10° I -120

»-МО

S -160 g -180 1 -200 S .220 -240 -260 -280 -

Возраст, лет

Рис. 3. Изменение испарения после воздействия в различных по возрасту древостоях: 1 — сосняк брусничный, 2 — ельник брусничный, 3 - березняк злаково-брусничный Наименьшее изменение испарения отмечается в молодняках. Рост величины изменения в древостое III.5 - IV.5 классов бонитета продолжается до возраста 70-80 лет.

В некоторых работах ранее было показано, что соотношение снегозапасов в лесу и на открытых участках в большой степени зависит от таксационных характеристик леса и метеорологических условий в зимний период.

Существуют еще не полностью освещенные вопросы, касающиеся влияния таксационных характеристик древостоя на формирование снега в лесу в оттепельные и безоттепельные периоды. В настоящее время можно с большой долей уверенности утверждать, что огромное влияние на снегозапасы оказывают зимние оттепели.

В лесных районах при наличии зимних оттепелей к началу весеннего половодья в лесу снегозапасов больше, чем в поле, и эта разница увеличивается с ростом продолжительности оттепелей и положительных температур. Наиболее интенсивно снеготаяние протекает на открытых участках, поэтому в зимние сезоны с оттепелями на гарях и вырубках снега накапливается меньше, чем под кронами древостоя. При сумме положительных температур 5°С в зависимости от величины листового индекса превышение лесных снегозапасов составляет 0-10 мм, при сумме температур 10°С - 10-20 мм, а при сумме 25°С - 40-50 мм'или 30-35%. Следовательно, увеличение на залесенном водосборе площади открытых (без древостоя) участков приводит в отдельные зимние сезоны к существенным изменениям условий формирования зимнего и весеннего стока, что может быть заметно на малых водосборах.

В безоттепельные периоды, как свидетельствуют полученные результаты, в лесах с сравнительно низкой полнотой (LAI < 3 га/га) снегонакопление практически не меняется после пожара или вырубки древостоя (разница снегозапасов составляет -1 - +1 мм). С увеличением листового индекса и соответствующим ростом потерь на испарение с крон хвойного древостоя разница в снегозапасах в лесу и на вырубке (rape) возрастает до 10 - 15 мм. Данные значения относятся к одинаковым метеорологическим условиям и продолжительности снегонакопления в лесу и на вырубке (гари).

Водохранилища представляют собой нарушенный ландшафт, влияние которых на водные ресурсы для периода динамической стабилизации, который начинается после завершения основных процессов, связанных с заполнением чаши водохранилища и прибрежной емкости грунтовых вод, зависит от размеров и климатических факторов.

Величина испарения с водной поверхности в основном зависит от энергетических ресурсов. Очевидно, что с увеличением поступления солнечной радиации и снижения осадков роль водохранилищ в преобразовании водного баланса территории увеличивается. Такое рассуждение дает основание для использования в качестве фактора, определяющего изменение слоя испарения с водосборов после сооружения водохранилищ в различных климатических условиях, радиационный индекс сухости (отношение радиационного баланса к затратам энергии, необходимой для испарения осадков).

Зависимость между изменением испарения и радиационным индексом сухости можно представить в следующем виде:

с1Е„г = Р ехр(0.68В/РЬ - 0.50) - 1, (16) где В - радиационный баланс, МДж/(м2год); Р - годовая сумма осадков, мм; Ь - удельная теплота испарения, МДж/кг.

Надежность данной связи (дисперсия уравнения (16) на 82% определяется изменчивостью радиационного индекса сухости) позволяет использовать ее для расчетов и прогнозов изменения слоя испарения при увеличении площади водной поверхности на водосборе.

Наименьшее влияние на водные ресурсы сооружение водохранилищ оказывает в тех зонах, где радиационный индекс сухости меньше 1 (в частности в лесной зоне). В природных зонах, где значения радиационного индекса сухости превышают 1, сооружение водохранилищ ведет к снижению водных ресурсов региона, оценку которого можно установить по уравнению (16).

Кроме того, при исследовании влияния деятельности человека на окружающую среду были рассчитаны значения испарения с практически водонепроницаемых и с естественных поверхностей в различных географических зонах. Используя формулы (7), (8) и Рекомендации по расчету испарения с суши было рассчитано испарение с мало водонепроницаемых и с естественных поверхностей при значении величины поверхностного стока а = 0.78 для 43 пунктов, расположенных в различных географических зонах на равнинных территориях. Полученные оценки изменения испарения колеблются от -149 до -352 мм, причем эти колебания соответствуют изменениям климатических условий, о чем свидетельствует наличие связи между относительной величиной оценки (отношение изменения испарения к осадкам) и радиационным индексом сухости.

Эту связь можно выразить логарифмическим уравнением:

(1ЕГ /Р = -0.50 - 0.26 1п (В/РЬ). (17)

Дисперсия относительной величины изменения испарения (относительно осадков) на 68% определяется радиационным индексом сухости.

Анализ уравнения (17) свидетельствует о том, что с увеличением радиационного индекса сухости отмечается возрастание доли осадков, составляющих изменение испарения. Наиболее интенсивно такая тенденция прослеживается в зоне высокого увлажнения до значений радиационного индекса сухости 1 + 1.5 (зона степей по М. И. Будыко (1980)). С дальнейшим увеличением радиационного индекса сухости интенсивность снижения относительной величины антропогенной составляющей испарения замедляется и даже прекращается.

Практически водонепроницаемая поверхность занимает часть общей площади населенного пункта и от доли этой поверхности во многом зависит водный баланс всего поселения. Для выяснения влияния плотности застройки на испарение в различных климатических условиях исследовалась роль поверхностей, характеризующих крайние условия.

С увеличением доли водонепроницаемых участков разница между испарением со всей территории населенного пункта и средней по району величиной возрастает. Исследование влияния плотности застройки на изменение испарения в различных климатических условиях удобнее выполнять с использованием зависимости:

(1Ег£!Ет = ка/^, (18)

где с1ЕГ£ - изменение испарения со всей территории в единицах высоты слоя; Е - общая площадь условного населенного пункта; — площадь территории, представленной практически водонепроницаемой поверхностью; Ет — испарение с естественной поверхности в единицах высоты слоя; ка -коэффициент регрессии, показывающий интенсивность снижения испарения с общей территории при увеличении доли площади, занятой водонепроницаемым покрытием.

Анализ величины коэффициента ка, полученного для различных климатических условий, свидетельствует о зависимости его значения от радиационного индекса сухости. В увлажненных районах при низких радиационных индексах сухости (<0.6) при любой плотности застройки величина изменения испарения остается ниже 60% от среднего значения испарения, характерного для данной местности. С увеличением радиационного индекса сухости интенсивность снижения испарения с увеличением плотности застройки возрастает, но в пределах лесной зоны (радиационный индекс сухости менее 1) величина с!Ег}: остается ниже 75% среднерайонного испарения (рис. 4).

-0.50 ..........................................

-0.80..........—-'---■...........

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

Разпа1Д10нныл;шлекс сухости

Рис. 4. Зависимость интенсивности снижения испарения с увеличением плотности застройки от радиационного индекса сухости В степных, полупустынных и пустынных регионах степень уплотнения играет наибольшую роль в изменении испарения и величина ка в этих зонах мало меняется с изменением радиационного индекса сухости (см. рис. 4). В регионах, где радиационный индекс сухости превышает 1.5-2 увеличение доли участков с практически водонепроницаемыми покрытиями ведет к большему, чем в увлажненных районах, снижению среднерайонной величины испарения и расходованию местных ресурсов.

Климатические факторы оказывают значительное влияние на степень изменения элементов водного баланса в результате хозяйственной деятельности.

Преобразование геокомплекса, протекающее естественным путем или в результате антропогенного воздействия, меняет условия взаимодействия его с окружающей средой.

Гидрологическая роль различных видов деятельности в различных географических зонах представлена в таблице 2.

Таблица 2

Изменения испарения в различных географических зонах _в зависимости от вида деятельности, мм_

Вид Географические зоны

деятельности Тайга, В=800-3500 МДж/м2, 1=0.3-1.0 Степь, В=1170-3000 МДж/м2, 1=1.0-2.0 Полупустыня, пустыня, В=1300-2500МДж/м2, 1>2.0-3.0

Лесозаготовки -30 - -285 -185

Сооружение -30 - 60 120-750 >900

водохранилищ 10 395

Строительство -180--355 -245 - -330 -160--195

дорог -245 -290 -175

Из анализа таблицы 2 следует, что абсолютная величина изменения испарения и, следовательно, стока зависит как от вида деятельности, так и от географической зоны. Снижение испарения (возрастание стока) после рубок для всех частей лесной зоны (от тайги до тропических лесов) в большой степени зависит от продуктивности древостоя, определяемой в значительной степени климатическими факторами, что обеспечивает наличие зависимости между антропогенной составляющей стока и осадками. С ростом величины осадков антропогенная составляющая стока возрастает.

Величина отношения возрастания испарения после сооружения водохранилищ в равнинной местности к осадкам увеличивается с ростом радиационного индекса сухости по экспоненциальному закону и в наиболее засушливых регионах достигают 900 - 1000 мм (см. табл. 2). Сооружение водохранилищ в зонах, где радиационный индекс сухости не превышает 1, не оказывает существенного влияния на водный баланс водосборов.

Наличие практически водонепроницаемых поверхностей (дороги, аэродромы и пр.) приводит к снижению испарения с участков суши. Строительство площадей с практически водонепроницаемой поверхностью оказывает наибольшее влияние на абсолютную величину испарения в зоне степей. В таежной зоне благодаря высокой увлажненности отмечается интенсивное снижение испарения (возрастание антропогенной составляющей стока) при продвижении с севера на юг.

В полупустынях и пустынях снижение абсолютной величины потерь воды на испарение нельзя считать благоприятным явлением из-за огромного дефицита здесь воды и высокой ее стоимости.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в ходе исследования.

1. Разработаны методы оценки изменения элементов водного баланса в первый год после рубок и лесных пожаров. Установлено, что снижение испарения и увеличение стока после рубок и пожаров в значительной степени зависят от величины листового индекса до воздействия, определяемого возрастом и экологическими условиями произрастания древостоя.

2. Разработаны методы расчета массы листвы, учитывающие продуктивность древостоя, что, в сравнение с существующими для отдельных территорий региональными методами, позволяют использовать их в пределах всех лесных экосистем.

3. Предложены методы расчета общей фитомассы древостоя и ее прироста. Результаты расчета этих характеристик можно использовать для обоснования расчетных величин транспирации древостоем и испарения с леса.

4. Возрастная динамика прироста фитомассы и всех ее частей зависит от плодородия почв. Более интенсивный прирост наблюдается в высопродуктивных лесах 50 - 70 летнего возраста. В худших экологических условиях максимальная величина прироста фитомассы отмечается позже, и увеличение массы хвои здесь продолжается до 100 и более лет.

5. В среднетаежной подзоне максимальные значения изменения испарения наблюдаются при удалении высокопродуктивного древостоя в возрасте, когда он расходует наибольшее количество влаги (30 - 60 лет). В зависимости от породы древостоя они составляют 230-280 мм (по отношению к испарению с леса до удаления древостоя это составляет около 50%).

6. В результате рубок спелого высокопродуктивного древостоя в возрасте 100 лет, испарение снижается на 200 - 240 мм (44-46% по отношению к испарению с леса до рубок).

7. После рубок и пожаров в низкопродуктивных хвойных лесах средней тайги снижение испарения не превышает 150 - 180 мм в зависимости от породы древостоя. По отношению к испарению с нетронутого леса это составляет 35-40%. Максимальные изменения испарения в этих лесах характерны для древостоя в возрасте 100 - 130 лет.

8. Огромное влияние на соотношение снегозапасов, формирующихся в лесу и на вырубках, оказывают зимние оттепели В лесных районах при наличии зимних оттепелей, появление гарей и вырубок на водосборах приводит к снижению максимальных предвесенних запасов воды в снеге. При сумме положительных температур за период со снежным покровом 5°С в зависимости от величины листового индекса превышение лесных

снегозапасов составляет 0-10 мм, при сумме температур 10°С - 10—20 мм, а при сумме 25°С - 40-50 мм или 30-35%.

9. Установлено, что величина отношения возрастания испарения после сооружения водохранилищ в равнинной местности к осадкам увеличивается с ростом радиационного индекса сухости по экспоненциальному закону. Сооружение водохранилищ в природных зонах, где радиационный индекс сухости не превышает 1, не оказывает существенного влияния на водный баланс водосборов.

10. В зависимости от географической зоны (индекса сухости) строительство дорог по-разному влияет на изменение испарения, определяющего экологические условия территорий. Наименьшее значение отношения величины снижения испарения к осадкам отмечается в избыточно увлажненных местностях. С увеличением радиационного индекса сухости до значений, соответствующих зоны степей, относительная и абсолютная величины изменения испарения интенсивно возрастают. Дальнейший рост радиационного индекса сухости характеризуется стабилизацией относительных величин снижения испарения и уменьшения абсолютных значений антропогенных составляющих испарения.

11. Гидрологическая роль населенного пункта во многом зависит от доли площади, занимаемой практически водопроницаемой поверхностью. С увеличением на территории доли такой поверхности в переувлажненных местностях снижение испарения происходит наименее интенсивно. С ростом индекса сухости интенсивность снижения испарения возрастает и достигает максимальных значений в зонах лесостепей и степей. При дальнейшем продвижении в более засушливые зоны данный показатель остается практически без изменений.

Разработанные в диссертационной работе методы и полученные результаты могут использоваться при оценке и прогнозе изменений элементов водного баланса и выполнении экологических экспертиз.

III. СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мясникова H.A. Оценка изменения элементов водного баланса в первый год после рубок в таежной зоне Европейского Севера России / H.A. Мясникова, Ю.В. Карпечко // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. JV» 33. 2014. С. 31-44.(0,6/0,4 пл.)

2. Мясникова H.A. Особенности формирования листового аппарата и транспирации хвойного древостоя / H.A. Мясникова, Ю.В. Карпечко // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. №4 (141). 2014. С. 78 - 83. (0,4/0,3 п.л.)

3. Мясникова H.A. Расчет фитомассы древостоя / H.A. Мясникова, Ю.В. Карпечко // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. № 4 (125). 2012. С. 77 - 81. (0,4/0,2 п.л.)

20

4. Мясникова H.A. Преобразование элементов водного баланса в лесах различной продуктивности под влиянием рубок и лесных пожаров / H.A. Мясникова, Ю.В. Карпечко // Экология — 2011: Материалы докладов IV Международной молодежной конференции (Архангельск, 06 — 11 июня 2011 года). Архангельск: Изд-во Северный (Арктический) федеральный университет. 2011. - С. 48-49. (0,1/0,07 п. л.)

5. Мясникова H.A. Гидрологическая роль лесопромышленной деятельности в таежной зоне Европейского Севера России / H.A. Мясникова, Ю.В. Карпечко // Изучение, охрана и рациональное использование растительного покрова Арктики и сопредельных территорий. Материалы Всероссийской конференции с международным участием XIII Перфильевские научные чтения (Архангельск, 29-31 мая 2012 года). Архангельск. 2012. - С. 209-211. (0,2/0,15 п. л.)

6. Мясникова Н. А. Гидрологическая роль участков суши с водонепроницаемым покрытием и населенных пунктов // Науки о Земле: задачи молодых. Материалы 65-ой конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2013. - С. 43- 49. (0,4 п. л.)

7. Мясникова Н. А. Влияние водонепроницаемого покрытия на изменение элементов водного баланса // Молодежь и наука на Севере. Материалы докладов II Всероссийской (XVII) молодежной научной конференции (с элементами научной школы) (Сыктывкар, 22 — 26 апреля 2013 года). Сыктывкар. 2013. Т. 1. С. 97-99. (0,2 п. л.)

Подписано в печать 15.09.2015 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 409

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А