Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние лесного покрова водосборов на гидрологические характеристики малых рек юга Сахалина

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние лесного покрова водосборов на гидрологические характеристики малых рек юга Сахалина"

На правах рукописи

Кордюков Александр Владимирович

ВЛИЯНИЕ ЛЕСНОГО ПОКРОВА ВОДОСБОРОВ НА ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛЫХ РЕК ЮГА

САХАЛИНА

Специальность 03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

3 ОКТ 2013

Воронеж - 2013

005533896

005533896

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сахалинский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «СахГУ»).

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Ефанов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: Крылов Артур Георгиевич,

доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники и физиологии растений ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», профессор

Молоканова Лариса Витальевна,

кандидат биологических наук, доцент кафедры инженерной экологии ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный

университет имени С.А. Есенина», кафедра экологии и природопользования

Защита состоится «16» октября 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.038.05 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет» по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., д. 1, ауд. 59.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан « <ор> сентября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

Барабаш Г.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Ещё в начале прошлого века Сахалин преимущественно был покрыт лесами. Однако в связи с тем, что с начала хозяйственного освоения острова лесная отрасль была одной из основных в сахалинской экономике, к настоящему времени вырублено около 85 % девственных лесов. На протяжении всего периода хозяйственного освоения острова характер лесопользования был далёк от рационального, а меры содействия естественному возобновлению малоэффективны. Зачастую за рубками следовали пожары, а обезлесенные территории использовали в качестве сельхозугодий. На вырубках сформировались малоценные мелколиственные лесные сообщества. Их водоохранные и защитные свойства значительно отличаются от таковых в сообществах, соответствующих местным лесорастительным условиям, т.е. в характерных для большей части Сахалина темнохвойных лесах.

Ухудшение защитных свойств лесов сопровождается интенсификацией эрозионных процессов на водосборе и в речном русле и провоцирует увеличение мутности воды. Отфильтровывающиеся в речном грунте частицы обусловливают процессы заиления грунтов, оказывая влияние и на состав речного сообщества, и, что особенно актуально для Сахалинской области, — на успешность естественного воспроизводства тихоокеанских лососей.

Вопрос влияния растительности бассейнов на заиление речных грунтов в аспекте детального рассмотрения лесных сообществ в научной литературе не раскрыт. Большая же часть работ посвящена влиянию лесистости на режим и объём стока, гидрологическим характеристикам тех или иных сообществ, а также влиянию рубок леса на твёрдый сток и заиление нерестилищ.

Этим обусловлена актуальность оценки воздействия лесных фитоценозов, произрастающих в речных бассейнах, на исследуемые гидрологические характеристики водотоков.

Цель работы - оценить влияние в различной степени нарушенной лесной растительности, произрастающей в бассейнах малых рек юга Сахалина, на содержание песчано-илистых фракций в грунтах и мутность воды.

Объекты исследований - малые реки и лесной покров их бассейнов на юге Сахалина.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих

задач:

1) раскрыть физико-географическую обусловленность формирования твёрдого стока и донных наносов малых горных рек для определения степени влияния на них биотических факторов;

2) исследовать влияние лесных сообществ, их особенностей и распределения в бассейнах на гранулометрический состав речных грунтов;

3) выявить зависимость годовой динамики мутности водотоков от окружающей бассейновой растительности;

4) провести мониторинг влияния нарушений лесного покрова в прирусловой зоне (на примере различных способов прокладки трассы нефтегазопроводов) на заиление речных грунтов.

Положения, выносимые на защиту:

1) Растительность бассейнов малых горных рек юга Сахалина, в первую очередь, водоохранных лесных полос, оказывает существенное влияние на содержание песчано-илистых фракций в речных грунтах и мутность воды.

2) Состояние и особенности лесного покрова (общая облесённость, запас и полнота хвойных деревьев, толщина подстилки, проективное покрытие мохово-лишайниковым ярусом) посредством влияния на интенсивность эрозионных процессов являются важным критерием качества нерестилищ лососёвых в малых реках.

3) По мере восстановления растительных сообществ, соответствующих местным лесорастительным условиям, минимизируется негативное влияние нарушений растительности в непосредственной близости от русла.

Научная новизна: впервые показано влияние особенностей лесного покрова на гидрологические характеристики малых рек, важные для эмбрионально-личиночного этапа развития лососёвых; установлена связь между содержанием в речных грунтах фракций <3 мм и таксационными характеристиками лесного покрова.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты вносят вклад в развитие лесной экологии, уточняют механизмы и особенности взаимодействий в системе «лес-река»; позволяют проследить происходящие по мере антропогенной деградации растительного покрова изменения мутности воды, гранулометрического состава грунтов малых водотоков юга Сахалина, определить, в какой степени растительные сообщества и их сочетания в бассейне оказывают положительное или негативное влияние на гидрологические характеристики рек. Это необходимо

для разработки конкретных рекомендаций по лесовосстановлению, охране лесов, расположению рыбоводных заводов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на молодёжном научном симпозиуме «Современные научные исследования на Дальнем Востоке» (Южно-Сахалинск, 2011), XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2012» (Москва, 2012), Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения окружающей среды» (Тенерифе, 2013).

Публикации материалов исследований. Всего по теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 6 в журналах, рецензируемых ВАК РФ.

Личный вклад автора. Разработка программы исследований, сбор и анализ большей части полевого материала выполнены автором.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы. Текст изложен на 120 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 198 источников, в том числе 25 на иностранном языке.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность за методическую помощь и критические замечания научному руководителю д.б.н., проф. В.Н. Ефанову. Автор благодарит за консультации д.г.н. Б.И. Гарцмана, к.б.н. Н.К. Кожевникову, д.б.н. П.В. Крестова, д.б.н. Ю.И. Манько, Р.Н. Сабирова, к.с.-х.н. В.А. Чувилину, к.г.н. В.В. Шамова, а также сотрудников и студентов Естественнонаучного факультета СахГУ за помощь и поддержку. Часть исследований осуществлена при поддержке гранта Правительства Сахалинской области молодым учёным 2012 г. и гранта научно-исследовательских проектов в рамках реализации программы стратегического развития СахГУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор исследований по гидрологической роли растительных сообществ

Приведён аналитический обзор литературы по изучаемой проблеме. Дана краткая история изучения гидрологической роли растительных сообществ в мире (Молчанов, 1960; Субботин, 1970; Рахманов, 1975; Идзон, 1980; Воронков, 1988; Hicks, Beschta, Harr, 1991; и др.) и на Дальнем Востоке (Таранков, 1974; Клинцов, 1979; Опритова, 1991; Жильцов, 1989, 2008; Кожевникова, 2010; и др.). Отмечены необходимые гидрологические условия для проходных видов тихоокеанских лососей (Рухлов, 1969, 1970; Смирнов,

1975; Леман, 1988 а, б; Шустов, 1995; Ефанов, 2003; Lake, Hinch, 1999; Hinch, 2005; и др.) и особенности их формирования (Лисицына, 1977 а, б; Леман, Лошкарёва, 2009; Чалов, 2011; Bunte, Abt, 2001; Gomi, Moore, Hassan, 2005; и др.), благодаря чему раскрыта роль растительных сообществ в формировании гидрологических характеристик малых рек, важных для речного периода жизни тихоокеанских лососей. Отражено влияние лесозаготовок на реки (Шершнёв, Жульков, 1975, 1976; Сирин, 1981; Спивак, 1994; Gregory et al., 1987; Sullivan, 1987; Gregory, Bisson, 1997; Hinch, 2005; De Groot, Hinch, Richardson, 2007; и др.) и значение водохранных лесных полос (Клинцов, 1970, 1973 а, 1973 в; Bisson et al., 1992; Swanson, Franklin, 1992; Lee, Isenhart, Schultz, 2003; Maclsaac, Moore, Richarnd, 2007; и др.).

Глава 2. Природные условия района исследований

Приведена характеристика рельефа, климата, флоры и растительности, лесного фонда, почв и речной сети Сахалина, особенно юго-восточной части острова, где располагаются исследованные речные бассейны, находящиеся в пределах одного гидрологического (Фёдорова, 1962), климатического (Земцова, 1962, 1968), и геоботанического (Толмачёв, 1955) районов.

Глава 3. Методы исследований

Геоботанические описания и маршрутные исследования в бассейнах рек выполняли по стандартным методикам (Полевая геоботаника, 1959-1976; Сукачёв, Зонн, 1961; Нормативные..., 1986; Ипатов, Мирин, 2008; и др.) с учётом некоторых рекомендаций Л.С. Азмайпарашвили, Г.И. Хараишвили и Р.Г. Чагелишвили (1972). Для определения сосудистых растений использовали различные определители и атласы (Sugawara, 1937-1940; Определитель..., 1974; Ворошилов, 1982; Сосудистые..., 1985-2006; Смирнов, 2006; и др.).

Отбор и анализ проб грунта для определения гранулометрического состава проводили преимущественно по методикам экспресс-оценки состояния нерестилищ тихоокеанских лососей (Леман, Кляшторин, 1987; Леман, 1988). Собранные пробы (массой 6-11 кг) анализировали ситовым методом, разбивая грунты на следующие фракции: >50 мм, 25-50 мм (средняя галька), 10-25 мм (мелкая галька), 5-10 мм (крупный гравий), 35 мм и 2-3 мм (средний гравий), 1-2 мм (грубый песок), 0,5-1 мм (крупный песок), 0,25-0,5 мм (средний песок), 0,1-0,25 мм (мелкий песок) и <0,1 мм. Мутность вод определяли гравиметрическим способом и прибором ДИВ-1. Расход воды в реках определяли методом «Скорость-площадь».

I \ \

Обработку и анализ данных осуществляли в программах Microsoft Office Excel и R-Statistica. Дешифрирование космоснимков со спутника Landsat-7 осуществляли по результатам маршрутных описаний в программе Arc View 3.1.

Глава 4. Влияние растительного покрова на гидрологические характеристики малых рек

4.1 Изменение гидрологических характеристик рек в зависимости от особенностей лесного покрова бассейнов

] Антропогенное вмешательство (в частности, вырубка лесов, распашка

земель) влияет в первую очередь на гидрологические условия малых водотоков (Караушев, 1977). Именно при сравнительном исследовании малых рек возможно наилучшим образом проследить влияние местных | особенностей водосборов, если они принадлежат одной ландшафтной зоне и I характеризуются сходством природных условий в целом (Лисицына, 1977).

Работы по исследованию влияния особенностей лесного покрова на гидрологические характеристики малых рек юга Сахалина проходили с 2010 по начало 2013 гг. Основная часть полевого материала собрана в 2012 г., в бассейнах рек Красносельской, Комиссаровки и Анны (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения исследованных бассейнов (спутниковые снимки с сайта: http://here.com).

Реки протекают в юго-восточной части Сахалина. Большая часть бассейнов находится на территории Сусунайского хребта. Они имеют преимущественно горный (лишь частично в низовьях — полугорный) характер, принадлежат к южному гидрологическому району (Фёдорова, 1962), юго-восточному климатическому району (Земцова, 1962, 1968),

f

f)

бассейн р. Анны

к: бассеГш р. Красносельской

■ J - р. Комиссаровки

<Шк Л < £ 1

Сусунайскому горному геоботаническому району (Толмачёв, 1955). Этим обусловлена однородность физико-географических условий формирования стока и геоморфологических условий протекания, что делает их удобными объектами для выявления влияния состояния растительности бассейна на формирование песчано-илистых фракций наносов.

4.1.1 Характеристика лесного покрова речных бассейнов

Растительность исследованных бассейнов в целом типична и отражает состояние растительности южной части острова. Район относится к подзоне темнохвойных лесов с преобладанием пихты (Толмачёв, 1955), но коренные темнохвойные леса сохранились здесь лишь в труднодоступных для вырубки местах - на крутых склонах и в верховьях рек.

В целом растительность бассейнов характеризуется различной антропогенной нарушенностью. Здесь встречаются и коренные темнохвойные леса с запасом древесины 450-650 м3, и лесокультуры с запасом, не превышающим 100-150 м3. В низовьях исследованных частей бассейнов распространены сельхозугодия, а также урбанизированные территории.

Растительность бассейна р. Анны характеризуется наименьшей нарушенностью. Около 75 % территории бассейна занимают старовозрастные темнохвойные леса, произрастающие по территории всего бассейна до высот 400 м н.у.м. Наиболее продуктивные массивы достигают запаса древесины в 450-500 м3/га. Выше 400 м н.у.м. и до пояса каменноберёзовых лесов (который, как и заросли кедрового стланика, слабо выражен) преобладают смешанные елово-пихтово-каменноберёзовые леса с запасом 150-200 м/га, занимающие около 15 % от общей площади бассейна. Остальные участки заняты каменноберёзовой формацией, зарослями кедрового стланика (покрывающими горные вершины в средней и верхней частях бассейна) и слабо представленными интразональными лесными формациями (произрастающими узкими полосами вдоль русла на немногочисленных участках, где выражена пойма).

Гораздо большей антропогенной нарушенностью характеризуется растительность бассейнов рек Красносельской и Коммисаровки. Большая часть их бассейнов пройдена вырубками.

Карта растительного покрова р. Красносельской представлена на рис. 2. В верховьях по склонам распространены крупные массивы вторичных елово-пихтовых лесов с запасом древостоя от 70 до 180м3/га и средним возрастом 60-80 лет. Над поясом темнохвойных лесов, выше 600-700 м н.у.м. встречаются каменноберёзовые леса с запасом 40-60 м3/га. Выше они постепенно переходят в редкостойные каменноберёзовые

кедровостланичниковые леса. Вершины гор и горные гребни покрыты густыми зарослями кедрового стланика, высотой 2,5 м.

Рис. 2. Карта растительного покрова бассейна р. Красносельской (спутниковые снимки с сайта: http://here.com). Условные обозначения:

ЯШ темнохвойные (елово-пихтовые, еловые, пихтовые) леса;

I светлохвойные (лиственничные,

сосновые) леса;

кедровостланничники; I смешанные (елово-пихтово-

камсннобсрёзовые) леса;

I смешанные (каменноберёзовые с елью и пихтой) леса;

^Н лиственные (каменноберёзовые) леса;

I лиственные (каменноберёзовые с ивой, ольхой, дубом и др.) леса;

I лиственные (ивово-ольховые) леса;

сельскохозяйственные угодия, пустыри, дороги;

I урбанизированные территории;

заросли высокотравья, кустарниковые заросли; I_I скалы.

В среднем течении высотная поясность выражена слабо. Здесь преобладают смешанные леса с различным сочетанием лесообразующих пород в составе. Запас древостоя таких массивов варьирует от 60 до 170м3/га, достигая 300 м3/га. На террасах и пологих склонах по правому берегу выделяются еловые культуры с запасом древесины 100-130 м3/га.

В нижнем течении западные отроги Сусунайского хребта представляют собой сочетание небольших массивов различных хвойных лескокультур из Pinus sylvestris L., Larix cajanderi Mayr, L. leptolepis (Sieb, et Zucc.) Gord., Picea abies (L.) Kars., P. ajanensis (Lindl. Et Gord)

Fisch. Ex Carr., созданных после 1945 г. В этой части бассейна широкое распространение получили сельхозугодия, а также урбанизированные территории. Предписанная «Водным кодексом» ширина защитных лесных полос (100 м для данной реки) здесь не соблюдается.

Карта растительного покрова р. Комиссаровки представлена на

рис. 3.

Рис. 3. Карта растительного покрова бассейна р. Комиссаровки (спутниковые снимки с сайта: http://here.com).

Верховья р. Комиссаровки, где отчётливо выражена высотная поясность, на 35-40 % заняты спелыми и приспевающими елово-пихтовыми лесами с запасом древесины 150-300 м3/га. Возраст лесообразователей в основном не превышает 70 лет. Большая же часть верховьев занята каменноберёзовыми лесами с запасом древесины 90-120 м3/га, а также смешанными с преобладанием Betula ermanii Cham. В среднем течении получают распространение молодые каменноберёзовые леса с запасом древесины 50-120 м3/га. На левом берегу произрастают лиственничные с берёзой лесокультуры с запасом древесины 60-110м3/га. Вдоль русла хорошо развиты долинные лесные сообщества. По правому берегу к ним примыкают пустыри и вторичные луга. В нижнем течении сохраняется защитная лесополоса из различных лиственных лесов: каменноберёзово-ольховых осоково-разнотравных и высокотравных, ивово-ольховых высокотравных. По обоим берегам широко распространены сельхозугодия и пустыри, занимающие около 30 % площади низовий, а также высокотравно-кустарниковые заросли. По правому берегу близ водораздела произрастают редкостойные лиственничники багульниковые с запасом древесины до 30 м3/га, по левому - густые лиственничные осмундовые леса с запасом древесины около 270 м3/га.

4.1.2 Характеристика речных грунтов

Один из характерных и важных в промысловом отношении видов рыб -горбуша - предпочитает нереститься на участках рек, переходящих из плёса в перекат (Рухлов, 1969; Смирнов, 1975; Леман, Кляшторин, 1987). В связи с исключительной важностью этих участков для успешного воспроизводства лососёвых анализ гранулометрического состава речных грунтов проведен именно здесь. Выбор этих участков объясняется сходством фоновых условий формирования донных наносов.

Грунты всех трёх рек гравийно-галечные с примесью песчаных и илистых фракций. По мере движения к истоку в грунте увеличивается количество валунов.

Схема расположения станций проведения гидрологических исследований показана на рисунке 4.

Рис. 4. Схема расположения станций проведения гирологических исследований на реках Красносельской (сверху), Комиссаровке (посередине) и Анне (внизу) (спутниковые снимки с сайта: http://here.com).

Данные по гранулометрическому составу речных грунтов, взятых на станциях р. Красносельской, приведены в таблице 1. Основные гранулометрические характеристики исследованных грунтов соответствуют

средним значениям для горных и полугорных участков малых рек Сахалина. Их нерестовое качество хорошее. На участках, где нарушения растительности в бассейне наиболее выражены (сегменты КЛ5 и КЛ6) наблюдается незначительное заиление нерестилищ. Выживаемость икры лососёвых в нерестовых буграх, заложенных здесь, оценивается в 80-82 %, что соответствует норме. Выше по течению состояние грунтов улучшается. Высокое качество грунта обнаружено на станции К113, выживаемость икры здесь может достигать 92 %.

Таблица 1. Характеристика гранулометрического состава грунтов

.„Станция ПоказателЕ~~—__ Ш-С КЯ2-С кю-с КЯ4-С КИ5-С КЯб-С

>50, % 1,7 15,6 11,2 17,4 17,4 4,6

25-50, % 8,6 25,9 46,7 23,6 16,1 28,1

10-25, % 31,5 19,3 20,2 16,5 20,4 23,1

5-10, % 20,0 11,5 8,2 13,2 12,5 11,6

3-5, % 13,2 7,6 4,8 9,3 6,6 6,9

2-3, % 10,3 6,8 3,4 6,7 5,6 7,2

1-2,% 9,0 7,0 2,8 6,0 6,3 9,8

0,5-1, % 2,9 3,3 1,3 3,5 3,8 4,5

0,25-0,5, % 2,0 2,2 1,0 3,0 2,8 3,7

0,1-0,25, % 0,5 0,5 0,3 0,6 0,5 0,4

<0,1, % 0,4 0,3 0,2 0,2 0,3 0,2

мм 11,2 14,6 22,0 13,4 11,1 16,1

Кн 11,1 25,0 10,6 13,6 13,7 16,3

<1 мм, % 5,8 6,3 2,8 7,3 7,3 8,7

<1 мм*, % 5,8 7,5 3,1 8,8 9,8 9,2

* данные подсчитаны без учёта фракции >50 мм.

Общая гранулометрическая характеристика речных грунтов р. Комиссаровки приведена в таблице 2.

Таблица 2. Характеристика гранулометрического состава грунтов

-—^_£танция Показателе— К01-в ког-в КОЗ-С К04-в К05-в КОб-в

>50, % 7,0 16,6 8,2 14,5 6,4 12,9

25-50, % 12,8 33,6 9,7 26,1 30,3 40,3

10-25, % 27,6 15,6 31,4 29,6 29,0 19,8

5-10, % 19,1 9,6 22,1 14,0 12,2 9,1

3-5, % 11,8 6,8 11,1 6,0 6,6 5,2

2-3, % 8,8 5,8 6,3 3,6 5,2 3,9

1-2, % 7,7 6,1 5,6 3,1 5,1 3,7

0,5-1, % 2,7 2,8 2,9 1.5 2,8 2,2

0,25-0,5, % 1,6 2,3 2,0 1,2 1,8 2,0

0,1-0,25, % 0,5 0,6 0,6 0,4 0,4 0,6

<0,1, % 0,3 0,2 0,2 0,1 0,2 0,2

Лео*, мм 11,9 16,6 11,5 16,4 17,9 19,7

Кн 7,4 18,1 7,2 7,6 11,5 14,6

<1 мм, % 5,2 5,9 5,6 3,1 5,2 5,0

<1 мм*, % 5,6 7,1 6,2 3,7 5,5 5,8

Нерестовое качество этих грунтов также хорошее, содержание песчано-илистых фракций не превышает 5,9 %. Выживаемость горбуши в период эмбрионально-личиночного развития здесь оценивается в 85-91 %. Заметных различий в содержании частиц >1 мм, в отличие от грунтов р. Красносельской, здесь мы не выявили. Грунт с минимальным содержанием песчано-илистых фракций, был отобран нами на станции К04. Это связано с выполаживанием рельефа данного участка бассейна, а также неразвитостью интенсивной хозяйственной деятельности: обезлесенные территории составляют менее 0,5 % от площади вышележащей части бассейна, водоохранная лесная полоса разной мощности развита вдоль большей части реки.

Данные по характеристике грунтов, собранных в р. Анне представлены в таблице 3. Наилучшего качества грунты представлены именно в этой реке. Выживаемость икры горбуши здесь оценивается в среднем в 91 %. Отсутствие хозяйственной деятельности в бассейне обусловило сохранение девственной темнохвойной тайги, создающей оптимальные условия для естественного воспроизводства лососёвых (в виде «чистых» грунтов в частности), что сделало Анну уникальным водотоком по своей ихтиологической значимости.

Таблица 3 - Характеристика гранулометрического состава грунтов р. Анны _

-—.„Станция ПоказателЕ—-- АШ-С АЮ-в АЮ-в

>50, % 2,5 7,6 10,0

25-50, % 34,2 25,1 19,8

10-25, % 22,0 18,0 15,4

5-10, % 12,4 14,8 15,1

3-5, % 8,8 11,6 14,3

2-3, % 7,5 10,2 13,2

1-2, % 7,7 9,3 9,4

0,5-1, % 2,0 1,6 1,9

0,25-0,5, % 1,9 1,3 0,6

0,1-0,25, % 0,6 0,4 0,1

<0,1, % 0,4 0,1 0,0

<!,„*, мм 18,3 14,6 12,3

Кн 18,8 18,8 6,1

<1 мм, % 4,8 3,4 2,6

<1 мм*, % 4,9 3,7 2,9

Во всех собранных грунтах содержание фракции <0,25 мм очень мало и варьирует от 0,1 до 1 %. Набольшую прибавку фракции <1 мм дают крупный и средний песок (0,5-1 мм и 0,25-0,5 мм соответственно), поэтому понимание влияния лесного покрова на содержание этих фракций представляет наибольший интерес. Данное наблюдение справедливо для тех случаев заиления, когда хозяйственная деятельность не сопряжена с нарушением растительности и почвогрунтов непосредственно в пойме и

работами в русле, что происходит при прокладке трубопроводов через реки, строительстве мостов и т.д.

4.1.3 Связь между характеристиками лесного покрова и содержанием песчано-илистых частиц в речных грунтах

Участки речного бассейна, в разной мере удалённые от русла, вносят неодинаковый вклад в формирование стока наносов и, следовательно, по-разному влияют на процессы осадконакопления. В связи с этим важно выявить влияние произрастающих вдоль реки лесных полос различной ширины на формирование донных наносов относительно растительности всего бассейна, т.е. необходим поиск связей между содержанием мелких фракций в грунте и средневзвешенными характеристиками растительного покрова конкретной лесной полосы. Для корреляционного анализа из гранулометрических характеристик рассматривали следующие показатели: суммарное содержание частиц (%) менее 3 мм, 2 мм, 1 мм, содержание частиц 2-3 мм, 1-2 мм, 0,5-1 мм, 0,250,5 мм, 0,1-0,25 мм и менее 0,1 мм. К характеристике растительного покрова привлекали такие показатели как: облесённость территории (%), доля лесов с преобладанием хвойных пород (%), запас древесины (общий, хвойных, лиственных пород; м3/га), доля хвойных пород в общем запасе (%), абсолютная полнота (общая, хвойных, лиственных пород; м2/га), доля хвойных пород в общей полноте (%), сомкнутость древесного полога, средний возраст (лет), количество деревьев (общее, хвойных, лиственных пород; шт./га), возобновление (общее, всходов, подрост до 0,5 м высотой, от 0,5 до 1,5 м и выше 1,5 м; шт./га), мощность подстилки (см), проективное покрытие растительности в целом, подлеска, травяно-кустарничкового яруса и мохово-лишайникового яруса (%).

Ширина исследованных нами полос вдоль речного русла составила: 30, 100 и 200 м вдоль каждого берега, а также полоса всего бассейна.

Облесённость и доля лесов с преобладанием хвойных пород. Наиболее мелкие грунтовые фракции зависимости от облесённости и доли хвойных лесов не испытывают. Сама по себе облесённость ближайшей к руслу 30-метровой полосы, рассмотренная в отрыве от прочих характеристик растительности, не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на процессы заиления. Несмотря на то, что темнохвойные леса уменьшают поверхностный сток в 13-15 раз, в примыкающей к руслу 30-метровой лесополосе они произрастают редко, преимущественно в местах, незатронутых хозяйственной деятельностью, со слабовыраженной поймой, как то ООПТ «Река Анна», а также в труднодоступных верховьях рек.

Влияние облесённости наиболее чётко проявляется в 100-метровой полосе. Здесь мы наблюдаем обратную зависимость от содержания частиц менее 1 мм. Происходит это в первую очередь за счёт влияния на фракции крупного и среднего песка, попадающего в водоток в результате поверхностного смыва, объём которого увеличивается по мере уменьшения облесённости. 100-метровая полоса перекрывает большую часть речных террас малых рек, представляющих собой аккумулирующий природно-территориальный комплекс, и оптимальным образом способствует переводу поверхностного стока, который может поступать с вышележащих необлесённых территорий, в почвенный и грунтовый.

Кроме того, на залесённых территориях происходит замедленное таяние снега по сравнению открытыми площадями, задержание осадков и создание условий для увеличения грунтового питания рек. Это сглаживает режим рек, в частности, снижая максимальные расходы воды (Молчанов, 1960; Клинцов, 1973; Идзон, 1980; Воронков, 1988 и др.), тем самым уменьшая развитие русловой эрозии. Названный фактор в сочетании с берегозащитной ролью лесов, растущих непосредственно вблизи береговой линии, уменьшает интенсивность береговой эрозии и размывания берегов. Отметим, что важность берегозащитных лесов и защитной лесополосы увеличивается по мере удаления от истока и появления поймы, сложенной легко разрушающимися аллювиальными отложениями, т.к. с этим связано возрастание интенсивности береговой эрозии (Клинцов, 1973).

Доля лесов с преобладанием хвойных пород в 200-метровой полосе оказывает заметное влияние на фракции грубого песка и мелкого гравия, особенно на фракцию 2-3 мм. Несмотря на утверждение некоторых авторов о негативном влиянии фракций <3 мм на развитие икры горбуши (Шершнёв, Ардавичус, 1994), мы, склонны считать, что подобным эффектом обладают фракции <1 мм, т.к. фракции 1-2 мм и 2-3 мм широко представлены в обследованных грунтах р. Анны, исключительное нерестовое качество которых было отмечено ранее.

Запас и полнота древостоя. В связи с тем, что запас древостоя напрямую связан с полнотой, оценку их влияния на состояние грунта осуществляли в совокупности. Нами установлено, что за исключением двух случаев, распределение значимых коэффициентов корреляции симметрично. Теснота полученных связей для значений запаса выше, поэтому именно эти данные были взяты за основу анализа.

При анализе связей между запасом и содержанием фракций <3 мм выявлено, что содержание фракций 2-3 мм связано с лесами, произрастающими в 200-метровой полосе. Отчётливо прослеживается

противоположное влияние лиственной и хвойной частей древостоя: при увеличении доли хвойных и уменьшении доли лиственных деревьев в общем запасе древесины увеличивается содержание фракции 2-3 мм в грунте. Выяснение причин такой закономерности требует дополнительных исследований, однако мы сочли возможным выдвинуть следующую рабочую гипотезу. Ключевую роль в указанном различии играет дифференцированное влияние хвойных и лиственных насаждений на режим стока: увеличение расходов воды в периоды избыточного увлажнения водосбора (в первую очередь во время половодий) наблюдается в реках по мере уменьшения доли хвойных в составе лесов. Наиболее крупные фракции речного грунта формируются за счёт русловой эрозии. Резко возрастающая вслед за расходом воды транспортирующая способность потока инициирует денудацию мелкого гравия. Аналогичные зависимости не выявлены для частиц <1 мм в связи с тем, что они поступают в русло в большем объёме и гораздо легче переносятся речным потоком.

Сомкнутость и возраст древостоя, количество деревьев и проективное покрытие. Подрост. Сомкнутость древесного полога, как и средний возраст деревьев часто указываются авторами в качестве признаков древостоя, влияющих на водоохранные и защитные свойства насаждения, но такой параметр, как количество деревьев, не учитывается. Однако корреляционный анализ, проведенный нами, показывает высокую степень обратной связи между содержанием частиц 1-3 мм в речных грунтах и количеством лиственных деревьев в древостое. Наибольшая степень обнаруженной связи прослеживается для 100 и 200 метровых полос вдоль берегов. При этом количество лиственных (в отличие от хвойных) напрямую связано с общим количеством деревьев (по разным участкам бассейна уровень связи варьирует от 0,71 до 0, 91).

Между средним возрастом древостоя и содержанием фракции 2-3 мм в грунтах обнаружена прямая связь, которая выражена по каждому из рассматриваемых участков бассейна, достигающая наибольших значений в 100-метровой полосе.

Сомкнутость древесного полога также имеет положительную связь с содержанием частиц 1-3 мм в речных грунтах. Для фракций <1 мм прослеживается отрицательная корреляция с содержанием частиц <0,1 мм и 0,1-0,25 мм. Причём сомкнутость полога связана с содержанием фракции <0,1 мм в пределах 30-метровой полосы, а с фракцией 0,1-0,25 мм - начиная со 100-метровой полосы.

Связей между гранулометрическим составом речных грунтов и проективным покрытием травяно-кустарничкового яруса не выявлено.

Общее проективное покрытие растительностью в пределах 100 и 200-метровых полос коррелирует с содержанием частиц 0,25-0,5 мм (обратная связь), т.к. растительный покров создаёт комплекс условий, препятствующих развитию поверхностного стока и склоновой эрозии: посредством перехвата осадков, укрепления верхних слоёв почвы и формирования её защитных свойств и т.д.

Проективное покрытие подлеском обнаруживает статистически значимые положительные связи с содержанием частиц 1-3 мм. Обращают на себя внимание отрицательные связи между проективным покрытием мохово-лишайниковым ярусом и содержанием фракций 0,25-0,5 и 0,5-1 мм. Значимых величин коэффициенты корреляции достигают в пределах 30 и 100-метровых полос. Очевидно, непосредственно мохово-лишайниковый ярус влияния на гранулометрический состав речных грунтов не оказывает, но степень проективного покрытия им является индикатором, отражающим то состояние растительного покрова, при котором под пологом леса создаётся комплекс микроклиматических и гидрологических условий для минимального заиления. Развитие мохово-лишайникового яруса происходит по мере увеличения возраста, полноты и запаса древесины хвойных в эдификаторной синузии.

Выявлено, что индикатором влияния лесных фитоценозов на заиление речных грунтов является подрост. Значимые отрицательные корреляционные связи обнаружены между содержанием частиц <0,1 мм и количеством всходов древесных пород в 30, 100 и 200-метровых полосах, а также между общим содержанием частиц <1 мм и численностью подроста <0,5 м высотой в 30 и 100-метровых полосах. Всходы и подрост <0,5 м высотой нами обнаружены на большинстве пробных площадей в высокополнотных темнохвойных лесах.

4.1.4 Кислотность рек

На уровень кислотности рек влияет валёж (преимущественно елово-пихтовый на разных стадиях разложения), способствующий слабому подкислению речных вод. При гниении коры, древесины и хвои темнохвойных пород увеличивается поступление кислот в почвенно-грунтовые вод, что обусловливает небольшое увеличение содержание катионов водорода в реках.

4.1.5 Модуль наносов

Отмечена тенденция увеличения модуля наносов при утоньшении лесной подстилки в 200-метровой полосе, что говорит о высокой водоохранной ценности лесных подстилок.

4.2 Влияние растительности на годовую динамику мутности малых водотоков

Исследования по влиянию растительности и нарушений в бассейнах на годовую динамику мутности проводили на экологических профилях, заложенных вдоль двух водотоков. Вдоль р. Ай заложены станции А1 (окружённая преимущественно вторичными темнохвойными лесами), А2 (окружённая вторичными мелколиственными лесами) и АЗ (на месте пересечении трассы нефтегазопроводов и речного русла), вдоль постоянного горного ручья, стекающего по южному склону горы Лысой (Сусунайский хребет), заложены станции (окружённая темнохвойным массивом) и Б2 (на пересечении ручья и старой японской дороги на п. Лесное).

Воды станции А1, окружённой темнохвойными лесами, в абсолютном большинстве случаев характеризуются меньшей мутностью. Мощная подстилка, характерная для темнохвойных лесов, структура и влагоёмкость лесных почв, задержание осадков кронами деревьев и др. процессы обусловливают значительное снижение поверхностного стока и эрозионных процессов. В меженный период в холодное время года мутность на станции А1 в 1,5 раза ниже, чем на станциях А2 и АЗ. На станции А2 мутность в 40% измерений выше, чем на станции АЗ, следовательно подобные мелколиственные прирусловые лесные сообщества не оказывают заметного противоэрозионного эффекта.

По результатам гранулометрического анализа грунтов, собранных на станциях, а также на 30 и 300 м ниже станции АЗ установлено, что наименьшее содержание фракций <1 мм, как и содержание взвешенных частиц в воде, характерно для проб станции А1. Ниже по течению по мере антропогенной деградации растительного покрова, содержание песчано-илистых фракций в грунтах возрастает, достигая максимума через 30 м после пересечения трубы и трассы трубопроводов. Зафиксированное здесь заиление в 17,1 % снизит выживаемость икры лососей на 29 % относительно станции А1 и на 26 % относительно станции А2. Через 300 м вниз по течению от станции АЗ, на станции А5 уровень заиления уменьшается на треть.

Средняя мутность вод станции 81 составила 1,4мг/л (не превышала 5 мг/л), станции 82 - 6,7 мг/л.

Глава 5. Продолжительность влияния нарушений растительного покрова на заиление речных грунтов

Продолжительность воздействий нарушений растительного покрова бассейнов на состояние поверхностных вод не получила однозначной оценки

со стороны учёных, т.к. для этого необходимо учитывать как характер и степень нарушения, так и комплекс физико-географических и биотических особенностей обследуемого участка.

5.1 Влияние прокладки нефтегазопроводов

Наибольшее антропогенное воздействие на природу Сахалина последних лет связано с реализацией проекта «Сахалин-2». При расчёте ущерба, наносимого прокладкой нефтегазопровода рыбному хозяйству, продолжительность восстановления нерестилищ учёными ФГУП «ВНИРО» была оценена в один-два (1-2) года (Ефанов и др., 2013а). Наши исследования показывают, что негативное воздействие продолжается поныне, спустя 6 лет. Строительство переходов трубопровода через реки было осуществлено двумя основными методами: траншейным (через большую часть рек) и горизонтально-направленным бурением (через несколько крупных рек).

Оба способа прокладки были применены в 2006 г. на двух протекающих рядом и схожих в физико-географическом отношении реках: р. Ай (трубопровод проложен траншейным методом) и р. Фирсовке (трубопровод проложен методом горизонтально-направленного бурения). Эти реки были использованы для оценки влияния различной степени нарушений растительного покрова в прирусловой зоне на заилённость речных грунтов. Отбор проб производили на Зх станциях: 300-500 м выше места пересечения (Р1 для р. Фирсовки и А2 для р. Ай), на месте пересечения (¥2 для р. Фирсовки и АЗ для р. Ай) и 300-500 м ниже (БЗ для р. Фирсовки и А5 для р. Ай).

Содержание частиц <1 мм за годы исследований не превышало средних значений по острову и составило в среднем 3,3 %, 5,7 % и 5,2 % на станцях И1, ¥2 и БЗ соответственно (рис. 5). Столь низкие значения заиления грунтов станции обусловлено слабой хозяйственной освоенностью бассейна р. Фирсовки, облесёного более чем на 85 % преимущественно темнохвойными лесами. Несколько большее заиление на станциях ¥2 и ИЗ, несмотря на использование горизонтально-направленного метода прокладки трубопроводов, объясняется возросшей, вследствие обезлесивания полосы землеотвода, эрозией почв. Наилок вдоль берегов отсутствует.

Различия в содержании песчано-илистых фракций в грунтах р. Ай более существенны (рис. 5). Средние показатели для станций А2, АЗ и А5 -6%, 15,9% и 7,1 % соответственно. По сравнению с фоновыми данными (А2) очевидно почти трёхразовое превышение содержания песчано-илистых фракций в грунтах на месте пересечения реки и трассы трубопроводов, свидетельствующее об антропогенном характере заиления грунтов, максимальное значение которого может вызвать 45%-ную смертность икры. По краям русла нами отмечены слои наилка толщиной до 10-12 см.

Рис. 5. Кривые содержания частиц <1 мм в грунтах рек Ай и Фирсовка.

По оси абсцисс отложены годы, по левой оси ординат - содержание частиц <1 мм (%), по правой - кол-во осадков с июня по октябрь (мм).

Общие тенденции обнаруживаются для станций, не примыкающих непосредственно к местам нарушений, они обусловлены флуктуациями количества осадков, выпадающих в период с июня по октябрь. При увеличении количества осадков в летне-осенний период возрастает речной сток, увеличивается транспортирующая способность потока и возрастает крупность транспортируемых наносов. Вследствие этого происходит вынос мелкодисперсных фракций из грунтов, и содержание их уменьшается.

Увеличение содержания песчано-илистых фракций в грунтах станции АЗ обусловлено низкой эффективностью противоэрозионных работ.

Полагаем, что существенного уменьшения содержания песчано-илистых фракций в грунтах следовало бы ожидать через 15-20 лет, по мере восстановления лесного покрова, однако правила эксплуатации наземных нефтегазопроводов предполагают уничтожение древесного подроста на полосе землеотвода. В связи с этим рекультивацию целесообразно проводить не только травянистыми растениями (которые зачастую не свойственны нативной флоре и не приживаются в местных условиях), но и кустарниками и полукустарниками.

5.2 Влияние старых вырубок

Анализ особенностей бассейна, окружающего наиболее «чистые» речные грунты свидетельствует, что для создания оптимального противоэрозионного эффекта на крутых горных склонах необходимо поддерживать 100%-ную облесённость водоохранной зоны, создавать высокополнотные елово-пихтовые лесные массивы вдоль русла. При этом негативные последствия лесозаготовок могут быть минимизированы лишь в течение 30-35 лет и полностью устранены через 50-70 лет. В противном

случае негативные последствия лесозаготовок будут проявляться, пока указанные условия не разовьются естественным (в результате сукцессии) путём, на что могут уйти сотни лет.

Минимизация последствий лесозаготовок на более пологих склонах и на равнинных участках происходит при полной облесённости водоохранной зоны сообществами, в которых хвойные породы составляют не менее 60 % запаса.

Необходимость содействия естественному лесовозобновлению и создания культур весьма актуальна в связи с тем, что более Уз вырубок совершенно не восстанавливаются лесом, а около 40 % восстанавливается со сменой пород. В большей степени это свойственно лесам южной части Сахалина, где естественное восстановление темнохвойной растительности протекает в основном через смену пород, что в целом свойственно для ели и пихты. На севере острова менее половины лесов возобновляется указанным путем. Кроме того, за вырубками зачастую следуют пожары (Бюллетень..., 1956; Власов, 1959; Манько, 1987; Таран, 2003; и др.), в которых гибнет и подрост, и семенной фонд.

ВЫВОДЫ

1. Ухудшение количественных и качественных характеристик лесного покрова по мере его антропогенной деградации отрицательно сказывается на состоянии малых рек, нарушая гидрологический режим и негативно влияя на гидрологические характеристики.

2. На мутность вод и уровень заилённости речных грунтов оказывает влияние не только степень облесённости бассейна, но и состояние лесного покрова, его таксационные особенности. Зависимость гидрологических характеристик от лесного покрова определяется спецификой трансформации осадков различными лесными сообществами, которая обусловливает интенсивность как русловой, так и склоновой эрозии.

3. На основе рангового корреляционного анализа показано, что характеристики лесного покрова оказывают наибольшее влияние на содержание фракций 1-3 мм в речных грунтах. При увеличении площадей хвойных лесов, а также количества, полноты и запаса хвойных деревьев в древостое доля этой фракции увеличивается. Противоположные тенденции проявляются по отношению к лиственным породам в составе древостоя.

4. Основное влияние на содержание фракций <1 мм и мутность вод малых рек оказывает лесополоса шириной 100 м от береговой линии по обе стороны от реки. Установлена отрицательная связь между заилённостью

и облесённостью в 100-метровой и полнотой хвойных в 30-метровой полосах. В целом мутность и заилённость ниже на участках, окружённых темнохвойными формациями. Уменьшение толщины подстилки в лесах 200-метровой зоны приводит к увеличению стока взвешенных наносов. Нарушения растительного покрова в непосредственной близости от русла ведут к увеличению доли частиц <0,25 мм в общем заилении.

5. Индикаторами влияния лесных фитоценозов на заиление речных грунтов являются численность подроста и проективное покрытие мохово-лишайниковым ярусом. При увеличении численности всходов и подроста <0,5 м высотой, равно как и проективного покрытия мохово-лишайниковым ярусом степень заилённости речных грунтов уменьшается. Высокие значения этих показателей отмечены только в темнохвойных лесах.

6. Негативное влияние нарушений растительности в непосредственной близости от русла может быть минимизировано только по мере восстановления сообществ, соответствующих местным лесорастительным условиям. Это влияние значительно увеличивается, если в процессе нарушения были повреждены верхние горизонты почвы.

7. На крутых горных склонах с нарушенной растительностью необходимо создавать полностью облесённые защитные лесные полосы из высокополнотных хвойных лесов. На более пологих склонах и равнинных участках необходимо создавать лесные массивы, в которых хвойные породы будут составлять не менее 60 % запаса.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кордюков A.B. Особенности возрастной структуры вторичных темнохвойных лесов острова Сахалина / A.B. Кордюков, В.Н Ефанов., JI.H. Баранчук-Червонный // Вестник ВГУ, серия: Химия, Биология, Фармация, 2012, №2. С. 152-159.

2. Кордюков A.B. Корреляционные отношения между микроклиматическими показателями в различных фитоценозах юга Сахалина / В.Н. Ефанов., A.B. Кордюков, Г.Н. Романова, К.Э. Михайлова, К.Е. Бянкина // Фундаментальные исследования, 2013, № 6 (часть 2). С. 98-102.

3. Кордюков A.B. Влияние прокладки нефтегазопровода на состояние речного биотопа и беспозвоночных гидробионтов / К.Е. Бянкина, Д.С. Даирова, В.Н. Ефанов, A.B. Кордюков, Г.Н. Романова, К.Э. Михайлова // Фундаментальные исследования, 2013, № 4 (часть 3). С. 635-639.

4. Кордюков A.B. Динамика содержания мелкодисперсных фракций в грунтах водотоков, пересекаемых трассой нефтегазопровода на Сахалине / В.Н. Ефанов, A.B. Кордюков, Г.Н. Романова, К.Э. Михайлова, К.Е. Бянкина // Фундаментальные исследования, 2013, № 4 (часть 3). С. 640-645.

5. Кордюков A.B. Влияние траншейного и горизонтально-направленного методов прокладки нефтегазопровода на состояние фитоценозов в бассейнах рек Ай и Фирсовка Долинского района / Г.Н. Романова, В.Н. Ефанов, A.B. Кордюков, К.Э. Михайлова, К.Е. Бянкина // Фундаментальные исследования, 2013, № 4 (часть 3). С. 655-659.

6. Кордюков A.B. Структура древостоя темнохвойного леса Южного Сахалина / J1.H. Баранчук-Червонный, A.B. Кордюков // Вестник СВНЦ ДВО РАН, 2013, № 1. С. 81-86.

Список основных публикаций по теме диссертации

7. Кордюков A.B. Атлас сосудистых растений окрестностей Южно-Сахалинска / A.B. Петухов, A.B. Кордюков, Л.Н. Баранчук-Червонный. Южно-Сахалинск: Эйкон, 2010. 220 с.

8. Кордюков A.B. Годовая динамика влажности и температуры почв в различных фитоценозах водоохранной зоны малых водотоков юга Сахалина // Международное научное издание «Современные фундаментальные и прикладные исследования». № 3. Кисловодск, 2011. С. 109-113.

9. Кордюков A.B. Предварительные результаты исследования годовой динамики мутности малых водотоков юга Сахалина /

A.B. Кордюков, В.Н. Ефанов // Современные научные исследования на Дальнем Востоке: материалы молодёжного научного симпозиума; 4-7 октября 2011 г., Южно-Сахалинск: Изд-во ИРОСО, 2012. С. 169-173.

10. Кордюков A.B. Сравнительная характеристика микроклимата фитоценозов в системе водосборной площади реки Ай / A.B. Кордюков, К.Э. Михайлова // Ломоносов-2012: XIX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных: Секция «Биология»; 9-13 апреля 2012 г., Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет: Тезисы докладов. С. 302.

11. Кордюков A.B. Влияние растительности бассейнов на годовую динамику мутности малых водотоков юга Сахалина / A.B. Кордюков,

B.Н. Ефанов, Г.Н. Романова, К.Э. Михайлова, К.Е. Бянкина // Успехи современного естествознания: материалы Международных научных конференций. № 3. Москва, 2013 г. С. 125-130.

Отпечатано в ООО «Копи-центр «Исток» Печать цифровая, с готового оригинал- макета. Заказ № 16921 от 10.09.2013 г. Тираж 100 экз. Пр-т Революции, 58 Тел. 473 261-49-90 E-mail: s_omk@mail.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кордюков, Александр Владимирович, Южно-Сахалинск

Сахалинский государственный университет

На правах рукописи

04201361808

Кордюков Александр Владимирович

Влияние лесного покрова водосборов на гидрологические характеристики малых рек юга Сахалина

03.02.08-Экология

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., проф. В.Н.Ефанов

Южно-Сахалинск -2013

Содержание

Введение..................................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор исследований по гидрологической роли растительных сообществ...............................................................................................................................................9

1.1 Краткая история изучения гидрологической роли растительных сообществ...............................................................................................................................................9

1.2 Роль растительных сообществ в формировании гидрологических характеристик малых рек, важных для речного периода жизни тихоокеанских лососей..................................................................................................................13

1.2.1 Проходные виды тихоокеанских лососей и необходимые им гидрологические условия......................................................................................................14

1.2.2 Формирование донных отложений и стока взвешенных наносов.....................................................................................................................................-...........20

1.2.3 Влияние растительности на формирование гидрологических характеристик малых рек.........................................................................23

1.2.4 Влияние лесозаготовок на реки..............................................................28

1.2.5 Об использовании водоохранных лесных полос............................29

Глава 2. Природные условия района исследований.........................................................35

2.1 Орографическая характеристика.............................................................................3 5

2.2 Климатические условия...............................................................................................37

2.3 Флора и растительность 38

2.4 Лесной фонд......................................................................................................................42

2.5 Почвы...................................................................................................................................45

2.6 Речная сеть 47

2.7 Нерестилища тихоокеанских лососей...................................................................49

Глава 3. Методы исследований..................................................................................................51

3.1 Методики проведения геоботанических описаний..........................................51

3.2 Методики измерения гидрологических характеристик.................................52

Глава 4. Влияние растительного покрова на гидрологические

характеристики малых рек...........................................................................................................55

4.1 Изменение гидрологических характеристик рек в зависимости от особенностей лесного покрова бассейнов.............................................................................55

4.1.1 Характеристика лесного покрова бассейнов....................................56

4.1.2 Характеристика речных грунтов...........................................................62

4.1.3 Связь между характеристиками лесного покрова и содержанием песчано-илистых частиц в речных грунтах.............................................69

4.1.4 Кислотность рек............................................................................................78

4.1.5 Модуль наносов.............................................................................................79

4.2 Влияние растительности на годовую динамику мутности малых

водотоков.............................................................................................................................................80

Глава 5. Продолжительность влияния нарушений растительного покрова на заиление речных грунтов........................................................................................................90

5.1 Влияние прокладки нефтегазопроводов...............................................................91

5.2 Влияние старых вырубок.............................................................................................96

Выводы.................................................................................................................................................99

Список литературы........................................................................................................................101

Введение

Актуальность работы. Ещё в начале прошлого века Сахалин преимущественно был покрыт лесами. Однако в связи с тем, что с начала хозяйственного освоения острова лесная отрасль была одной из основных в сахалинской экономике, к настоящему врнмени вырублено около 85 % девственных лесов. Такова же и общемировая тенденция. Естественная саморегуляция и восстановление многих лесных сообществ в результате антропогенного вмешательства стали невозможны или затруднены (Динамика..., 2004).

На протяжении всего периода хозяйственного освоения острова характер лесопользования был далёк от рационального, а меры содействия естественному возобновлению малоэффективны (Клинцов, Идрисов, 1961). Зачастую за рубками следовали пожары, а обезлесенные территории использовали в качестве сельхозугодий. На вырубках, особенно в прирусловой зоне, сформировались (и формируются) малоценные мелколиственные лесные сообщества. Их водоохранные и защитные свойства значительно отличаются от таковых в сообществах, соответствующих местным лесорастительным условиям, т.е. в характерных для большей части Сахалина темнохвойных лесах.

Ухудшение защитных свойств лесов сопровождается интенсификацией эрозионных процессов на водосборе и в речном русле и провоцирует увеличение содержания взвешенных частиц в воде1. Они влияют на характер меандрирования, профиль русла и качественный состав речного грунта (Леман, Кляшторин, 1987; Сурков, 2010; Sullivan et al., 1987; и др.). Именно отфильтровывающиеся в речном грунте частицы обусловливают процессы заиления грунтов, оказывая влияние и на состав речного сообщества, и, что

1 Здесь и далее для обозначения содержания взвешенных частиц в воде, выраженного в весовых единицах, используем более распространённый синонимичный термин «мутность».

особенно актуально для Сахалинской области, - на успешность естественного воспроизводства тихоокеанских лососей.

Вопрос влияния растительности бассейнов на заиление речных грунтов с точки зрения детального рассмотрения сообществ в научной литературе не раскрыт. Большая же часть работ посвящена влиянию лесистости на режим и объём стока, гидрологическим характеристикам тех или иных сообществ, а также влиянию рубок леса на твёрдый сток и заиление нерестилищ.

Этим обусловлена актуальность оценки воздействия фитоценозов, произрастающих в речных бассейнах, на исследуемые гидрологические характеристики водотоков.

Объекты исследований - несколько бассейнов малых рек на юге Сахалина, выбранных в качестве модельных водотоков. Основные исследования по оценке влияния лесов водосборов на гидрологические характеристики малых рек проводили в 2012 г в бассейнах рек Анны, Комиссаровки и Красносельской, где исследовали лесной покров и проводили гидрологические измерения. Работы по изучению влияния растительности на годовую динамику мутности проводили в 2011-2012 гг. в двух экологических профилях, заложенных вдоль русел р. Ай и безымянного горного ручья-притока р. Рогатки. Также на станциях в пределах этих экологических профилей проводили измерения микроклиматических характеристик для уточнения механизмов влияния растительности на реки. Работы по оценке влияния трассы трубопроводов, проложенной сравнительно недавно и различными способами, на заиление грунтов и идут с 2006 г в бассейнах рек Ал и Фирсовка.

Цель работы - оценить влияние в различной степени нарушенной лесной растительности, произрастающей в бассейнах малых рек юга Сахалина, на содержание песчано-илистых фракций в грунтах и мутность воды.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1) раскрыть физико-географическую обусловленность формирования твёрдого стока и донных наносов малых горных рек для определения степени влияния на них биотических факторов;

2) исследовать влияние лесных сообществ, их особенностей и распределения в бассейнах на гранулометрический состав речных грунтов;

3) выявить зависимость годовой динамики мутности водотоков от окружающей бассейновой растительности;

4) провести мониторинг влияния нарушений в прирусловой зоне (на примере различных способов прокладки трассы трубопровода) на заиление речных грунтов.

Положения, выносимые на защиту:

1) Растительность бассейнов малых горных рек юга Сахалина, в первую очередь, водоохранных лесных полос, оказывает существенное влияние на содержание песчано-илистых фракций в речных грунтах и мутность воды.

2) Состояние и особенности лесного покрова (общая облесённость, запас и полнота хвойных деревьев, толщина подстилки, проективное покрытие мохово-лишайниковым ярусом) посредством влияния на интенсивность эрозионных процессов являются важным критерием качества нерестилищ лососёвых в малых реках.

3) По мере восстановления растительных сообществ, соответствующих местным лесорастительным условиям, минимизируется негативное влияние нарушений растительности в непосредственной близости от русла.

Научная новизна: впервые показано влияние особенностей лесного покрова на гидрологические характеристики малых рек, важные для эмбрионально-личиночного этапа развития лососёвых; установлена связь между содержанием в речных грунтах фракций <3 мм и таксационными характеристиками лесного покрова.

Практическая значимость. Полученные результаты вносят вклад в развитие лесной экологии, уточняют механизмы и особенности взаимодействий в системе «лес-река»; позволяют проследить происходящие по мере

антропогенной деградации растительного покрова изменения мутности воды, гранулометрического состава грунтов малых водотоков юга Сахалина, определить, какие именно растительные сообщества и их сочетания в бассейне оказывают положительное или негативное влияние на гидрологические характеристики рек; какова степень этого влияния; какие именно особенности растительности можно использовать в качестве индикатора влияния фитоценозов на водную среду; какие мероприятия способствуют минимизации сроков восстановления нерестилищ. Это необходимо для разработки конкретных рекомендаций по лесовосстановлению, охране лесов, расположению рыбоводных заводов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на молодёжном научном симпозиуме «Современные научные исследования на Дальнем Востоке» (Южно-Сахалинск, 2011), XIX Международной конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2012» (Москва, 2012), Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения окружающей среды» (Тенерифе, 2013).

Всего по теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 6 в журналах, рецензируемых ВАК РФ.

Личный вклад автора. Работа выполнена на базе Естественнонаучного факультета Сахалинского государственного университета. Разработка программы исследований, сбор и анализ большей части полевого материала выполнены автором.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы. Текст изложен на 120 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 198 источников, в том числе 25 на иностранном языке.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность за методическую помощь и критические замечания научному руководителю д.б.н., проф. В.Н. Ефанову. Автор благодарит за консультации д.г.н.

Б.И. Гарцмана, к.б.н. Н.К. Кожевникову, д.б.н. П.В. Крестова, д.б.н. Ю.И. Манько, Р.Н. Сабирова, к.с.-х.н. В.А. Чувилину, к.г.н. В.В. Шамова, а также сотрудников и студентов Естественнонаучного факультета СахГУ за помощь и поддержку. Часть исследований осуществлена при поддержке гранта Правительства Сахалинской области молодым учёным 2012 г. и гранта научно-исследовательских проектов в рамках реализации программы стратегического развития СахГУ.

Глава 1. Обзор исследований по гидрологической роли растительных сообществ

1.1 Краткая история изучения гидрологической роли растительных сообществ

Средообразующую и защитную функции лесов сложно переоценить. Рациональное лесопользование - одна из наиболее эффективных мер регулирования гидрологического режима, предотвращения паводков и образования твёрдого стока (Клинцов, 1979), поскольку растительность является одним из немногих природных факторов, которые препятствуют развитию эрозионных процессов (Щепаченко, 1991).

На водоохранные функции лесов обратили внимание в глубокой древности. Ещё в XVII в до н.э. вавилонский царь Хаммурапи в законах о водопользовании велел вести охрану лесов. Известно, что о противоэрозионной роли лесов говорили также древнеримские, древнегреческие и древнекитайские мыслители (Рахманов, 1975).

Однако с научной точки зрения гидрологическая роль лесов рассматривается в течение последних двух столетий и посвящена она, в первую очередь, влиянию леса на сток рек. М.Р. Широкова, проводившая исследования в бассейнах горных рек Хабаровского края, ставит лес на второе место после суммы осадков в ряду различных стокоформирующих факторов (по: Жильцов, 2008).

Несмотря на многочисленные исследования как отечественных, так и зарубежных учёных, в вопросе о характере влияния леса на речной сток нет единого мнения - разные учёные склоняются как в сторону прямой пропорциональности между стоком и лесистостью водосборов, так и в сторону обратной. Некоторые исследователи придерживаются мнения, что обе указанные тенденции имеют место (Молчанов, 1960; Субботин, 1970; Рахманов, 1975; Клинцов, 1979; Идзон, 1980; Воронков, 1988; Жильцов, 2008; и др.).

Часть авторов либо вообще не рассматривают влияние леса на речной сток, либо отрицают его влияние. Например, И.С. Фёдорова в работе «Зональные и азональные факторы стока на территории Сахалина» (1962а) не упоминает растительный покров, сосредотачиваясь исключительно на влиянии климатических факторов в зональном аспекте и эдафо-орографических в азональном. В другой же своей работе (Фёдорова, 19626) она упоминает, что вырубка лесных массивов в бассейнах стала одной из причин увеличения стока в двух гидрологических районах острова.

И.Н. Гарцман и С.Д. Силукова (1973) вообще отрицают какое-либо влияние растительности сахалинских бассейнов на водный баланс, указывая, что эта ситуация является лишь региональной. К подобным выводам приходили и другие авторы (Л.Д. Курдюмов, И.С. Лавриков, В.В. Нефёдова, И.Ф. Монастырский), однако они признавали необходимость постановки специальных исследований для уточнения данного вопроса (Клинцов, 1979). Однако А.Н. Канидьев, С.А. Салмини Е.А. Семёнова (1970) указывают на прямую зависимость модуля стока сахалинских рек от величины облесённости бассейна, отмечая, что в маловодные годы лес увеличивает водность рек. При этом влияние вырубок может существенно отличается для рек с различной водностью (Ершова, Петенков, 1989).

В этой связи интересны наблюдения зарубежных коллег. Б.Дж. Хикс, Р.Л. Бешта и Р.Д. Харр (Hicks, Beschta, Harr, 1991) отмечают непродолжительное повышение годового стока по мере увеличения вырубаемой площади на горных водосборах, покрытых девственной тайгой.

Однако практически все авторы сходятся на том, что изменение облесённости водосбора влияет на годовое распределение речного стока в сторону сглаживания последнего при увеличении доли лесопокрытой площади.

Более того, в одной из своих последних работ A.A. Молчанов (один из ведущих и наиболее авторитетных отечественных лесных экологов) писал: «Водоохранные свойства леса должны заключаться... не в увеличении речного

стока, а в уменьшении поверхностного и за счёт увеличения вследствие этого запасов подземных вод» (цит. по: Воронков, 1988, с. 21).

Что же касается разногласий по вопросу влияния лесистости на сток, то П.Ф. Идзон (1980) считает, что это связано с неодинаковым уровнем и точностью исследований. H.A. Воронков (1988) связывает разногласия как с отсутствием единого терминологического и методологического аппарата, так и с географическими различиями исследованных районов.

По нашему мнению обе указанные причины могут иметь место. Но необходимо подчеркнуть, что разногласия также могут быть связаны с использованием понятия «лесистость», уравнивающего разноценные по своей гидрологической роли лесные формации, что не вполне корректно. На это же указывает и А.Н. Субботин (1970). П.Ф. Идзон (1980) отмечает, что специалисты, занимающиеся экологией леса, также возражали против использования данных по лесистости территории в качестве полновесного аргумента для характеристики водоохраной роли леса.

Исследования, посвященные влиянию распределения растительности на водосборе на сглаживание водного режима, проводил А.Д. Дубах (1951). Он разработал несколько схем размещения лесов на водосборах рек и пришёл к выводу, что наилучшим образом весенние паводки сглаживаются при облесённой верхней половине водосбора и безлесной нижней. Однако приведённые им теоретические выкладки не лишены ряда весьма существенных недостатков, раскрытие, которых, однако, не связано напрямую с данным исследованием. Тем не менее, идея A.B. Лебедева (1982) о том, что полностью облесённый водосбор наи�