Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние лесов и их антропогенных изменений на водный баланс таежной зоны Республики Коми

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние лесов и их антропогенных изменений на водный баланс таежной зоны Республики Коми"

Р Г Б О Д На ^^ рукописи

~ 2 С!'.Т 1935

Братцев Сергей Адольфович

ВЛИЯНИЕ ЛЕСОВ И ИХ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НА ВОДНЫЙ БАЛАНС ТАЕЖНОЙ ЗОНЫ РЕСПУБЛИКИ КОМИ

Специальность 11.00.07 -Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук.

Санкт-Петербург ' 1995

Работа выполнена в Институте биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор географических наук С.Ф.Федоров кандидат технических наук А.П. Вершинин

Ведущая организация - Санкт-Петербуржский научно-исследовательский институт лесного хозяйства

О Г JJ сс

Защита состоится "¿/6 «û/с/->?jt)/jJ 1995 г. в ''' час. на заседании диссертационного совета Д. 024.03.01. в Государственном Гидрологическом институте по адресу: 199053, Санкт-Петербург, 2 линия, дом 23. Факс: (812) 213-10-28

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Государственного гидрологического института.

Автореферат разослан ". "Cé/Wt^k О А? 1995 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета, к. г.н. ' Н.А.Лемешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Проблема воздействия человека на состояние водных ресурсов и их режим сегодня весьма актуальна. Некоторые аспекты этой проблемы раскрываются в диссертации. Главное внимание уделяется условиям формирования водного баланса на лесных водосборах таенной зоны Республики Коми с учетом длительного антропогенного воздействия на них. Исследования в этом направлении имеют большое научное и практическое значение и позволяют дать количественную оценку влияния лесохозяйственной деятельности на водность рек, что крайне важно при водохозяйственном планировании и прогнозировании.

Цель исследований. Оценка влияния леса и его антропогенных изменений на водный баланс водосборов таежной зоны северо-востока Европейской территории России и на ее' основе составление прогноза изменения речного стока на перспективу.

Задачи исследований:

- показать формирование элементов водного баланса на лесных водосборах Европейского северо-востока России при изменении лесов под влиянием деятельности человека;

- дать количественную оценку задержания атмосферных осадков кронами деревьев в различных по продуктивности лесах;

- дать количественную оценку влияния леса на испарение, валовое увлажнение и речной сток;

- показать структуру водного баланса по различным подзонам тайги;

- дать прогноз изменения речного стока на перспективу в связи с антропогенными преобразованиями леса на водосборах.

Научная новизна работы.

1. В работе осуществлен новый научно-методический подход к решению проблемы влияния леса на водный баланс и речной сток, основанный на использовании такого комплексного показателя состояния леса - как продуктивность древостоев.

2. На основании теоретических положений и по результатам наблюдений, проведенных различными учеными в разных регионах России, а также полевых исследований , предложена оригинальная методика определения задержания лесами атмосферных осадков и дана количественная оценка задержания атмосферных осадков кронами деревьев.

3. Впервые приводятся взаимосвязи суммарного испарения, валово-

го увлажнения, речного стока с продуктивностью древостоев на тер-ритрии Республики Коми. На основании полученных зависимостей . дается их количественная оценка.

4. Впервые дается прогноз изменений речного стока на перспективу с учетом объемов заготовок леса на изучаемой территории.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Основные результаты исследовний по рассматриваемой теме могут быть использоаны для решений практических задач. Связанных с оценкой изменения речного стока под влиянием лесохозяйственных мероприятий, в том числе и для решения вопроса об оптимизации плана лесохозяйственных мероприятий на водосборах. Выполненные методические разработки по отдельным вопросам доведены до«возможности их практического использования.

Апробация работы. Основные разделы работы обсуждались на V Всесоюзном гидрологическом съезде (1986), на ученом совете института Экономики и социальных проблем севера-Коми научного центра УрО Российской АН (1994), на заседании лаборатории института Биологии Коми научного центра УрО Российской АН (1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Содержит 17 рисунков, 24 таблицы, список литературы включает 134 источников , в том числе 19 - зарубежных.

' ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА О ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ РОЛИ ЛЕСА

Вопрос о водорегулирующей и водоохранной роли леса давно занимал умы человечества. Первые попытки научного обоснования о гидрологической роли лесов делались в XVIII веке в Европе, несколько позднее в России. Большой вклад в изучение этой проблемы внесли А.И.Воейков (1949), Е.В.Оппоков (1900), Г.Ф.Морозов (1949). Н.С.Нестеров (1969), Г.Н.Высоцкий (1952), М.Е.Ткаченко(1939), А.А.Молчанов (1963), "А. Д. Дубах (1950), А.А.Соколов (1982), .С.Ф.Федоров (1977), О.И.Крестовский (1986), А.А.Книзе (1994), И.А.Шикломанов (1989) и другие.

Многообразие естественных факторов и их сочетание с антропогенным воздействием на лесные биогеоценозы весьма усложняют изучение гидрологической роли леса. Недоучет отдельных, с первого взгляда второстепенных факторов нередко приводит к противоречивым, а иногда и неверным выводам. Вот почему нельзя, например, ограничи-

ваться только такой общей характеристикой, как лесистость водосбора, то есть процент площади, занятой лесом. Нужен комплексный подход и более детальная характеристика леса.

В связи с этим возникает вопрос - каким образом учесть весь сложный комплекс качественных характеристик лесов для более полного выявления его роли в формировании водных ресурсов. Для решения этого вопроса необходимо найти такой показатель, который бы наиболее полно характеризовал состояние леса на водосборе. Чаще всего обращаются. к одной или двум таксационным характеристикам, таким как возраст и полнота древостоев, которые в какой то мере позволяют оценить качественные перемены леса. Для однородных лесов на небольших участках эти таксационные показатели позволяют раскрыть динамику изменения продуктивности древостоев и определить ее связь с элементами водного баланса, но для значительных по размерам водосборов, со сложным по породному составу и возрастом лесом этих таксационных характеристикявно недостаточно.

Анализируя различные таксационные характеристики, автор пришел к выводу, что наиболее объективным показателем продуктивности древостоев на значительных площадях, который без больших трудностей определяется по "таксационным таблицам, являются средний годовой прирост и запас древесины на гектаре. Они тесно коррелируется с приростом надземной фитомассы. Этот показатель учитывает как зональные так и азональные факторы элементов водного баланса.

Прежде всего, продуктивность древостоев определяется количест- . вом тепла, приходящего на земную поверхность, которое значительно изменяется с географической широтой. Влияние атмосферных осадков не столь ощутимо, так как район исследований расположен в зоне избыточного увлажнения. Большую роль играют почвенные условия. В подзоне южной тайги почвы значительно богаче питательными элементами, чем средней и северной подзонах тайги, соотвестсвенно лучше лесо-растительные условия.

С другой стороны прирост древостоев и их запас позволяет учесть некоторые азональные факторы: возраст, породный состав, полноту леса, а также служит в какой-то мере показателем гидрологической роли почвогрунтов.

Как правило, молодые леса более продуктивны, чем спелые и перестойные и оказывают большее влияние на элементы водного баланса. Прирост древостоев увеличивается с возрастом древостоев до достижения кульминационного момента, а затем снижается. С увеличением пол-

- 5 -

ноты насаждений наблюдается рост продуктивности.

Значительно сказывается на продуктивности лесов запас почвенной влаги, которая во многом определяется инфильтрационными и водо-удерживающими свойствами почв. Продуктивность древостоев при оптимальном увлажнении достигает максимума, а при недостаточном или избыточном увлажнении снижается. Эти факторы являются азональными и именно они определяют условия формирования водного баланса на полностью залесенных водосборах, расположенных^ одной географической широте при одинаковой теплообеспеченности, равном количестве выпадающих атмосферных осадков и прочих равных условиях.

Исходя из анализа.вышеприведенных связей, можно уверенно сказать, что прирост и запас древостоев на гектаре являются интегральными показателеми включающем в себя целый комплекс зональных и азональных факторов. В свою очередь продуктивность древостоев тесно связана с такими элементами водного баланса, как осадки, испарение, валовое увлажнение и речной с^ок.

ГЛАВА II. КРАТКОЕ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ И КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФОРМИРУЮЩИХ ВОДНЫЙ БАЛАНС

Район исследований расположен в пределах равнинной части таежной зоны Республики Коми и включает в себя южную, среднюю и северную подзоны таежных лесов. Площадь изучаемой территории составляет около 300 тыс.км2. Особенностью района является преобладающая рав-нинность его рельефа с относительно небольшими колебаниями высот. С северо-запада на юго восток-его пересекает Тиманский кряж с максимальными высотами до 450 м.

Климат района умерённ'о-континентальный и умеренно холодный.' Его особенности определяются малым количеством солнечной радиации зимой, воздействием северных морей в летнее время и интенсивным западно-восточным переносом воздушных масс.

Радиационный баланс убывает с юга на север от 28 ккал/см2 до 22 ккал/см2 в год, причем значительное сокращение приходится за счет резкого снижения суммарной радиации в зимнее время и увеличения расходных составляющих. Период с положительным радиационным балансом составляет 5-7 месяцев.

Частое прохождение циклонов создают благоприятные условия для-выпадения значительного количества осадков. В среднем на территории

района годовая сумма осадков колеблется в пределах 650-780 мм. В течении года осадки выпадают неравномерно. Основная их часть (65-70%) приходится на теплый период. Жидких осадков за год выпадает около 50-60%, твердых 25-30% и смешаных 10-15%.

Для исследований было подобрано 40 водосборов с площадью более 600 км2, расположенных во всех трех подзонах тайги. При их подборе исключались бассейны, включающие карстовые проявления, крупные болотные массивы и озерные системы. Залесенность водосборов колеблется от 70 до 98 % а в среднем составляет 92%.

ГЛАВА III. ХАРАКТЕРИСТИКА ТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ СЕВЕРО-ВОСТОКА ЕТР

Главными лесообразующими породами являются хвойные, произрастающие на 83% лесопокрытой площади. Продуктивность лесов низкая. Наибольшее распространение имеют насаждения, относящиеся к V классу бонитета. Это- обусловлено избыточным увлажнением .территории и малым количеством тепла, получаемого в течении теплого периода. Избыток влаги приводит к неблагоприятному водно-воздушному режиму, незначительному содержанию или отсутствию в переувлажненных почвах кислорода. В среднем годичный прирост древесины на гектаре в хвойных лесах составляет 0,8 мЗ, а в лиственных - 1,2 мЗ.

•Антропогенные изменения леса

В течение длительного периода в Республике ведутся интенсивные вырубки лесов. Объемы лесозаготовок в 1988 году достигшие 27 млн.мЗ в год снизились в 1992 году до 16,1 млн.мЗ. Заготовка древесины ведется неравномерно, основная нагрузка ложится на южные районы. Как результат в южной подзоне тайги молодняки и средневозрастные леса занимают 55% от общей площади лесов этой подзоны, для подзоны северной тайги, -где заготовка леса ведется в меньших объемах, молодняки и средневозрастные насаждения занимают только 16,5%.

Процесс естетственного лесовосстановления на вырубках довольно сложен и определяется в основном, климатическими условиями, типом леса, сохранностью подроста, степенью нарушения лесной подстилки и почвы лесозаготовительной техникой. При сплошных концентрированных вырубках нередко происходит заболачивание, идет смена хвойных пород на лиственные.В среднем за 20 лет смена хвойных пород на лиственные

составила 40-45%, а в некоторых лесхозах с преобладанием вырубок ельников 50-60%. Подобные процессы происходят на гарях.

Из-за лёсозаготовок меняется возраст древостоев. Для сосны наиболее вырубаемой породы, средний возраст колеблется от 60 до 135 лет, а для еловых лесов, котоые стали эксплуатироваться позднее, средний возраст изменяется от 100 до 155 лет.

В связи с тем, что основным сырьем для лесной промышленности являются хвойные породы, происходит накопление спелых и перестойных лесов лиственных пород. Так в Детском лесхозе площадь занимаемая осиной и березой составляет более 50% от площади спелых и перестойных лесов. ■ «

Важным антропогенным фактором является лесная мелиорация, позволяющая поднять продуктивность лесов в 2-3 раза.

Все эти антропогенные изменения леса, вызывающие изменения продуктивности древостоев, отражаются на водном балансе лесных территорий.

ГЛАВА IV. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЛЕСА И ВОДНОГО БАЛАНСА

ч

Задержание атмосферных осадков кронами деревьев

Не все осадки попадают под полог леса, значительная их часть задерживается кронами деревьев. Это явление на протяжении многих лет изучалось рядом ученых: Г.Ф.Морозовым (1949), А.А.Лучшевым (1949), А.А.Молчановым (1963), С.Ф.Федоровым (1977), О.И.Крестовским (1986, 1994), А.А.Книзе (1994) и другими. Они убедительно показали, что целый комплекс факторов определяет задержание осадков. Это прежде всеп породный состав древостоев. возраст насаждений, степень сомкнутости полога, фаза вегетации. Имеют значение и метеорологические, условия -температура и дефицит влажности воздуха, скорость ветра после выпадения дождя и интенсивность осадков.

При всестороннем изучении данного вопроса автору удалось, используя материалы наблюдений на опытных стационарах в целом по России. получить довольно простой способ определения задержания атмосферных осадков кронами деревьев в среднем за год для различных по-' род древостоев. Способ базируется на том положении, что задержание осадков кронами деревьев и их испарение определяются объемом надземной фитомассы древостоев и в большей мере объемом хвои (листвы). Чем больше объм хвои (листвы), тем больше осадков задерживается

та кроне деревьев. В тоже время существует определенное соотношение ¿ежду объемом кроны и запасом древесины в зависимости от возраста цревостоев. Следовательно, можно осуществить переход к определению задержания осадков кронами деревьев и их испарение с кроны непосредственно по запасу древесины на гектаре. Исходя из предположения, 1То единица объема хвои (листвы), а в нашем случае единица запаса февесины может удерживать определенное количество осадков (уделное задержание) .независимо от географического местоположения деревьев.

■\це К. - удельное задержание, Р - количество осадков перехватываемое сронами деревьев за год (мм); V - запас древесины на гектаре (мЗ). 1остроенные зависимости удельного задержания осадков от возраста февостое'в показывают тесную связь между удельным задержанием и воз-истом насаждений (Рис.1, 2, 3).

Р

К =

V

К ,

2,4-

и

К

16 ■

0,8

О

о

О 20 <60 240 Т

О 80 /60 7

Рис. 1 Зависимость удельного задержания (К) от возраста (Т) в еловых лесах.

Рис.2 Зависимость удельного задержания (К) от возраста (Т) в сосновых лесах.

К

{О

2.0

Рис.3 Зависимость удельного задержания (К) от возраста (Т) в березовых лесах.

О

0

40 . ю т

Для сосновых лесов уравнение имеет следующий вид: К = О, И + 22 Т~' . где К - удельное задержание осадков. Т.- возраст древостоев. Для еловых лесов уравнение следующее: К = 0,25 + 30, 5 Т

Для березовых лесов:

Зависимости удельного задержания от возраста древостоев показывают, что в молодом возрасте, когда запас древесины мал, а листва занимает значительный объем, удельное задержание достаточно велико, но резко уменьшается с возрастом древостоев. Затем с определенного возраста темп уменьшения удельного задержания замедляется, а в спелых и перестойных насаждениях практически не меняется.

Расчеты задержания осадков по данному методу для исследуемого района показали, что задержание осадков для условий северной тайги величина небольшая. Это обусловлено низкой полнотой древостоев и продуктивностью. Наибольшее задержание наблюдается в березняках, полнота которых в среднем сотставляет 0,68 - 0,78 тогда как в ельнике только 0,58 - 0, 65.

На исследуемой территории для сосняков максимальное задержание наблюдается в 50-70 лет, для ельников 60-80 лет и для березняков 20-30 лет. Тот факт, что преобладают перестойные леса, служит объяснением малого задержания атмосферных осадков пологом насаждений.В южных районах республики, где в результате вырубок доля перестойных древостоев значительно ниже, количество перехвытываемых кронами древостоев осадков достигает 15% и более.

К = 5,6 - 0,125 Т при Т<40 лет, К = 0, 76 - 0, 004 Т при. Т>40 лет

Подобное распределение перехвата осадков пологом насаждений является одним из факторов, обуславливающих увеличение заболоченных лесов с продвижением на север. Чем меньше осадков задерживается кронами древостоев, тем больше их участвует в переувлажнении земель и создаются более благоприятные условия для заболачивания территории. ■

Лес и испарение

На полностью залесенных водосборах испарение представляет собой довольно сложный процесс и складывается из испарения с крон древостоев, транспирации и испарения под пологом насаждений.

Е = Ек + Ет + Еп

где Е - суммарное испарение; Ек - испарение с крон древостоев; Ет -Транспирация древостоями; Еп - испарение под пологом леса.

Задержание осадков кронами с последующим их испарением составляет небольшую величину от суммарного испарения. По расчетам автора в южной-подзоне тайги оно' в среднем составляет 15%, в средней подзоне тайги -13,5%, в северной подзоне тайги только - 8%.

Испарение под пологом леса зависит также от состояния леса. По сравнению с открытым местом в лесу создается иной микроклимат, формируется свой напочвенный покров. В лесу резко уменьшается солнечная радиация, максимальная температура, скорость ветра, увеличивается влажность воздуха. Испарение находится в прямой зависимости от этих факторов. Важную роль играет напочвенный покров. Лесная подстилка препятствует испарению с почвы.

В пределах одного типа леса расход воды на испарение под пологом леса зависит от возраста древостоев, их сомкнутости. По А.А.Молчанову (1963) испарение в зависимости от возраста древостоев меняется от 48 до 105 мм. Наименьшее испарение под пологом происходит в период кульминации текущего прироста древостоев, за его пределами идет увеличение испарения.

Анализируя проводимые наблюдения в России и .Республике Коми, автор пришел к выводу, что доля испарения под пологом леса на изучаемой территории в среднем составляет 30-40%, так как продуктивность лесов низка, средняя полнота древостоев 0,5-0,7 и преобладают перестойные леса.

Наибольшую долю в суммарном испарении составляет транспирация. Это один из процессов жизнедеятельности растений, связанный с их

.развитием и продуктивностью. По данным С.Ф.Федорова (1977), А.А.Молчанова (1963)' доля транспирации в суммарном испарении колеблется от возраста древостоев для ельников от 44 до 56%, сосняков от 38 до 58% и для березняков от 52 до 72%. По исследованиям А.П.Братцева (1967) в таежных лесах Республики Коми доля транспирации в суммарном испарении колеблется в зависимости от таксационных характеристик от 30 до 57%:

В связи с тем, что современные методы не позволяют с высокой точностью определить составляющие суммарного испарения автор, как и большинство исследователей для оценки влияния леса использовал такой показатель, как суммарное испарение, определяемое по методу водного баланса: Е = Р - R, где Е - испарение; Р - атомсферные осадки; R - полный речной сток. Такой метод расчета испарения дает вполне надежные результаты.

Исследуемые водосборы расположены в зоне избыточного увлажнения, где осадков поступает значительно больше чем испаряется. Испарение прежде всего зависит от теплового фактора, изменяющегося с географической широтой. Вместе с тем в районах с близкими тепловыми условиями испарение в значительной мере зависит от продуктивности лесных насаждений. Чем продуктивнее лес, тем выше транспирация, больше испаряется с крон древостоев. А.А.Молчановым (1963) расчитан эвапорационный коэффициент для разных пород древостоев. Он показывает затраты влаги на суммарное испарение на один кубометр годичного прироста древесины. Самый низкий эвапорационный коэффициент приурочен к периоду кульминации текущего прироста. В этот период наиболее продуктивное использование воды . Но его вывод о -том, что старые леса играют отрицательную гидрологическую роль на взгляд автора не соответсвует действительности, так как за счет малого расхода воды на транспирацию старые леса способствуют увеличению стока рек.

Исследования О.И.Крестовского и A.A.Книзе (1994) показали, что сразу после вырубки спелого леса суммарное испарение резко снижается, затем, по мере развития древостоев, оно увеличивается, достигая наивысших значений в 20-40-летнем возрасте нового леса, после чего плавно снижается до постоянных значений в спелых и перестойных дре-востоях.

Автором построена зависимость суммарного испарения от продуктивности древостоев в пределах изучаемой территории (Рис.4). Она

описывается следующим уравнением: Е = 102 + 359 Б + 76 Б? где Е -суммарное испарение в мм, Б - средний годовой -прирост древостоев в мЗ/га. Зависимость имеет криволинейный характер и показывает увеличение испарения с ростом продуктивности лесов на водосборах. В пределе верхняя часть кривой постепенно приближается к испаряемости.

Емм

Для того, чтобы исключить влияние на величину суммарного испарения географического местоположения водосборов, автором были проанализированы бассейны, расположенные приблизительно на одной географической широте. В 18 случаях из 22 с ростом продуктивности наблюдалось * увеличение испарения. Особо это заметно при значительных колебаниях продуктивности. В четырех случаях обратное соотношение продуктивности и испарения, однако в не значительном диапазоне, в гом числе на двух'водосборах это вызвано высокой заболоченностью. Если исключить водосборы с заболоченностью более 10%, то среднее приращение суммарного испарения на кубометр прироста древесины в песах, . характеризующихся следующими таксационными показателями: зостав леса - 5ЕЗС2Б0с, средний возраст древостоев 109 лет, полнота насаждений 0,6, бонитет - IV, составит 131 мм. Или в среднем на доследуемых водосборах на прирост одного кубического метра древесины на гектаре на испарение расходуется 1310 кубометров воды. Полу-ненные результаты подтверждаются наблюдениями С.Ф.Федорова (1981), З.И.Крестовского (1986) и другими.

Под влиянием рубок леса существенно меняется режим испарения, преобразуется вся структура суммарного испарения. После удаления древесной растительности исчезают такие его составляющие, как транспирация и испарение задержанных осадков кронами древостоев и е результате чего существенно снижается суммарное испарение. По мере увеличения возраста рубки и лесовозобновления происходит процесс восстановления режима испарения. • Суммарное испарение растет до кульминации текущего прироста, а затем наблюдается понижение испарения.

Влияние леса на речной сток

Автором показана связь между продуктивностью древостоев и средним годовым речным стоком (Рис.5). Зависимость описывается следующим уравнением:

И = Р - 102 - 359 Б + 76 Вг

Рис.5 Зависимость речного стока (Ю от продуктивности древостоев Ш) на водосборах при разных уровнях осадков (640, 670, 700, 730 760).

РмУад

где И - средний годовой сток, Р - средние годовые осадки, Б - средний годовой прирост древостоев на гектаре.

Йми

- 14 - -

Повышение продуктивности древостоев в малопроизводительных лесах более заметно сказывается на речном стоке, чем в высокопроизводительных лесах. Так при увеличении продуктивности с 0,5 до 1,0 мЗ/га сток уменьшается на 105 мм, а при увеличении продуктивности древостоев с 2, 0 до 2,5 мЗ/га речной сток уменьшается только на 23 мм.

При сравнении водосборов примерно на одной географической широте в 21 случае из 24 сток уменьшается с ростом продуктивности лесов. Обратное явление наблюдалось на более заболоченных водосборах.

Автором был проведен анализ изменений продуктивности древостоев и речного стока за длительный период на водосборе реки Жабенка, расположенном на территории лесной дачи Тимирязевской сельскохозяйственной академии. Исследования показали, что при снижении продуктивности древостоев за 20 лет на 19%, коэффициент речного стока увеличился на 18%. Аналогичные сравнения проведены на водосборе реки Лузы с.Объячево. Лесиситость водосбора составляет 98%, состав леса 4ЕЗБ2С0с. По данным лесоустроительных работ в 1968 году средний прирост составлял 1. ? мЗ/га, средний возраст сосны 72 года, ели 117 лет. В результате рубки лесов и других лесохозяйственных работ изменились таксационные характеристики леса. В 1977 году лесоустроительные работы показали изменение прироста до 2,2 мЗ/га, средний возраст сосны составил 59 лет, ели 109 лет. Средний прирост древостоев увеличился на 29%. Коэффициент речного стока за этот же период снизился на 8%. Фактически это снижение выше, так как в 1968 году выпало экстремальное количество осадков.

Из вышеизложенного можно сделать основной вывод, что антропогенные изменения леса серьезно отражаются на речном стоке в сторону его увеличения или уменьшения.

Валовое увлажнение территории

Валовое увлажнение позволяет выделить одно из наиболее важных звеньев в круговороте воды, характеризующее ту часть атмосферных осадков, которая задерживается на поверхности растительного и почвенного покрова, аккамулируется в почве и питает подземные воды активного водообмена. Валовое увлажнение определяется из соптветс-тующих частей шестикомпонентной системы уравнений водного баланса

- 15 -

V = Р - Б или V/ = Е + и

где Ш - валовое увлажнение территории, Р - атмосферные осадки, Б -поверхностный сток, и - подземный сток в реки, Е - испарение.

В .этом случае идет речь не о " водосборе" поверхности, плоскости, а о "бассейне" - объеме, так как охватывает ресурсы почвенной влаги от которой зависит продуктивность биомассы и подземный сток. То есть валовое увлажнение характеризирует общую увлажненность данной территории.

Для исследуемой территории валовое увлажнение изменяется от 437 до 616 мм. В основном это обусловлено изменением суммарного испарения," которое прежде всего зависит от .теплового фактора, а в районах с близкими тепловыми условиями от"продуктивности лесных насаждений. Доля подземного стока колеблется от 15 до 30% в структуре валового увлажнения в зависимости от проницаемости почв. На песчаных почвах этот процент близок к -30, а на суглинистых - 15. •

Связь валового увлажнения с продуктивностью древостоев построена также для двух типов водосборов: с преобладанием песчаных почв и преобладанием суглинистых почв (Рис.6). Уравнения описывающие эту связь имеют следующий вид: V = 275 + 357 д - 85 Б2для водосборов с преобладанием песчаных почв; № = 327 - 242 д - 35 Г^для водосборов с преобладанием суглинистых почв.

\л/мм

1

2

600

520 .

Рис.6 Зависимость продуктивности древостоев (Б) от валового увлажнения территории (IV) 1-преобладают песчаные почвы 2-преобладают суглинистые почвы

ЦО

0,5 {0 {5 2,0

Продуктивность древостоев растет с валовым увлажнением. При одинаковой продуктивности валовое увлажнение значительно выше на водосборах с преобладанием песчаных почв, но с продвижением на се-

зер, где продуктивность значительно снижается роль почвенного фактора уменьшается.

Водный баланс по подзонам тайги

Для каждой подзоны тайги автор определил средние таксационные -сарактеристики леса (Табл.1).

Таблица 1.

Средние таксационные характеристики леса по подзонам тайги

1одзонаIЛесис-1Состав лесаIСредний!Бонитет!Пол-1Запас I Прирост гайги 1тость I Iвозраст! IнотаI мЗ/га I мЗ/га

Зжная 93 *ЗЕЗБ2С20с 78 11,9 0,76 172 2,21

Средняя 95 5ЕЗС2Б0С 105 IV, 4 0,66 135 1,26

Неверная 91 6ЕЗС1Б 127 V, 1 0.58 99 0,79

различия существенны и несомненно сказываются на форимировании годного баланса. Так, например, средний возраст древостоев южной гайги на 49 лет меньше, чем в подзоне северной тайги; полнота осаждений уменьшается от 0,78 до 0,58; бонитет ухудшается с 11,9 Ю V,1 и соответственнопочти в три раза падает продуктивность дре-зостоев от 2,21 до 0,79 мЗ/га. Если сравнить по породному составу, го в северной и средней тайге доля хвойных лесов составляет 80%, а з южной тайге только 60%, то есть увеличивается количество лиственных пород.

В табл.2 приведены изменения водного баланса по подзонам тайги

Таблица 2 Водный баланс по подзонам тайги

1одзона| Осадки I Суммарное! Суммарный IВаловое IПоверх-1Подземный гайги I мм I испарение! сток |увлажне |ностный| сток

I I мм ! мм |ние,мм |сток I мм _I_I_I_I_I_мм _I_

Зжная 765 540 225 620 145 80

Средняя 700 400 300 530 170 130

Неверная 690 350 ■ 340 500 190 156

Из таблицы видно, что при уменьшении осадков на 75 мм в ■ северной подзоне тайги по сравненю с южной испарение различается на 190 мм, а речной сток в южной тайге при более высоких осадках на 115 мм меньше, чем в подзоне северной тайги. Здесь в первую очередь сказывается тепловой фактор, на который накладывается антропогенный фактор. В южной подзоне в ходе интенсивных рубок леса произошло омоложение леса и смена хвойных пород на более продуктивные лиственные породы, что в целом вызвало дополнительное повышение продуктивности лесов, а следовательно, происходит дополнительное приращение испарения за счет увеличения транспирации насаждениями и испарения с крон.

Если посмотреть структуру водного баланса по подзонам тайги, то можно отметить следующее: в южной и средней тайге главным элементом водного баланса в расходной части является испарение, которое существенно превосходит речной сток. В северной тайге роль стока возрастает в водном балансе и в' некоторых случаях превышает величину суммарного испарения.

Подводя итоги по данной главе можно подчеркнуть следующие положения:

1. Водный баланс на водосборах, покрытых лесом, определяется целым комплексом природных и антропогенных факторов. Как правило, сложно выделить наиболее важные факторы, так как они взаимодействуют одновременно. Тем не менее, в условиях исследуемого района, где атмосферных осадков в избытке, основным фактором, влияющим на форми рование водного баланса является тепловой.

2. На его фоне на каждом конкретном залесенном водосборе формирование элементов водного баланса в большой мере зависит от таксационных характеристик леса и его породного состава, которые изменяются при антропогенных воздействиях. Согласно метода, предложенно го автором, показателем таких изменений может служить продуктивност древостоев. Полученные автором расчетные'уравнения связи элементов водного баланса с продуктивностью лесов позволяют количественно оценить изменения водного баланса в связи с вырубками леса и другими лесохозяйственными мероприятиями.

ГЛАВА V. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате интенсивных вырубок, как указывалось ранее, в южной подзоне тайги существенно изменился возраст древостоев - мо-

юдые и средневозрастные насаждения занимают до 50% от общей площа-№ лесов в пределах границ ряда лесхозов. Средний возраст древостоев на водосборах составляет 80-100 лет и продолжает постепенно ¡нижаться в связи с широкомасштабными лесозаготовками. В подзоне ¡редней и .северной тайги объемы рубок значительно ниже и соответственно, здесь преобладают перестойные леса, их средний возраст пре-¡ышает 130-140 лет. То есть в перспективе следует ожидать стабиль-юе повышение продуктивности на водосборах за счет интенсивных вы-)убок перестойных древостоев и заменой их молодняками. Такая общая 'енденция к повышению продуктивности лесов путем сведения перестой-1ых древостоев, лесомелиорации, внесения удобрений, заменой низкоп-юдуктивных пород на более продуктивные поставила перед автором за-1ачу - провести оценку, каким образом эти преобразования могут отшиться на формировании речного стока лесных водосборов. Это важно [ля водохозяйственного планирования в Республике Коми. Исследова-[ия, проведенные в данной работе, служат отправной точкой для сос-■авления прогноза изменений водного баланса на полностью залесенных юдосборах в результате антропогенных воздействий. Выработаный ав-■ором метод, учитывающий основные моменты сложного механизма взаи-щействия лес - вода, дает реальную возможность таких расчетов, уть этого прогноза заключается в том, что сначала определяется озможная продуктивность леса на водосборе при разных уровнях лесо-озяйственных-работ. То есть на общем фоне географической зональ-ости продуктивности лесов, раскрывается диапазон ее изменений в ределах одного бассейна - азональные колебания продуктивнооти, что еобходимо для проведения расчетов. Расчеты проводились по формуле писывающей зависимость между продуктивностью древостоев и полным ечным стоком:

о

I? = Р - 152 - 293 0 + 55 и де I? - средний годовой речной сток, мм; Р - средние годовые осади, мм; Б - средний годовой прирост древостоев на гектаре, мЗ/га. рогноз изменения речного стока был составлен для большинства изуча-мых водосборов на двух уровнях лесохозяйственных работ. В первом лучае дается прогноз сокращения речного стока в случае достижения в оде вырубок леса среднего возраста древостоев 80-100 лет и во вто-ом случае при достижении равновесия на водосборах возобновлящихся и ырубаемых лесов (Рис.7).

. Расчеты показали,, что на большинстве водосборов, где преобладают перестойные леса, их продуктивность при достижении среднеп возраста древостоев 80-100 лет может существенно увеличиться, соответственно вызвав изменения соотношения таких элементов водного баланса - как речной сток и суммарное испарение. Причем .сокращена речного стока в этом случае, как показали расчеты, на некоторых водосборах могут достигать 15-20%. При сохранении лесозаготовок нг

Рис.7 Изменение продуктивности древостоев (Б) с географической широтой водосборов (У): 1-продуктивность древостоев на водосборах при возрасте 80-100 лет, 2-продуктивность древостоев на водосборах при достижении равновесия.возобновляющихся и вырубаемых лесов.

уровне 20 млн.мЗ в год этих изменений речного стока можно ожидать е ближайшем будущем. Подтверждением этого может служить уже наблюдаемое снижение речного стока на реке Лузе, вызванное омоложением лесов в ходе их рубок на больших площадях. .

В случае достижения равновесия возобновляющихся и вырубаемьо лесов, то есть "нормальный лес" (Д.П.Столяров и др., 1994) продуктивность будет еще выше и потери речного стока будут еще более существенны и по ряду водосборов могут составить до 30%.

Правильная и своевременная оценка этих потерь очень важна с точки зрения водохозяйственного-планирования в Республике Коми.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ перечислены основные результаты проведенных ис-ледований. приведенные в каждой главе.

ВЫВОДЫ

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы: . Новый научно-методический подход к решению проблемы влияния леса а водный баланс и речной сток, основанный на использовании такого омплексного показателя состояния леса - как продуктивность древос-оев, позволил показать изменения основных элементов водного балан-а на водосборах таежных рек Республики Коми с учетом антропогенной агрузки на них.

. Предложенный • автором способ определения задержания атмосферных садков кронами древостоев, дает возможность без больших трудностей пределить с учетом породной состава леса перехват осадков кронами зревьев на больших площадях.

. Прогноз изменения речного стока в связи с антропогенными преоб-злованиями на лесных водосборах показал, что возможны в перспекти-э значительные потери речного стока, которые необходимо учитывать эи планировании водохозяйственных мероприятий, связанных с изъяти-< речной воды на нужды народного хозяйства.

. Проведенная работа позволяет более объективно оценить роль таеж-« лесов в формировании водного баланса, а предложенный метод при 1льнейшем* развитии может .быть использован и для других лесных ре-юнов страны. •

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

Влияние лесоосушительных работ на сток рек Коми АССР. Петрозаводск, 1977, с.63, 64 (в соавторстве с А. П. Братцевым). Изменение водных ресурсов рек Коми АССР под влиянием лесохозяйс-твенной деятельности человека. Сыктывкар, Тр. Коми филиала АН СССР.И 42, 1979, с.48-61 (в соавторстве с А. П.Братцевым). Гидрологическая роль леса в условиях Коми АССР. М.. Изв. АН СССР, сер. географическая N 6, 1979, с.45-56. Влияние вырубок леса на водный баланс территории. Сыктывкар. Тр. Коми филиала АН СССР. 1982, N 50,с.45-57.

5. Зависимость продуктивности лесов от элементов водного баланс; территории Коми АССР. М., Изв. АН СССР, сер. географическая N 5, 1982, с. 80-85.

6. Влияние продуктивности лесов на водный баланс таежной зоны Ком] АССР. Л., Тр. V Всесоюзного гидрологического съезда. Т.4. Гидро логическое обоснование водохозяйственных мероприятий.Л., Гидром! тиздат, 1990,с.670-674 (в соавторстве с А. А. Братцевым).

7. Государственный доклад о состоянии • окружающей природной -сред Республики Коми в 1993 году. Госкомитет Республики Коми по охране природы и Институт биологии КНЦ УрО РАН, Сыктывкар, 1994: с. 57.