Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологическая роль леса 9
Глава 2. Особенности влагооборота бассейна верхнего течения реки Уссури 19
2 1 Рельеф, почвы, растительность - как факторы формирования основных элементов водного баланса 20
2.2. Климатические факторы формирования основных элементов водного баланса 26
2.3. Гидрографическая сеть и основные черты режима рек верховья Уссури 29
Глава 3. Методы и объекты исследования 35
Глава 4. Изменения условий среды и защитных функций леса в процессе послерубочных восстановительных сукцессии 45
4.1 Динамика лесного покрова „ 45
4.2. Динамика температурного режима воздуха 51
4.3. Формирование осадков в теплый и холодный периоды года в коренных лесах и на вырубках при восстановительных сукцессиях 67
4.3.1. Влияние таксационных и биометрических характеристик лесного полога на перехват жидких атмосферных осадков .69
4.3.2. Формирование снегозапасов в хвойных и лиственных лесах .81
4.4. Гидрологическая роль почво-грунтов при лесовосстановлении в экспериментальном бассейне 86
4.4.1. Поступление влаги в русловую сеть 90
4.4.2 Сезонно-мерзлотная динамика и гидрологическая роль мерзлых почв 94
Глава 5. Гидрологические функции леса и русловой сток 105
5.1. Роль надземной фитомассы в формировании весеннего стока .107
5.2. Формирование стока в период циклонической деятельности в коренных и восстанавливающихся лесах 121
5.3 Зависимость влагооборота малых рек от функций
лесного полога 130
Заключение 144
Список литературы 149
- Рельеф, почвы, растительность - как факторы формирования основных элементов водного баланса
- Формирование осадков в теплый и холодный периоды года в коренных лесах и на вырубках при восстановительных сукцессиях
- Роль надземной фитомассы в формировании весеннего стока
Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы влияния леса на водно-балансовые характеристики лесных территорий приобретают особую актуальность в связи с происходящей отрицательной динамикой лесного покрова, преобразованием лесных ландшафтов, что негативно сказывается на влагообороте речных бассейнов разного уровня.
Леса Приморского края, выполняя важные средообразующие и средорегулирующие функции, являются природным ресурсом, с которым связаны перспективы экономического и социального развития Дальневосточного региона. Бессистемные вырубки леса вызывают нежелательные изменения руслового стока, нарушают водный баланс территорий, приводят к усилению эрозионных процессов и снижению качества воды. В горных лесных экосистемах, к которым относится основная часть лесов Дальнего Востока, отрицательное влияние нарушений почвенно-растительного покрова в результате антропогенной деятельности проявляется в наиболее резкой степени. Водные ресурсы становятся источником опасных стихийных явлений.
В условиях, когда нарастающие антропогенные нагрузки на водосборах происходят при реально существующей тенденции потепления последних десятилетий, возрастает роль гидрометеорологического информационного обеспечения. Редкая сеть станций гидрометеорологических наблюдений, пространственная дифференциация погодно-климатических условий в горных районах усложняют изучение и прогнозирование речного стока при помощи классических методов. Информационный дефицит можно восполнить использованием индикационных методов и поиском новых эмпирических связей между стоком реки и факторами его обусловливающими. Многолетние исследования, в том числе на Верхнеуссурийском комплексном биогеоценотическим стационаре Биолого-почвенного института ДВО РАН, создают основу для перехода к созданию расчетных схем и математических моделей, связывающих компоненты водного баланса с характеристиками лесного покрова.
Объекты наших исследований расположены в районе распространения типичных для бассейна верховьев р.Уссури формаций пихтово-еловых, широколиственно-кедровых и переходных кедрово-еловых лесов. Длительный мониторинг основных компонентов водного и теплового баланса, лесотаксационных характеристик в малых горных бассейнах, позволяет выявить тесную связь особенностей строения и состава лесов на различных элементах ландшафта с динамикой условий окружающей среды и использовать таксационные и биометрические характеристики лесных сообществ в качестве индикаторов влагооборота. Применение при оценке экологической роли лесных экосистем размеров лесной надземной фитомассы, дает возможность получать сопоставимые показатели и переносить результаты экспериментальных исследований на элементарных водосборах на большие территории. Универсальность метода заключается в том, что расчет фитомассы лесов производится по основным типам леса как относительно общей площади бассейна, так и отдельных его частей. Использованные методы позволяют произвести расчет размеров структурных компонентов надземной фитомассы (крон, хвойно-листового аппарата) для экотопов разной размерности.
Основная цель данного исследования - выявить механизмы влияния структуры лесов и лесистости малых водосборных бассейнов на трансформацию атмосферных осадков и закономерности формирования речного стока в период послерубочных восстановительных сукцессий с учетом фоновых погодно-климатических условий.
В связи с основной целью исследований, было намечено решение следующих задач:
Выявить связь таксационных и биометрических параметров лесного полога коренных и производных лесов со структурой водного баланса;
оценить зависимости задержания осадков лесным пологом и суммарных потерь руслового стока в процессе послерубочных восстановительных сукцессий;
выявить зависимость формирования руслового стока в весенний и летне-осенний периоды от динамики лесного покрова и климатических параметров.
Защищаемые положения:
С увеличением абсолютной высоты местообитаний на каждые 100 м возрастает поступление жидких осадков под полог сомкнутых коренных лесов на 20-30 мм;
при лесовосстановлении в послерубочных молодняках на каждые 10 тонн увеличения надземной фитомассы древостоев проникновение жидких атмосферных осадков под их полог снижается на 1-3мм ;
качественные и количественные изменения гидрологического режима малых речных бассейнов тесно связаны с особенностями формирования структуры надземной фитомассы в процессе лесовосстановления;
в период послерубочных восстановительных сукцессий на антропогенно-трансформированных водосборах снижение меженного стока и средней водности водотоков связано с увеличением транспирационного расхода влаги.
Научная новизна. В поясе типичных для горной системы Сихотэ-Алиня хвойно-широколиственных лесов выявлены зависимости, характеризующие связь компонентов водного баланса с таксационными и биометрическими показателями лесного полога в коренных лесах и на их вырубках при восстановительных сукцессиях, а именно:
определена количественная оценка перехваченных пологом леса осадков в зависимости от структуры надземной фитомассы древостоев и высоты местообитания;
дана качественная и количественная оценка роли хвойно-листовой массы при процессах промерзания-оттаивания в хвойно-широколиственных лесах;
выявлена зависимость весеннего и суммарного за теплый период стока от характеристик сезонного промерзания почвы;
построены модели формирования руслового стока в теплый период года с использованием показателей хвойно-листовой массы лесных фитоценозов и погодно-климатических параметров;
вычисленные коэффициенты при предикторах размеров надземной фитомассы и ее компонентов позволили оценить особенности динамики восстановления водоохранных и водорегулирующих функций леса в процессе послерубочных восстановительных сукцессий
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
Результаты исследований дают качественную и количественную оценку экологической роли хвойных и лиственных лесов в формировании приходной и расходной частей водного баланса горного речного бассейна. Регрессионные модели характеристик руслового стока могут быть использованы для количественной оценки последствий антропогенного вмешательства, в расчетах водопродуктивности малых бассейнов с типичными лесорастительными и почвенно-геологическими условиями и при создании региональной модели формирования стока.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Итоги работы изложены в шести статьях, из них 4 - в рецензируемых научных журналах. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 3-х междунарных : "Korean Pine-Broadleaved Forests of the Far East". Oregon, USA, 2000; "Биомониторинг наземных и пресноводных систем Восточной Азии в зонах международного экономического сотрудничества в районах интенсивного освоения природных ресурсов", Владивосток, 2008; Proceedings International Simposium on Restoration of Forest Ecosystem Functions on Different Forest Zones, Seoul, Korea, 2009 и 5 всероссийских конференциях: "Классификация и динамика лесов Дальнего Востока". Владивосток, 2001; "Аграрная политика и технология производства сельскохозяйственной продукции в странах Азиатско-Тихоокеанского региона". Уссурийск, 2001 г.; "Структурно-функциональная организация и динамика лесов". Красноярск, 2004; ."Природная и антропогенная динамика наземных экосистем" Иркутск, 2005; "Леса российского Дальнего Востока: 150 лет изучения". Владивосток. 2009, а так же на международном экологическом форуме "Природа без границ", Владивосток, 2008.
Личный вклад автора: Основная часть экспериментальных данных собрана и обработана при непосредственном участии автора в процессе выполнения плановых программ научно-исследовательских работ лаборатории лесоведения Биолого-почвенного института ДВО РАН, а так же хоздоговорных работ и проектов по грантам. Весь экспериментальный материал автором был занесен в электронную базу данных, при помощи которой разрабатывались представленные модели.
Структура и объем диссертации: Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 162 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 60 рисунками, содержит 21 таблицу. Список литературы включает 183 библиографических источника, в том числе 7 на иностранном языке.
Благодарности. Автор признателен за предоставленные материалы и консультации на начальном этапе подготовки диссертации к.с-х. наук А.С.Жильцову, за консультации и советы при оформлении работы профессору Ю.И.Манько. Автор выражает благодарность за помощь и ценные замечания научному руководителю д.б.н. А.А. Онучину, за консультации и помощь в обработке материалов, к.с-х.н. Л.А. Сибириной, Т.М. Ильиной, Е.В. Шатковской.
Обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и основные задачи, показаны научная новизна, теоретическое и практическое значение работы.
Рельеф, почвы, растительность - как факторы формирования основных элементов водного баланса
Район исследования расположен на западном склоне системы хребтов южного Сихотэ-Алиня. С востока район огорожен от Японского моря хребтом Сихотэ-Алинь. Р.Уссури берет начало на южных склонах г.Снежной (1682 м), течет в основном в северном направлении. Это - типичная горная река, характеризующаяся большими уклонами и скоростями течения. Границы бассейна на юге и юго-востоке проходят по главному водоразделу системы Сихотэ-Алиня, на западе и северо-западе - по гребням Холодного, Синего, и других безымянных хребтов. Наиболее высокими точками бассейна являются вершины Облачная (1855 м) и Снежная на юге и Березовая (1486) на востоке. Поверхность бассейна сложена алевролитами, песчаниками и глинистыми сланцами. Скальные породы в горах выходят на дневную поверхность.
Распространенным типом рельефа является расчлененное низкогорье, оно имеет денудационно-тектоническое происхождение и обладает абсолютными высотами 600-900м. Для него характерно глубокое эрозионное расчленение с амплитудой 100-200 м. Низкогорье распространено в северной, западной, юго-западной и центральной частях бассейна. Наиболее крутой частью низкогорья являются приводораздельные склоны (25-30). Водоразделы в плане извилисты, но при этом сохраняют генеральное северо-восточное простирание. Территория расчленена мелкими ручьями и сухими логами. Среднегорья образуют приводораздельную часть горных систем с высотами до 1200-1400 м над уровнем моря. Самые высокие точки - г. Облачная и г. Снежная, сохранили черты верхнечетвертичного горного оледенения. Среднегорья занимают значительную часть юга, центра и востока исследуемого района. Вершины -часто безлесные гольцы в обрамлении каменистых осыпей. Среднегорные массивы интенсивно расчленены глубокими многочисленными долинами рек. Склоны очень крутые, в верхней части выпуклые. Долины V-образные с невыработанным продольным профилем. В южной и юго-западной частях рассматриваемого района располагаются небольшие участки базальтового плато - плоские поверхности местных водоразделов со ступенчатыми склонами. Основной водораздел бассейна р. Правая Соколовка, в бассейне которой расположены экспериментальные объекты воднобалансовых исследований (Верхнеуссурийский лесной стационар Биолого-почвеного института ДВО РАН), слагается рядом отдельных возвышений со слабовыраженными седловинами. Водораздельные гребни слабоизвилистого типа, с куполообразными, реже остроконечными вершинами. Здесь имеются склоны всех экспозиций, но по площади преобладают склоны западных и восточных румбов [32] (рис.2.1.1). крутые очень крутые покатые пологие Рисунок 2.1.1. Распределение площади склонов ВУС по крутизне и экспозиции
Почвенный покров играет большую роль в формировании водного баланса. М.И. Львович [85] охарактеризовал его как посредника между климатом и гидрологическим режимом, занимающего по своему значению среди гидрологических факторов, второе место после климата. Долгое время в гидрологии господствовала концепция, согласно которой все закономерности формирования режима поверхностных вод объяснялись действием метеорологических и климатических факторов. В настоящее время, благодаря работам [85, 124 и др.], сложилось обоснованное представление о гидрологической роли почвы и ведутся исследования, позволяющие оценить ее количественно. Этому способствует появление дифференцированного, шестикомпонентного уравнения водного баланса, некоторые элементы которого тесно связаны с почвенными характеристиками.
Почвоведы отмечают, что каждому типу лесного биогеоценоза в его среднем выражении, границы которого устанавливаются по особенностям фитоценоза (древостой, подлесок и напочвенный покров), соответствует среднее подтиповое выражение генетического типа почв. Колебания подтиповых показателей почв могут иметь значительную амплитуду, но каждому типу лесного биогеоценоза соответствует определенный подтип почв, а группе типов - тип почв [22, 43, 45,52, 146].
В горных районах, где располагается район исследования, хорошо выражена вертикальная поясность почв. Здесь выделяются горно-тундровые, горно-торфянистые, горно-луговые почвы, расположенные выше пояса распространения пихтово-еловых лесов. Под кедрово-еловыми лесами распространены горные буротаежные примитивные почвы. По распадкам, верховьям узких долин рек развиты таежные пойменные примитивные, дерново-аллювиальные, дерново-глеевые и перегнойные почвы. Под этими лесами широко представлены зональные почвы - горные лесные бурые типичные, оподзоленные и оподзоленно-глеевые. Горно-долинные почвы представлены в долине реки и впадающих в нее ручьев. Эти почвы подразделены на дерново-аллювиальные и торфянисто-перегнойно-глеевые на речных песчано-галечниковых отложениях и бурые лесные (остаточно-пойменные) на делювиально-аллювиальных отложениях.
Формирование осадков в теплый и холодный периоды года в коренных лесах и на вырубках при восстановительных сукцессиях
Гидрологическая роль жидких и твердых атмосферных осадков не одинакова. Жидкие атмосферные осадки, практически сразу включаются в активный влагооборот, пополняя почвенные влагозапасы, формируя поверхностный, внутрипочвенный и речной сток, в процессе эвапотранспирации вновь поступают в атмосферу. Большая часть твердых атмосферных осадков (за исключением снеговой влаги расходуемой на физическое испарение) формирует снежный покров и до наступления положительных температур консервируется в снежном покрове. При стокообразовании атмосферные осадки холодного периода года проходят два этапа трансформации: первый - внутри снежной толщи и второй - почвенно-грунтовый, которые сопряжены с фазовыми переходами влаги из жидкого состояния в твердое состояние и обратно [38].
Экспериментальное изучение влияния леса на осадки проводилось в различных природных зонах и в настоящее время существует много обобщающих работ [18, 112, 166, 176-180]. Достоверными данными экспериментальных исследований установлено, что влияние леса на осадки зависит от состава, возраста, полноты насаждений, климатических особенностей их произрастания и от сезона года.
Анализ количества атмосферных осадков, проведенный для условий среднегорий, показал, что за гидрологический год в исследуемом бассейне выпадает от 549,7,3 до 1209,9 мм. Среднемноголетняя величина осадков составила 831,8 мм. Условия муссонной циркуляции, циклоническая деятельность и характер рельефа способствуют выпадению основного количества осадков в летне-осенний сезон. За сорокалетний период наблюдений средняя величина летне-осенних осадков составила 524,8 мм, а зимних - 169,3 мм. Нижний предел осадков теплого периода - 304,3 и 398,3 мм, зафиксирован соответственно в 1988 и 2003 году, а больше всего их выпало летом 1971г (1058мм) и 2002 года (712,6мм). На зимний период (ноябрь-март) приходится только 20,8% осадков от их годового количества (рис. 4.3.1). В последние годы доля участия зимних осадков возросла, а летних уменьшилась. Самым рекордным по количеству осадков был период 1965-1980 годы. За этот период осадки только двух лет были ниже нормы на 15-27%. Его можно охарактеризовать как период с избыточным увлажнением. Десятилетие 1981-1990 годы - с недостаточным увлажнением, а 1991-2003 годы - влажный период. В 1980-2003 годах по сравнению с предыдущим периодом увеличилась повторяемость лет с увлажнением в летние месяцы на 25-40% ниже нормы, а в зимние месяцы повторяемость лет превышающих среднемноголетнюю норму, возросло. По степени увлажненности теплый период (июнь-октябрь) 1967-1977 годов характеризуется как влажный (табл.4.3.1.1). Годы 1968, 1971, 1974, 1976 с избыточным увлажнением. В эти годы выпало осадков на 30-69% выше нормы теплого периода. Число дождливых дней варьирует от 27 до 82 (табл.4.3.1.2). В 1974, 1976 годах количество дней с дождем составило соответственно 54 и 53, но преобладали дни с осадками выше 5мм, из них 11 - с осадками выше 20мм. В 1970, 1972-73, 1977 годах осадки теплого периода были ниже нормы на 10-22%. Только в 1972 году количество дождливых дней в июне-октябре составило 81, но преобладали осадки до 5мм. Этот год отмечен влажным сентябрем, в котором зафиксированы самые интенсивные осадки на Верхнеуссурийском стационаре. В остальные годы число дней с осадками варьировало от 39 до 61.В июне и сентябре дожди по градациям распределяются практически равномерно. В июле и августе преобладают дни с осадками выше 15мм, а количество дней с осадками 25-50мм наибольшее за летне-осенний период. Чаще, чем в другие месяцы, в августе-сентябре за один непрерывный дождь выпадают осадки более 50мм. Из 35 случаев выпадения таких осадков, 13 приходится на август, 11 - на сентябрь. Максимальное число случаев самых интенсивных осадков зафиксировано по лентам самописца дождя в 1968, 1969, 1989, 1990 годах. В 1969 году, низком по водности, во все месяцы теплого периода 1-2 раза наблюдались осадки интенсивностью 0,9-1,2 мм/мин.
Роль надземной фитомассы в формировании весеннего стока
Лес как часть географического ландшафта неоднозначно влияет на весенний сток. В. И. Рутковский [144] на основе полевых работ в центральной лесостепи европейской территории СССР и южной части ее лесной зоны, установил, что леса уменьшают весенний сток. Аналогичного вывода придерживаются А. Н. Субботин [154], В. М. Мишон [95] и другие исследователи. Однако П. Ф. Идзон, Г. С. Пименова [49], А. В. Лебедев [81] и другие считают, что с ростом лесистости бассейна весенний сток увеличивается. При этом они утверждают, что, как и на годовой сток, влияние леса проявляется через увеличение осадков и уменьшение испарения. Вместе с тем не отрицается и повышенная способность лесных почв к переводу поверхностных вод в подземные. Обстоятельно этот вопрос рассматривался В.Е. Водогрецким и Э.А. Зайцевой [15]. Противоречивость мнений о влияние леса на весенний сток авторы объясняют различной глубиной залегания грунтовых вод. Анализ весеннего слоя стока и его связь с лесистостью бассейнов рек Приморского края были проведены Р.В. Опритовой [114]. Автор делает вывод, что объем половодья связан с покрытой лесом площадью, составом древостоев, экспозицией склонов и ориентацией долин. Количественные характеристики слоя весеннего половодья увеличиваются в 1,5 раза при повышении лесистости на 30-50%. Сток с водосборов, покрытых лиственными лесами, больше, чем с водосборов, на которых преобладают древостой хвойных пород.
В Приморском крае, несмотря на неблагоприятные условия для сохранения снежного покрова, - небольшое количество твердых осадков, низкая влажность воздуха, сильные ветра и высокая солнечная радиация, - разливы рек в весенний период наблюдаются по всей территории. Для бассейна верхнего течения р. Уссури характерны очень большие разливы рек весной [137]. Половодье здесь отчетливо выражено и по своему объему не уступает отдельным дождевым паводкам. Определяющими факторами сезона весеннего половодья являются: максимальные запасы воды в снеге, предшествующее увлажнение, условия промерзания почвы, осадки и температура воздуха за период половодья. Из всех климатических характеристик снежного покрова (высота, даты образования и разрушения, продолжительность таяния) и водно-физических (плотность, теплопроводность, водоудерживающая способность) важнейшим интегральным стокообразующим показателем являются максимальные снегозапасы [95]. Определенные для конкретной территории они характеризуют ее снежные ресурсы. На величину снегозапасов при прочих равных условиях (географическое положение, одинаковая лесистость водосборов и др.) существенное влияние оказывает высота местности и экспозиция склонов.
Весеннее таяние снега в горах Сихотэ-Алиня растягивается в бассейнах, где преобладают хвойные леса. В годы с холодной весной поступление талых вод в речную сеть продолжается до середины июня. Это явление, усиленное высотой, наиболее отчетливо проявляется в верхнем поясе гор с преобладающими елово-пихтовыми и кедрово-еловыми лесами [38, 114-115], что свидетельствует о защитной роли леса в процессе накопления и сохранения снега. В формировании весеннего стока в бассейнах значительное место занимают дождевые воды, накладывающиеся на спад половодья. В исследуемом нами районе средняя дата перехода температур через 0С весной приходится на 9 апреля, а к 26 апреля снег в горном лесном бассейне сходит. Период размерзания почво-грунтов начинается в середине апреля, когда происходит таяние снега, а дневные температуры воздуха достигают 10 С и выше. В зависимости от погодных условий, характера лесного покрова, экспозиции склонов размерзание растянуто от конца апреля до начала июля. Полное оттаивание почвы, в среднем по водосбору за многолетний период, приходится на 21 мая. Вскрытие ручья ото льда происходит в середине апреля. Дата начала наблюдения за стоком зависит от ледовой обстановки в створах ручья. Средняя дата начала весеннего половодья для водосборов с преобладанием восстанавливающихся лиственных насаждений приходится на 17 апреля, в бассейне с преобладанием хвойных пород - на 22 апреля.
Весной и ранним летом доля стока составляет, чаще всего, 10-25% от суммарного за теплый период (рис. 5.1.1).
Доля весеннего стока от общего на водосборах с различной лесистостью1 (полностью облесеные водосборы : 1- с пихтово-еловым лесом; 4 - кедровник с березой желтой. Вырубка с лесистостью: 2 - 78%; 3 - 38%) в зависимости от запаса воды в снеге (W) и доли весенних осадков от общих за ноябрь-май (Н4-5).
В отдельные годы, при больших снегозапасах и относительно сухом лете, весеннее половодье является основной фазой водного режима. В большинстве случаев объем весеннего стока и его доля от общего за апрель-октябрь выше на
Номера бассейнов в следующих рисунках и таблицах те же по водосборах северных экспозиций с лесом, где в составе древостоев преобладают кедрово-еловые и пихтово-еловые фитоценозы. Если такие леса произрастают на склонах южных экспозиций, а доля широколиственных пород составляет 20-30% состава, то несмотря на большее снегонакопление, потери весеннего стока здесь увеличиваются.
