Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Основные аспекты водоохранной и почвозащитной роли леса (состояние вопроса) 15
1.1 Водоохранная и почвозащитная роль леса 15
1.2 Нормативно-правовые принципы мониторинга лесов водоохранного и почвозащитного назначения и территорий водных объектов 22
1.3 Влияние лесохозяйственной деятельности на водоохранную и почвозащитную роль леса 27
1.4 Разрушение речных берегов и защита их древесно-кустарниковой растительностью 31
Глава 2 Программные, методические направления и объекты исследований 37
2.1 Программа, методика исследований 37
2.2 Объекты исследования 51
Глава 3 Условия формирования гидрологических ресурсов Южного Урала 53
3.1 Условия формирования и мониторинг водных ресурсов 53
3.2 Структура водосборов на территории Южного Урала 76
3.3 Оценка состояния поверхностных вод 94
3.4 Эффективность использования ГИС-технологий для оценки устойчивости берегов рек 99
Глава 4 Современное состояние защитных лесов Республики Башкортостан 107
4.1 Характеристика лесного фонда 107
4.2 Естественное возобновление хвойно-широколиственных лесов, произрастающих в водоохранной зоне 124
4.3 Устойчивость лесов, выполняющих водоохранную и почвозащитную функции 150
Глава 5 Роль лесных насаждений в формировании водного и почвенного режима территорий 165
5.1 Влияние леса на формирование снежного покрова, поверхностный стоков крупных водосборных площадях 165
5.2 Определение запаса снежного покрова на лесных территориях с применением ГИС-технологий 182
5.3 Экологическая оценка лесных почв 191
5.4 Факторы, определяющие размывы береговой линии рек, и роль леса в сохранности почв 209
Глава 6 Роль корневой системы деревьев, произрастающих в защитных лесах 220
6.1 Влияние корневой системы древесных растений на водно-физические свойства почвы 220
6.2 Механические свойства корней древесных пород (сосны обыкновенной, дуба черешчатого и осины обыкновенной) 231
6.3 «Армирующая» функция корневых систем древесных растений 238
Глава 7 Моделирование состояния и перспективы развития защитного лесопользования 248
7.1 Математическая модель работы корневых систем древесных растений при оползневых процессах 248
7.2 Использование метода Midas Civil при расчете устойчивости склонов и берегов рек 254
7.3 Использование ГИС технологий в мониторинге ресурсов природной среды 266
7.4 Концепция повышения эффективности водоохранной и почвозащитной роли леса 284
Заключение 299
Библиография 304
Приложения 342
- Нормативно-правовые принципы мониторинга лесов водоохранного и почвозащитного назначения и территорий водных объектов
- Естественное возобновление хвойно-широколиственных лесов, произрастающих в водоохранной зоне
- Механические свойства корней древесных пород (сосны обыкновенной, дуба черешчатого и осины обыкновенной)
- Концепция повышения эффективности водоохранной и почвозащитной роли леса
Введение к работе
Актуальность избранной темы. Леса Республики Башкортостан, являясь
объектом интенсивной эксплуатации – 57 % лесных площадей относится к
категории эксплуатационных, выполняют огромную водоохранную,
водорегулирующую, почвозащитную, санитарно-гигиеническую и
рекреационную функции. В России выделять водоохранные леса и вести специальное хозяйство начали с 1703 г., когда Петр I предписал: «произвести опись лесов, стоявших вдоль больших рек на пятьдесят верст, вдоль малых – на двадцать верст. Твердые породы деревьев – дуб, клен, вяз карагач, лиственницу и сосну (в двенадцать вершков) – рубить запрещено…».
По данным государственного учета Лесного фонда Республики
Башкортостан из 6,3 млн. га лесов защитные леса различного целевого
назначения занимают 2,7 млн. га (43 %). Однако несмотря на значительные
площади этой категории лесов, и неоценимую экологическую значимость,
механизм реализации их водоохранной и почвозащитной функции, во многом
не определен. Одной из проблем остается упорядочение лесопользования в
горных хвойно-широколиственных лесах, имеющих исключительную
природоохранную роль в силу географического положения, породного состава, уникальных таксационных характеристик. Состояние этих лесов из года в год не улучшается, что является следствием длительного применения в прошлом бессистемных интенсивных рубок, проведения лесовосстановительных работ без учета лесорастительных условий, отрицательного влияния на них выбросов промышленных предприятий [Б.Ф. Окишев, 1981; Н.А. Мартьянов, А.А. Баталов, А.Ю. Кулагин, 2002; А.Ф. Хайретдинов, С.И. Конашова, 2002; К.М. Габдрахимов, 2006; А.Н. Давыдычев, 2003; Д.А. Ханов, 2013; Р.Ф. Абд-рахманов, 2014 и др.]. Положение еще более усугубляется в районах с нерегулируемой активной рекреацией. Ухудшение состояния лесов сказываются процессам заиления, загрязнения и обмеления водных объектов, появления оползней на склонах, образования эрозии почв и т.д. В этих условиях возрастает роль леса как регулятора устойчивости склонов [И.Б. Рыжков, 2013; А.А. Арсланов, 2016].
Обострение экологической ситуации, ограниченность лесных ресурсов в пространстве и во времени предполагает поиск новых подходов в решении проблемы развития многоцелевого использования лесов с одновременным улучшением их качественного состава, усилением устойчивости, повышением экологической продуктивности и эффективного воздействия на среду обитания человека. Нами установлено, что, подвергаясь мощному антропогенному воздействию, лесные экосистемы сдвигаются с позиций естественного равновесия, и их развитие может пойти (в некоторых случаях уже идет) путем разбалансирования природных комплексов. В связи с этим выдвинута научная гипотеза, что оптимизация воспроизводства и рациональное использование защитных лесов, позволят избежать необратимой дигрессии лесных, водных и почвенных экосистем.
Степень разработанности темы исследований. В мировой научной литературе имеются многочисленные публикации, в той или иной мере затраги-
вающие вопросы водоохранной и почвозащитной роли леса. В лесоводствен-ных, геоботанических, почвоведческих работах, в трудах по физиологии растений уделяется большое внимание строению и развитию корневых систем дре-весно-кустарниковых растений в связи с влиянием их на водный баланс и почвообразовательные процессы [H.H. Hilf, 1927; А.П. Шиманюк, 1950; И.Н. Рахтеенко, 1952; А.Я. Орлов, 1962; Bela Keresztesi, 1965; С.Э. Вомперский, 1968; J.N. Kostler, E. Bruckner, H. Bibelriether, 1968; В.Г. Карпов, 1969; П.К. Красильников, 1970 и др.]. Имеется ряд работ по влагообороту горных лесов, гидрологической роли лесов, а также водорегулирующий функции горных лесов [О.И. Двалишвили, 1964; Л.С. Азмайпарашвили, 1971; А.А. Онучин, 2003 и др.]. Особенности роста горных лесов Южного Урала рассмотрены также в достаточном количестве работ [И.П. Положенцев, А.М. Зигангиров, 1959, 1961а, 1961б; А.Е. Рябчинский, 1961; И.П. Положенцев, М.Э. Муратов, 1973; Н.А. Мартьянов, А.А. Баталов, А.Ю. Кулагин, 2002; А.Ф. Хайретдинов, 2002; А.Н. Давыдычев, 2003; Д.А. Ханов, 2013 и др.]. Многочисленные работы посвящены исследованиям влияния лесных насаждений на предотвращение обрушения склонов [В.Н. Дьяков, 1981; В.М. Ивонин, 1983; С.А. Марков,1983; Н.Н. Агапонов, 1991 и др.]. Специалистам, занимающимся оценкой устойчивости склонов, как в России, так и за рубежом, известно, что наличие древесной растительности на склонах является положительным фактором, снижающим интенсивность оползней. В СП 116.13330.2012 (как и в предыдущих нормах инженерной защиты территорий СНиП 22-02-2003) лесомелиорация рассматривается как одно из важнейших противооползневых мероприятий. Подобное отношение к растительности на склонах характерно и для зарубежных норм. Однако, ни в России, ни за рубежом количественных критериев влияния древесной растительности на устойчивость склонов не установлено. При оценке «запасов устойчивости» склонов наличие или отсутствие древесной растительности в расчетах не учитывается. Данный подход не отражает объективной «армирующей» возможности корневых систем древесных растений, количественная оценка роли которых представляется необходимой.
Цель исследований. Эколого-лесоводственное обоснование системы мероприятий по повышению эффективности водоохраной и почвозащитной функции лесов Южного Урала на основе комплексной оценки лесных биогеоценозов на склонах и на территориях крупных водосборных площадей с использованием ГИС-технологий и методов математического моделирования.
Задачи исследований:
1. Изучить основные факторы формирование гидрологических ресурсов
Южного Урала и выявить особенности лесорастительных условий в различных
природно-климатических зонах региона.
-
Оценить устойчивость лесов, выполняющих водоохранную и почвозащитную роль, на основе анализа лесного фонда республики, изучения эффективности лесовосстановления под пологом хвойно-широколиственных горных лесов и на участках, подверженных хозяйственной деятельности – рубке спелого леса и рекреации, исследования экологического состояния лесных почв.
-
Определить роль леса в оптимизации гидрологических и экологических
процессов на склонах Южного Урала. Изучить влияние леса на снегонакопление и интенсивность развития водной эрозии почв в период снеготаяния.
-
Исследовать «армирующее» действие корневых систем древесных растений на устойчивость склонов, подверженных оползневым процессам; провести лабораторные исследования механических свойств корней деревьев; определить характер пространственного размещения корневых систем в почвенно-грунтовом слое.
-
Разработать математическую модель действия корневых систем деревьев при оползневых процессах на склонах.
-
Обосновать эффективность применения ГИС-технологий при мониторинге пространственного распространения хвойных лесов по элементам рельефа с определением их продуктивности.
-
Совершенствовать лесохозяйственные приемы и обосновать нормативы организационно-хозяйственных мероприятий по повышению эффективности водоохранной и почвозащитной роли лесов Южного Урала.
Диссертационная работа выполнялась по тематике научно-
исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения, зарегистрированных в Единой государственной информационной системе учета (ЕГИСУ) «Повышение продуктивности лесов Южного Урала» (номер регистрации 01201464638).
Научная новизна. Выносимые на защиту положения, имеющие научное и прикладное значение, обоснованы длительными исследованиями процессов формирования водоохранных лесов и факторов повышения устойчивости склонов, подверженных оползневым процессам.
Впервые для Республики Башкортостан проведена комплексная оценка
гидрологических и лесных ресурсов региона, выявлена роль древесной расти
тельности в формировании водных ресурсов. Изучены лесоводственно-
таксационные, ландшафтные характеристики естественных хвойно-
широколиственных лесов, оценены возобновительные процессы хозяйственно
ценных пород предварительной и последующей возрастных генераций под по
логом леса и на вырубках и экологическое состояние лесных почв. Определены
количественные критерии оценки влияния древесной растительности на устой
чивость склонов. Методом математического моделирования с использованием
результатов лабораторных исследований механических свойств корней древес
ных растений автором разработана и проверена методика расчета устойчивости
оползнеопасных склонов с учетом размыва подошвы и «армирующего» дейст
вия корневых систем деревьев. Впервые на стационарных площадях методом
маршрутных исследований и с использованием ГИС-технологий определены
показатели снегонакопления и проведены предварительные расчеты поверхно
стного стока на водосборных площадях. Обоснована эффективность использо
вания ГИС-технологий при мониторинге устойчивости склонов и пространст
венного размещения продуктивных хвойных лесов по элементам рельефа - кру
тизне, экспозиции, форме склона. Разработаны нормативные положения по
формированию леса, водоохранные и почвозащитные функции которого реали
зуются с максимальной эффективностью воздействия на окружающую среду.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные автором результаты расширяют знания о водосборных площадях республики, роли лесов, активно выполняющих противооползневые функции на горных склонах и берегах водоемов. Результаты исследований решают проблему перспективной оценки состояния склонов с последующей корректировкой проведения лесохо-зяйственных, лесокультурных мероприятий. Разработанные положения могут лечь в основу лесовосстановительных мероприятий, обеспечивающих улучшение гидрологического режима и эффективного ведения хозяйства на склонах Южного Урала. Результаты исследований изложены в монографии, в нормативных документах – практических рекомендациях производству, принятых к использованию лесохозяйственными предприятиями МЛХ РБ и производственными организациями республики. Теоретические результаты внедрены в образовательный процесс при подготовке обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры специальностей «Лесное дело», «Природообустройст-во и водопользование» в ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ. Разработанные технологические приемы удостоены дипломов конкурсов и выставок: диплома и бронзовой медали X Российской агропромышленной выставки «Золотая осень – 2008» (Москва), диплома II степени в номинации «Водоснабжение и водоотве-дение» ежегодного Весеннего строительного форума (Уфа, 2016).
Методология и методы исследования. Комплексное изучение
водоохранной и почвозащитной роли лесов выполнено с использованием совокупности методологических подходов и методик, используемых в таксации, лесоводстве, почвоведении и инженерно-геологических изысканиях склонов. Использован метод исследования корневых систем М.И. Калинина [1983, 1991]. Мониторинг водосборных площадей, снегонакопления на лесных площадях осуществлен на основе фотосъемки с беспилотного летательного аппарата БПЛА ZALA 421-04Ф-К, авиационной гамма-съемки, маршрутной снегомерной съемки по определенным промерным маршрутам. Моделирование и расчеты проводились в пакетах программ ГИС ИнГео 4.4, AutoCad, Midas GTS NX, SAGA GIS. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПК с использованием пакетов программ MathCAD, STADIA, STATGRAPH, Excel и др.
В основу исследований диссертации положены научные разработки и методики А.В. Побединского [1958, 1966], Н.П. Анучина [1977], С.А. Маркова [1983], З.Д. Исаева [1991], А.Ф Хайретдинова, С.И. Конашовой [2002], Ю.М. Шеменкова [2003], А.Л. Готмана [2004], Р. Катценбаха, А. Вернера [2007], Г.Г. Бахтиярова [2009] и И.Б. Рыжкова [2013]. Использованы данные Министерства лесного хозяйства и Министерства природопользования и экологии Республики Башкортостан.
Положения, выносимые на защиту:
-
Условия формирования гидрологических ресурсов республики, роль лесов в формировании водных ресурсов.
-
Устойчивость лесов, выполняющих водоохранные и почвозащитные функции, в том числе ход возобновительного процесса под пологом хвойно-широколиственных лесов и на участках, подверженных хозяйственной деятель-
ности – после рубки спелого леса, активного рекреационного лесопользования, и экологическое состояние лесных почв.
3. Роль леса в оптимизации гидрологических и экологических процессов
на склонах Южного Урала – влияние на снегонакопление, повышение устойчи
вости склонов, подверженных оползневым процессам, изменение интенсивно
сти поверхностного стока на территориях водосборных площадей.
4. «Армирующее» действие корневых систем лесообразуюших пород на
устойчивость склонов, механические свойства корней деревьев, характер про
странственного размещения корней в почвенно-грунтовом слое.
-
Количественные критерии оценки влияния древесной растительности на устойчивость склонов, математическая модель работы корневых систем деревьев при оползневых процессах.
-
Эффективность использования ГИС-технологий при мониторинге защитных лесов и водных объектов.
-
Система организационно-хозяйственных мероприятий по повышению эффективности использования лесов, выполняющих водоохранные и почвозащитные функции.
Личное участие автора состоит в постановке цели, разработке программы, в выполнении всех этапов диссертационной работы – решении задач, экспедиционных исследований, постановке лабораторных экспериментов, камеральной обработке, интерпретации полевых, лабораторных данных, в подготовке публикаций, написании диссертации и апробации результатов исследования.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Достоверность результатов исследования и адекватность разработанных моде
лей базируется на применении современных и традиционных
экспериментальных методов оценки природных объектов, в использовании
сертифицированного лабораторного и другого оборудования,
воспроизводимости результатов экспериментов, использовании
репрезентативных выборок объектов, применении современных статистических
методов и прикладных компьютерных программ, качественном совпадении
результатов с данными аналогичных исследований отечественных и зарубеж
ных ученых, возможностью практического применения результатов в
лесохозяйственной практике. Достоверность результатов составляет не менее
90 % при погрешности опытов не более 5 %.
Результаты исследования доложены и обсуждены: на Региональной научно-практической конференции «Уральский Регион Республики Башкортостан: Человек, природа, общество» (Сибай, 2010 г.); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III Тысячелетие – новый мир» (Москва, 2010 г.); VI Международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Миасс, 2011 г.); Научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения С.Ф. Аверьянова «Природообустройство» МГУП (Москва, 2013 г.); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» VI-е научные чтения Н.Я. Денисова МГСУ (Москва, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье человека:
XXI век» (Красноярск, 2014 г.); XI Международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2016 г.); Международной конференции «Проблемы сохранения и преобразования агроланд-шафтов», посвященной 225-летия со дня рождения С.Т. Аксакова (Уфа, 2016 г.); Международной научно-практической конференции «Инструменты и механизмы современного инновационного развития» (Томск, 2016 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационная наука: прошлое, настоящее, будущее» (Уфа, 2016 г.); Международной научно-практической конференции «» в рамках XXVI международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2016» (Уфа, 2016 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационная деятельность в модернизации АПК» (Курск, 2016 г.); Международной научно-практической конференции «Региональные аспекты развития науки и образования в области архитектуры, строительства, землеустройства и кадастров в начале III тысячелетия» (Комсомольск-на-Амуре, 2016 г.); Всероссийской научно-практическая конференции «Продуктивность лесов и биологическое разнообразие природных ландшафтов» (Казань, 2016 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Инновационное развитие землеустройства» (Кинель, 2017) и др.
Внедрение результатов исследований. Рекомендации, разработанные по результатам исследований: «Повышение устойчивости склонов при ландшафтном обустройстве склонов» (МЛХ РБ, Башкирский ГАУ, 2015 г. № гос. регистрации 01201062122), «Рекомендация по посадке крупномеров в труднодоступных рельефах местности» (справка о внедрении МУП «Горзеленхоз» городского округа г. Уфа РБ), приняты к использованию лесохозяйственными предприятиями МЛХ РБ и производственными организациями республики.
По теме диссертации выполнена научно-исследовательская работа: «Расчет оползневых процессов по результатам инженерно-геологических изысканий по обследованию оврага по объекту: Обустройство скважины № 608 Омарского месторождения нефти» / Р.Ф. Мустафин, И.Б. Рыжков // Отчет по НИР гос. регистрация №0101062122. 2013.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 52 научных трудах, в том числе 15 статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одной монографии (6,0 п.л.), статье в зарубежном издании и двух рекомендациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и рекомендаций, библиографии и приложений. Общий объем диссертации составляет 386 страниц текста, включая 44 страницы приложений, 70 рисунков и 64 таблицы. Список библиографических источников включает 353 наименования.
Нормативно-правовые принципы мониторинга лесов водоохранного и почвозащитного назначения и территорий водных объектов
В 70-х годах XX века были сформированы основные организационные и методологические принципы функционирования общегосударственной службы наблюдений за объектами окружающей среды. В последующий период шло внедрение и усовершенствование разработанных принципов, качественная перестройка сети пунктов наблюдений, обеспечение комплексности наблюдений по гидрохимическим, гидрологическим и гидробиологическим показателям, внедрение современных аналитических методов и компьютерных технологий в части сбора, хранения, обработки и представления информации. За последние несколько лет произошли существенные изменения в законодательной и нормативной базе в области водных отношений в связи с введением нового Водного кодекса Российской Федерации от 03.06.2006 № 74-ФЗ (ВК РФ) и Лесного кодекса Российской Федерации от 04.12.2006 № 200-ФЗ (ЛК РФ).
В соответствии со ст. 1 ВК РФ водный объект - это «...природный или искусственный водоем, водоток либо иной объект, постоянное или временное сосредоточение вод, в котором имеет характерные формы и признаки водного режима» [Водный кодекс РФ, 2006].
Согласно ст. 30 ВК Российской Федерации система наблюдений, прогноз, оценка изменения состояния водных объектов, входящих в федеральную собственность и собственность субъектов РФ, собственности муниципальных образований, собственность физических и юридических лиц входит в понятие «мониторинг водных объектов». Соответственно, государственный экологический мониторинг (государственный мониторинг окружающей среды) включает в себя государственный мониторинг водных объектов.
Проектирование, строительство, реконструкция, ввод в эксплуатацию, эксплуатация гидротехнических сооружений, также внедрение новых технологических процессов должно планироваться и вестись с учетом их влияния на состояние водных объектов, с соблюдением нормативов разрешенного воздействия на водные объекты, исключая случаи, установленные федеральными законами. Это требование озвучено в ст. 60 ВК РФ [Водный кодекс РФ, 2006].
В соответствии со ст. 61, строительные, взрывные, дноуглубительные, буровые и иные работы, которые требуют изменения дна и берегов водных объектов, в границах особо ценных водно-болотных угодий, в их водоохранных зонах необходимо проводить, соблюдая требования законодательства в сфере водных объектов, в области охраны окружающей среды и градостроительсва.
Ст. 63 ЛК РФ регламентирует использование, защиту, охрану, воспроизводство лесных массивов, находящихся в водоохранных зонах, осуществляются. Для каждого водного источника устанавливаются водоохранные зоны. Ширина водоохранной зоны рек или ручьев, согласно ст. 65 ВК РФ, рассчитывается от их начала (истока) до устья протяженностью:
1) до десяти километров - в размере пятидесяти метров;
2) от десяти до пятидесяти километров - в размере ста метров;
3) от пятидесяти километров и более - в размере двухсот метров.
У реки, ручья, имеющих протяженность меньше 10 км (от истока до устья) прибрежная защитная полоса и водоохранная зона совпадают. Радиус водоохранной зоны истоков ручья или реки составляет пятьдесят метров. Схема расположения водоохраной зоны приведено на рисунке 1.1.
В лесах в водоохранных зонах ст. 104 ЛК РФ запрещает:
- проводить сплошные рубки лесных массивов;
- использовать токсичные химические препараты в целях защиты и охраны лесов даже в целях науки;
- заниматься сельским хозяйством, исключая кошение сена и пчеловодство;
- создавать и эксплуатировать лесные плантации;
- размещать объекты капитального строительства, кроме гидротехнических сооружений, линейных объектов, также объектов для геологического изучения, разработки месторождений углеводородного сырья.
Приказ Рослесхоза № 485 от 14.12.2010 г. «Об утверждении особенностей использования, охраны, защиты, воспроизводства лесов, расположенных в водоохранных зонах, лесов, выполняющих функции защиты природных и иных объектов, ценных лесов, а также лесов, расположенных на особо защитных участках лесов» также регламентирует использование этих территорий. В соответствии с Федеральным законом (ст. 52) от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ (ред. от 03.07.2016) «Об охране окружающей среды» разработаны требования в области охраны окружающей среды при установлении защитных и охранных зон. Устойчивое функционирование естественных систем экологии, защита природных ландшафтов и природных комплексов, особо охраняемых природных зон от того или иного негативного воздействия хозяйственной или другой деятельности обеспечивается созданием защитных и охранных зон. Зоны лесных насаждений, зеленые территории, парки и иные зоны, имеющие ограниченный режим природопользования, называемые защитными и охранными зонами, санитарно-защитными зонами, в городских и сельских поселениях формируются в промышленных зонах и объектах какой-либо деятельности, воздействующих негативно на окружающую среду. Эти зоны создаются с целью охраны среды обитания животных, растений, условий жизнедеятельности человека.
Реализация Государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды) происходит на уровне федеральных органов исполнительной власти, органов государственной власти субъектов РФ в соответствии с их компетенцией, установленной законодательством РФ. С этой целью создается и обеспечивается функционирование сетей наблюдения и информационных ресурсов в качестве части подсистем единой системы государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды), а также в этом играет роль создание и эксплуатация уполномоченным Правительством Российской Федерации федеральным органом исполнительной власти государственного фонда данных (ст. 61). Для обеспечения охраны окружающей среды и создана система государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды). В Федеральном законе от 10.01.2002 № 7-ФЗ перечислены следующие задачи данного вида мониторинга: «регулярные наблюдения за состоянием окружающей среды, в т. ч. компонентов природной среды, естественных экологических систем, за происходящими в них процессами, явлениями, изменениями состояния окружающей среды:
- хранение, обработка (обобщение, систематизация) информации о состоянии окружающей среды;
- анализ полученной информации в целях своевременного выявления изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и (или) антропогенных факторов, оценка и прогноз этих изменений;
- обеспечение органов государственной власти, органов местного самоуправления, юридических лиц, индивидуальных предпринимателей, граждан информацией о состоянии окружающей среды» [ст. 61, Лесной кодекс РФ, 2006].
Федеральные органы исполнительной власти, которые осуществляют государственное управление в сфере охраны окружающей среды и уполномочены на ведение подсистем единой системы государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды) занимаются получением, поиском, обработкой, и анализом данных о состоянии окружающей среды, об изменениях, происходящих в ней, об объектах, воздействующих негативно на экологию, и о его видах и об объеме данного воздействия. Также указанные федеральные органы уполномочены давать оценку состояния окружающей среды и прогнозировать изменения в природе из-за воздействия тех или иных факторов. Данные же органы предлагают способы предотвращения отрицательного влияния на окружающий мир и направляют их в различные органы (государственной власти, местное самоуправления), а также предпринимателям и юридическим лицам.
Естественное возобновление хвойно-широколиственных лесов, произрастающих в водоохранной зоне
Темнохвойно-широколиственные леса Уфимского плато ранее являлись крупнейшей лесосырьевой базой Республики Башкортостан. В этих лесах ежегодно на площади 8 тыс. га заготавливалось более 1,5 млн. кубометров ценной хвойной древесины. Однако, если говорить в целом по республике, отношение площади лесовосстановления к площади вырубки лесов с каждым годом уменьшается: с 118,4 % в 2008 г. до 66,3 % в 2013 г. Снижение данного показателя возникло в 2010 г. (89,3 %) ввиду стремительного увеличения объема сплошных рубок, выполняемых крупными арендаторами, и срыва ими работ по лесовосстановлению на территории аренды.
Для Уфимского плато процесс возобновления является весьма серьезной проблемой, поскольку территория плато состоит из обширного водосборного бассейна реки Уфы, следовательно, и ее притоков - Тюя, Ая и Сарса. Леса, произрастающие здесь имеют большое водоохранное и водорегулирующее значение. Существующие коренные древостои защитной категории лесов представлены сложными по форме насаждениями, состоящими из нескольких ярусов, такая вертикально-ступенчатая структура придает этим лесам особую эстетичность (рисунок 4.7).
Анализируя состояние естественного возобновления, необходимо обратить внимание на его состав, возраст, количество и размещение по площади. Вышеперечисленные показатели непосредственно зависят от ряда причин: условий климата, особенностей и интенсивности хозяйственное деятельности, состояния почв, изменений насаждений, также обилия и состава живого напочвенного покрова [П.Л. Иванов, 1983]. Изменения физических и химических свойств почвы, механические повреждения, вредители и болезни в большей степени влияют на молодые древесные растения, по сравнению со взрослыми экземплярами.
Процесс образования дернины, возникновение которой, прежде всего, может быть связано с изреживанием полога древостоя из-за ежегодного удаления поврежденных или усохших деревьев, также затрудняет возобновление лесных массивов. По мнению И.З. Таран и В.Н. Спиридонова [1977], количество возобновления сосны, господствующей породы, под пологом леса незначительно, в то же время количество осин и молодых берез идет к увеличению, связано это с высокой способностью данных пород к вегетативному размножению, с их большой толерантной устойчивостью. Именно так указанные исследователи характеризуют общее состояние процесса лесовозобновления в сосняках. На территории вырубленных хвойных древостоев появляются производные леса, в основном, из березы, осины и липы (рисунок 4.8).
Ежегодно лесные площади сокращаются, нередко горных сосновых, лиственничных и елово-пихтовых. Ухудшается не только породный состав лесов, но и уменьшаются запасы ценной древесины, трансформируется биогеоценологическая структура лесных экосистем, в результате, снижается значимость для экологии, в том числе, воздействие на гидрологический режим почвогрунтов. С целью сбережения экологической роли хвойных лесов необходимо, прежде всего, сохранить их естественный породный состав и структуру, но на это лесные культуры не способны. Ведение хозяйства в таких лесах должно быть ориентировано на обеспечение устойчивости лесных биоценозов. При формировании древостоев нужно учитывать строение и состав коренных и близких к ним древостоев, отвечающих коренным типам леса [П.С. Анисимова, 2008].
По исследованиям М.Э. Муратова [1973] сплошные рубки леса в этих условиях даже на слабопокатых склонах северных экспозиций, т. е. в нижнем орографическом экстремуме таяния, оказывают существенное и долговременное влияние на режим снеготаяния, которое проявляется в следующем: 1) сокращается период таяния на 1-7 дней в темнохвойношироколиственных лесах Уфимского плато и на 1-4 дня в сосново-березовых лесах Южного Урала; 2) увеличивается средняя за период интенсивность таяния соответственно на 8-27 (и среднем за 6 лет на 18) и 0-45 (в среднем за 8 лет на 24) процентов; 3) в 2,4 раза возрастает удельная интенсивность таяния (ускорение среднесуточной водоотдачи на единицу тепла, или реакция таяния на повышение температуры); 4) в отдельные моменты суточная водоотдача снега бывает в 10 и более раз выше, чем в смежном лесу. Аналогичный характер носят изменения и после длительно-постепенных рубок, но уже на среднепокатых (10-15) световых (ЮВ) склонах Южного Урала: продолжительность таяния сокращается на 5 дней, средняя интенсивность возрастает до 40 %, а удельная - в 3 раза. Все это говорит о том, что сплошные рубки из числа способов рубок спелого леса оказывают при прочих равных условиях наиболее существенное влияние на ускорение процесса таяния снега, особенно с повышением крутизны и инсолируемости склонов. Средняя водоотдача снега на один градус тепла с южных среднепокатых (10-15) безлесных склонов (водосборов) Южного Урала в 3-5 раз выше, чем с северных слабопокатых. Минимальные изменения отмечены при адвективном типе таяния с возвратами холодов (10 % повторность), максимальные - при солярном.
Продолжительность влияния сплошных рубок на режим таяния зависит от успешности лесовозобновительных процессов состава и возраста восстановительных смен. Исследования на Уфимском плато показали [Р.И. Ханбеков, А.В. Письмеров, 1973], что в одинаковых орографических условиях интенсивность таяния снега в чистых лиственных молодняках 2025-летнего возраста близка к показателям на сплошных вырубках, тогда как в темнохвойных молодняках такого же возраста она мало отличается от спелых среднеполнотных древостоев. Светлохвойные и смешанные молодняки занимают в этом отношении промежуточное положение.
В отличие от Уфимского плато на Южном Урале вследствие меньших запасов снега наблюдается, как правило, повсеместное промерзание почв. Под пологом леса в пределах элементарных водосборов глубина промерзания нарастает сверху вниз по склону до полного охвата почвенного слоя (более 75 см) в нижних частях макросклонов. На приводораздельных участках почва промерзает в разрезе лет на глубину от 8 до 52 см, а в отдельные годы остается талой. Такой характер промерзания обусловлен инверсиями температур и особенностями пространственного снегоотложения. Между запасами снега и глубиной промерзания почв на Южном Урале имеется тесная обратная достоверная связь г = -0,984. Оттаивание почвы идет как сверху, так и снизу, а в отдельные годы (10 % обеспеченность) - лишь только снизу промерзшего слоя и часто заканчивается до полного разрушения снежного покрова.
Предвесенняя увлажненность мерзлых почв на вырубках, как правило, близка или превышает полную влагоемкость, что уже само по себе резко снижает их фильтрационные свойства. Вырубки на Южном Урале длительное время характеризуются ухудшенной гидрофизикой почв. Под пологом леса перед таянием снега всегда имеется дефицит почвенной влаги по отношению к предельной полевой величине и, следовательно, сохраняется в определенной мере [до 70%, по Н. Ф. Созыкину, 1940] трансформирующее влияние мерзлых почв на поверхностный сток.
Сплошная вырубка леса сопровождается в течение длительного времени снижением средней скорости внутрипочвенного стока с 21 до 11 м в сутки на участках, не тронутых трелевкой, и до нуля на путях первичного транспорта леса. Средняя доля поверхностного стока лишь на участках с ненарушенным почвенным покровом увеличивается в весенний период по сравнению с лесом с 55 до 70 %, а в отдельные годы - в 2 раза. На пасечных волоках весь объем стока проходит поверхностным путем, вызывая резко ускоренную эрозию почв. Талые и дождевые воды внутрипочвенным или смешанным стоком поступают в открытые карстовые образования и через водоносный комплекс нижней перми - в гидрографическую сеть. А.В. Письмеровым [1973] установлена четкая взаимосвязь прохождения пиков весеннего половодья р. Уфы и на закарстованных водосборах в прибрежной полосе. В нижних более крутых частях склонов высокая (до 25 мм/ мин) водопроницаемость дерново-карбонатных и бурых горно-лесных почв и отсутствие в их профиле приповерхностного относительного водоупора обусловливают фильтрацию талых и дождевых вод, которые через мощную (3-5 м) толщу рыхлых элювио-делювиальных отложений известняка и закрытые (подэлювиально-делювиальные) формы карста включаются в циркуляцию подземно-карстовых вод. Исследования показали, что на 710 летних возобновляющихся вырубках Южного Урала содержание валового гумуса, непосредственно влияющего на размер почвенных агрегатов [Д.В. Хан, 1969], снижается в перегнойно-аккумулятивном горизонте в пять раз по сравнению с исходным количеством. При медленном, часто неудовлетворительном развитии лесовосстановительных процессов, характерном для горного Урала [К.Б. Лосицкий, 1956; И.П. Положенцев, А.М. Зигангиров, 1961], деградация водно-физических свойств почв носит устойчивый характер. По данным Б.А. Миронова [1963, 1973], спустя несколько десятилетий после сведения лесов водопроницаемость горнолесных почв Южного Урала уменьшается в 30-80 раз, а на безлесных площадях в группе свежих типов лесорастительных условий она ниже по сравнению с лесом в 50-100 раз.
Механические свойства корней древесных пород (сосны обыкновенной, дуба черешчатого и осины обыкновенной)
Для лабораторных испытаний на прочность (на растяжение вдоль и поперек волокон) были использованы корни нескольких пород древесных растений лесообразователей, типичных для лесов региона, выполняющих водоохранные и почвозащитные функции согласно ГОСТ 12071-2000 (рисунок 6.11).
Осина (Populus tremula L.), - корневая система этого дерева мощная поверхностная, состоящая из очень длинных корней, которые расходятся в разные стороны от дерева на 25 и даже 30 м. Корневая система влаголюбива, требовательна к аэрации и не холодостойка. На рисунке 6.12 представлены корни осины, которые использовались для лабораторного испытания на растяжение.
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) - особенно ценится за пластичность корневища. Корневую систему сосны можно разделить на 4 типа, каждый из которых имеет отличия по форме и строению: I тип - мощная корневая система. Она характеризуется стержневым корневищем, из которого разрастаются и боковые корни. II тип - мощная корневая система, в которое главный стержень развит не сильно, что не скажешь о боковых корнях. III тип - плохо выраженная корневая система. Она представляет собой коротенькие корни, которые разветвляются в разные стороны. IV - неглубокая система корней. Несмотря на то, что она не сильно углубляется в грунт, она достаточно густая. Ее вид напоминает щетку.
Осина
На рисунке 6.13 представлены корни сосны, которые использовались для лабораторного испытания на растяжение.
Дуб черешчатый (Quercus robur L.) - корневая система этого дерева стержневая, достигает глубины 5м (это обеспечивает большую ветроустойчивость дуба) и лишь на подзолистых и каменистых почвах - поверхностная. Мощная, к 40 годам достигает 10 м. На рисунке 6.14 представлены корни дуба, которые использовались для испытания на растяжение.
Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространённым методом исследования и контроля свойств материалов. Данные испытания регламентируют с ГОСТ 27751-88, [1988].
ГОСТ 16483.23-73 «Древесина. Метод определения предела прочности при растяжении» содержит основные требования к испытательным машинам, необходимые указания о форме и размерах образцов, определение основных характеристик материала и порядок проведения испытаний. Полученные в результате опыта характеристики позволяют судить о прочности материалов при статическом нагружении. Испытания на растяжение производятся на разрывных или универсальных машинах, а также на прессах с применением реверсоров.
В исследовательских целях испытания на растяжение используются значительно шире, чем это предусмотрено ГОСТом для оценки однородности свойств дерева. Следует отметить, что самый элементарный контроль по временному сопротивлению и удлинению позволяет одновременно получить широкую информацию о свойствах испытуемого металла или дерева, а именно, оценить его способность к равномерной и сосредоточенной деформации, а также (при условии записи диаграммы деформации) работу деформации и разрушения при статической нагрузке. Испытания выполнялись на разрывной машине МР-200, автоматически вычерчивающая диаграмму растяжения. Общий вид машины показан на рисунке 6.15.
Машина предназначена для статических испытаний при нормальной температуре стандартных образцов древесины по ГОСТ 16483.23-73 «Древесина. Метод определения предела прочности при растяжении».
Механические испытания образцов древесины на растяжение на машине осуществляется путем деформирования образца до разрушения, измерения нагрузки на образце, перемещения активного захвата, скорости перемещения активного захвата. Нагружение образца осуществляется нагружающим устройством, представляющим собой вертикальную силовую раму, имеющую гидравлический силовозбудитель, состоящий из двух рабочих цилиндров, расположенных в цилиндрических стойках траверсы, и захватов. Измерение нагрузки на образце осуществлялось по давлению в рабочих цилиндрах траверсы. Нагрузка на образце измерялась силоизмерительным блоком пульта. На рисунке 6.16 показана схема установки образца корня в захватах испытательной машины МР-200.
Переключение диапазона измерения нагрузки производится без давления в рабочих цилиндрах ручкой, которая выведена на лицевую сторону пульта. Захваты предназначены для закрепления испытываемых образцов. В комплект сменных частей, поставляемых с машиной, входят обоймы для испытания цилиндрических образцов без головок, цилиндрических образцов с головками и плоских образцов по ГОСТ 1497-84.
Предложенные для испытания образцы замерялись и, поочередно устанавливались на аппарате для испытания, так она подвергаются статическим нагружениям, в процессе которых на диаграммном аппарате производится запись диаграмм сжатия соответствующих материалов. По контрольной стрелке шкалы силоизмерителя фиксировались максимальные нагрузки для каждого из образцов.
На диаграммном аппарате производилась запись диаграмм сжатия соответствующих материалов. По контрольной стрелке шкалы силоизмерителя фиксировались максимальные нагрузки для каждого из образцов.
Древесина отличается особым сопротивлением сжатию как материала анизотропного и обладающего волокнистой структурой. При сжатии, как и при растяжении, древесина обладает различной прочностью в зависимости от направления сжимавшей силы по отношению к направлению волокон.
По полученным диаграммам сжатия определяли максимальную нагрузку сжатия стального образца и разрушающие нагрузки для других образцов, корректируя их значения с показателями стрелки силоизмерителя, записывают показания в журнал испытаний. Далее определяли характерные значения напряжений и производили записи в журнал испытаний.
Все результаты проведенного измерения записывались для дальнейших расчетов.
Концепция повышения эффективности водоохранной и почвозащитной роли леса
В Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 г. отмечается, что происходит исчерпание природных ресурсов, в том числе лесных. Поэтому необходима разработка путей повышения эффективности лесопользования, учитывая принципы сохранения и воспроизводства средообразующих функций лесов, повышения конкурентоспособности лесного комплекса на внешнем и внутреннем рынках, обеспечения роста дохода и благосостояния населения от использования лесов.
При разработке направлений исследований использовались важнейшие законодательные и нормативные правовые акты, определяющие политику государства в лесном комплексе на длительную перспективу:
- Лесной кодекс Российской Федерации от 4 декабря 2006 г. № 200 - ФЗ;
- Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 г. (утвержденная совместным приказом Министерства промышленности и торговли Российской Федерации и Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 31 октября 2008 г. № 248/482);
- Лесной план Республики Башкортостан утвержденный Указом Президента Республики Башкортостан от 17 ноября 2012 г. № УП - 484);
- Стратегия социально-экономического развития Республики Башкортостан до 2020 года (утвержденная Постановлением Правительства Республики Башкортостан от 30.09.2009 г. № 370);
- Стратегия развития лесопромышленного комплекса Республики Башкортостан на период до 2030 года (утвержденная распоряжением Правительства Республики Башкортостан от 10 августа 2017 г. № 759-р).
Лесное хозяйство Республики Башкортостан является одной из важнейших отраслей экономики, обеспечивающей население и организации лесными ресурсами. Принципы сохранения и воспроизводства средообразующих и природоохранных функций лесов, повышения конкурентоспособности лесного комплекса на внешнем и внутреннем рынках, обеспечения роста уровней доходов, благосостояния населения должны быть основой использования лесного фонда.
Разработка путей повышения эффективности лесопользования при сохранении и воспроизводстве средообразующих функций лесов - основополагающий принцип ведения лесного хозяйства в России и Республике Башкортостан. Интенсивное развитие лесного хозяйства Республики Башкортостан предполагает сохранение ресурсно-экологического потенциала лесов, повышение их продуктивности и качественного состояния, биоразнообразия, повышение лесистости территории республики за счет увеличения объемов лесоразведения и т.д.
Таким образом, в качестве приоритетного направления в ведении лесного хозяйства, в том числе в защитных лесах, должна быть непрерывность и неистощительность лесопользования на фоне повышения продуктивности и защитной роли лесов.
Гидрологические ресурсы. В горах Южного Урала берут начало многие реки: Белая, Уфа, Урал и их притоки. Водные ресурсы этого региона формируются преимущественно в результате взаимодействия природных факторов. Роль климата в формировании водных ресурсов рассмотрена влиянием температуры воздуха и количества атмосферных осадков на водность рек: повышение температуры воздуха вызывает увеличение испарения и уменьшение поверхностного стока - основного количественного показателя водных ресурсов. На режим водных ресурсов влияние оказывают также ливневые дожди, особенно выраженные в горных районах и вызывающие летне-осенние паводки. Повышают водность рек атмосферные осадки, они же в большей степени определяют климатические различия по территории Республики Башкортостан. На Южном Урале из числа неклиматических факторов формирования речного стока наиболее важная гидрологическая роль принадлежит именно горным лесам как доминирующему типу растительности. В горах Южного Урала (север Белорецкого района) в районе среднегорного рельефа (Иремель-Авалякский массив) доминируют темнохвойные, южной границей развития которых служит широта сел Аскарово-Габдюково. Их ареал стоит особняком и на Уфимском плато. Особую роль в обеспеченности степной зоны водными ресурсами имеют водоохранные леса (бассейны рр. Урала, Сакмары, Таналыка). Исследование 11 водосборных площадей республики в соответствии с их зональным расположением показало, что структура водосборов главным образом зависит от физико-географического положения, природно-климатических характеристик, особенностей ландшафта водосборов и конфигурации речной сети.
Состояние лесного фонда и лесовозобновления. Из 6306,7 тыс. га лесов республики защитные леса различного целевого назначения занимают 2733,1 тыс. га (43 %), в том числе к ценным лесам отнесены 1007,6 тыс. га, лесам, выполняющим защитные функции природных и иных объектов - 413,8 тыс га, водоохранным - 271,9 тыс. га, запретным полосам лесов, расположенным вдоль водных объектов - 397,5 тыс. га, нерестоохранным полосам лесов - 10,2 тыс. га и т.д.
После многолетних сплошных концентрированных рубок на месте темнохвойно-широколиственных древостоев формируются лиственные древостои. Под их пологом можно отметить небольшое количество подроста ели и пихты (1270 экз./га, 32 %), которое, в основном, представлено экземплярами предварительной возрастной генерации, сохранившимися после рубки коренных древостоев. На обширных площадях вырубок последующее возобновление не происходит из-за отсутствия обсеменителей и наличия препятствия прорастанию семян и росту всходов со стороны развитого широкотравья и плотно сложенной подстилки из опада липы и осины. Под пологом коренных древостоев, не тронутых рубкой, из 2,4 тыс.шт./га благонадежного возобновления (5,5 тыс.шт./га общее количество подроста) 35,9 % (869 шт.) представлено пихтой, липой -29,3 % и елью - 10,6 %.
В северо-западной части плато происходит локальное усыхание еловопихтовых древостоев и ослабление сосняков. Учитывая более высокую устойчивость сосны по сравнению с елью и пихтой, можно рекомендовать ее для создания лесных культур на склонах южных экспозиций с маломощными почвами.
Влияние леса на снегонакопление и состояние почв. Исследования на пробных площадях показали, что величина снежного покрова находится в тесной зависимости от породного состава древостоя и метеоусловий года - хвойные накапливают снега меньше, чем лиственные. Определение запасов снега на створах крупных 11 водосборных площадей с различным зональным расположением методом маршрутной снегомерной съемки дало следующие результаты: коэффициент корреляции между площадью водоохранных лесов (га) и запасами воды (%) в снежном покрове на водосборных площадях водохранилищ от среднемноголетней нормы положительный г = 0,67 и характеризует тесноту взаимосвязи рассмотренных показателей выше средней. Отрицательное значение корреляции характерно для взаимосвязи расчетного предварительного объема стока (млн. м ) и площади водоохранных лесов. На тесноту связи этих показателей оказывают влияние климатические и орографические факторы, однако немаловажное и константное значение имеет величина площади водоохранных лесов на водосборных площадях.
Анализ результатов авиационной гамма-съемки в период с 10 по 23 марта 2017 г. снежного покрова по бассейну реки Белая и реки Урал по сети авиационных снегомерных маршрутов на территории Республики Башкортостан и сопредельных областях (Свердловская и Челябинская) по данным Министерства природопользования и экологии Республики Башкортостан показал, что данный метод позволяет наиболее точно определить толщину снежного покрова в труднодоступных и горных районах. При уровне вероятности 0,95 % запасы воды в снежном покрове (мм) по водосборным площадям бассейнов рек Белая и Урал на лесных участках по объектам исследования достоверно превышают запасы воды в снежном покрове полей от 9 до 80 мм, в среднем превышение составляет 29 мм.