Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 6
1.1. Гидрологическая роль леса 6
1.2. Химический состав вод лесных водотоков 26
1.3. Влияние сплошных рубок на водный баланс леса 38
1.4. Влияние сплошных рубок на химический состав вод лесных водотоков... 61
1.5. Анализ состояния вопроса 67
Глава 2. Методика исследований ...6$
Глава 3. Объекты исследования 73
3.1. Климатическая характеристика района исследований 73
3.2. Рельеф, геология и почвы 75
3.3. Характеристика лесной растительности 76
Глава 4. Исследование почвенных условий водосборов и изучение динамики уровня почвенно-грунтовых вод 77
4.1. Основные характеристики и особенности почв опытных водосборов 77
4.2. Динамика почвенно-грунтовых вод в результате проведения сплошных рубок 83
Глава 5. Исследование изменения элементов водного баланса в результате проведения сплошных рубок 90
5.1. Осадки 90
5.1.1. Режим выпадения осадков в период исследований 90
5.1.2. Оценка поступления жидких осадков под полог леса 94
5.1.3. Оценка запасов воды в снеге в лесу и на вырубке 95
5.2. Сток 98
5.2.1. Характеристика стока за период исследований 98
5.2.2. Оценка изменение модуля стока в результате проведения сплошных рубок 101
5.3. Оценка изменения суммарного испарения ПО
5.4. Анализ изменения элементов водного баланса в результате проведения сплошных рубок 112
Глава 6. Динамика химических показателей вод лесных водотоков 114
6.1. Изменение выноса азота в результате проведения сплошных рубок 114
6.1.1. Общий азот 114
6.1.2. Органический азот 120
6.1.3. Минеральный азот 125
6.1.4. Анализ изменения выноса различных форм азота в результате проведения сплошных рубок 133
6.2. Изменение выноса фосфора в результате проведения сплошных рубок. 144
6.2.1. Органический фосфор 144
6.2.2. Минеральный фосфор 148
6.2.3. Анализ изменения выноса различных форм фосфора в результате проведения сплошных рубок 152
6.3. Исследование динамики химического потребления кислорода 157
6.4. Исследования изменения мутности воды лесных водотоков в результате проведения сплошных рубок 160
Заключение (выводы и рекомендации) 165
Библиографический список использованной литературы 168
- Химический состав вод лесных водотоков
- Рельеф, геология и почвы
- Динамика почвенно-грунтовых вод в результате проведения сплошных рубок
- Режим выпадения осадков в период исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Существующая в настоящее время практика рубок главного пользования на Карельском перешейке при хорошо выраженном здесь мезорельефе и распространенности легкоранимых почв приводит к негативным изменениям в лесных экосистемах. Возникают эрозионные процессы, активно выщелачиваются элементы питания, разрушается и вымывается органическое вещество почв. Возрастает эвтрофикация лесных водотоков и водоемов. Снижается водорегулирующая и водоохранная роль лесов, степень выполнения ими биосферных и социальных функций.
Целью работы является исследование влияния сплошных рубок на гидрологический режим лесных водотоков и вынос биогенных элементов с малых лесных водосборов в таежной зоне.
Основные задачи исследования. 1. Изучение гидрологического режима постоянных лесных водотоков и определение его изменений в результате проведения сплошных рубок. 2. Исследование изменений элементов водного баланса малых лесных водосборов в результате проведения сплошных рубок. 3. Определение влияния сплошных рубок на вынос биогенных элементов и изменение химических характеристик вод лесных водотоков. 4. Определение влияния не-вырубленных защитных полос вдоль водотоков на вынос биогенных элементов. 5. Изучение динамики уровней почвенно-грунтовых вод и определение влияния на них сплошных рубок.
Научная новизна. Впервые для малых лесных водосборов таежной зоны (на примере Карельского перешейка) определено влияние сплошных рубок на динамику выноса биогенных элементов водотоками при вырубке сравнительно небольшой части водосбора (до 20 %). Оценена водоохранная роль невыруб- -ленных защитных полос вдоль водотоков на малых лесных водосборах.
Практическая значимость работы. Материалы исследования позволяют оценить степень влияния сплошных рубок на вынос биогенных элементов водотоками и прогнозировать изменения выноса при относительно небольшой доле вырубаемой площади водосбора. Полученные материалы могут быть использованы при проектировании размещения лесосек сплошных рубок с учетом границ водосборных площадей и при разработке нормативов ширины оставляемых защитных полос вдоль лесных водотоков.
Личный^вклад. Закладка пробных площадей и гидрологических створов, измерения стока и уровней грунтовых вод в течение всего периода исследований, отбор проб воды для проведения химических анализов, камеральная обработка полученных данных выполнены непосредственно автором.
Предметом защиты являются: 1. Оценка влияния сплошных рубок на гидрологический режим водотоков на малых лесных водосборах. 2. Закономерности динамики выноса биогенных элементов водотоками после проведения сплошных рубок на водосборах. 3. Оценка степени влияния невырубленных защйтньїх полос вдоль водотоков на динамику выноса биогенных элементов.
Химический состав вод лесных водотоков
П.П. Воронковым изучались закономерности процесса формирования и зональности химического состава вод местного стока. В работе [18] дана клас 27 сификация вод местного стока по происхождению. Выделены следующие 4 категории (вида): - поверхностно-склоновые воды, стекающие в русловую сеть по поверхности почвы и заканчивающие формирование химического состава на поверхности склонов водосборов; - почвенно-поверхностные воды, представляющие собой смесь поверхностно-склоновых вод и вод, дренирующихся из верхнего переувлажненного почвенного слоя. Химический состав таких вод формируется на поверхности почвенного покрова и в верхнем его слое; - почвенно-грунтовые воды, дренирующиеся русловой сетью из почвен-но-грунтовой толщи, в которой в период обильного увлажнения водосборов образуются временные водоносные слои; - грунтовые воды, которые формируют химический состав, проникая в процессе инфильтрации во всю толщу почво-грунтов, расположенную над постоянными водоносными слоями.
Воды различного происхождения, представляющие собой в общей сумме годовой сток с элементарных водосборов, получают максимальное развитие на водосборе в определенные гидрологические периоды. Поверхностно-склоновые и почвенно-грунтовые воды в наиболее характерном виде заполняют русловую сеть в течение весеннего половодья и длительных паводков. Почвенно-грунтовые воды количественно преобладают в русловой сети в периоды, переходные от половодья и паводков к межени. В течение всего остального времени года преобладающими в русловой сети являются грунтовые воды, причем в наиболее характерном, чистом виде они остаются здесь в периоды наиболее выраженной летней и зимней межени [5].
Проведено исследование химического состава стоковой воды различного происхождения в условиях южной тайги (Карельский перешеек). Установлено, что наиболее характерной чертой поверхностно-склоновых вод облесенных водосборов южной тайги является относительно высокая концентрация ионов ІҐ" (рН = 4,8 - 5,6) и очень малое содержание растворенных неорганических соединений. При этом весовое количество последних может быть в 2 - 6 раз меньше количества растворенных органических веществ [20].
При переходе на грунтовое питание в процессе инфильтрации вод количество растворенного органического вещества уменьшается, а общее содержание неорганических соединений увеличивается. При этом в грунтовых водах происходит уменьшение количества органических и неорганических кислот, что сопровождается и уменьшением концентрации ионов гҐ", вследствие чего рН этих вод значительно повышается - до 6,9 - 7,5. Воды почвенно-грунтового происхождения отличаются как от поверхностно-склоновых вод, так и от грунтовых и характеризуются промежуточными чертами, поскольку они заканчивают формирование химического состава в слоях, находящихся обычно между толщей почвы и водоносными породами, из которых дренируются грунтовые воды. В работе А.А. Соколова [97] сопоставляется годовой вынос неорганических ионов склоновым стоком с лесистостью административно-хозяйственных областей Нечерноземья на основании материалов Атласа гидрохимических ха 29 рактеристик местного стока. Взяв из этого атласа изолинии годового выноса солей малыми реками и привязав их к карте административного деления европейской части России, автор обнаружил, что наименьшее количество солей выносится с территории Мурманской области и Карелии. При продвижении в южном направлении (юго-запад, юг, юго-восток) вынос возрастает с 5 до 40 т с 1 км2 в год.
Такое неравномерное распределение размеров общего годового химического стока вызвано следующими причинами: соотношением объемов паводкового, межпаводкового и меженного стоков; геологическим строением территории и составом почвообразующих пород, неравномерностью развития сети малых рек, климатическими различиями районов, лесистостью территории, хозяйственной деятельностью человека и др.
Поскольку авторов [97] интересовал в наибольшей степени склоновый сток, то ими все анализируемые области были объединены в несколько групп с разным процентом лесистости, и для каждой из них рассчитана средняя вели-чина выноса солей с 1 км . В результате была получена закономерность, при которой с возрастанием процента лесистости уменьшается вынос неорганических ионов склоновым стоком. Данная закономерность понятна, но лесистость - далеко не единственный фактор, влияющий на вынос растворенных веществ водотоками. Принимая во внимание то, что авторами анализировался достаточно обширный и многообразный по своим условиям регион (Нечерноземная зона России), необходимо было попытаться учесть и упомянутые выше факторы.
В связи с тем, что выявленная закономерность была получена на основании литературных данных, авторами для ее проверки был проведен эксперимент по сравнению ионного состава вод двух групп малых водотоков (в Московской и Ярославской областях). Измерения содержания растворенных в воде солей производились в период положительных температур в 1977 году. На основании полученных данных были сделаны следующие выводы. 1. Лес в условиях Нечерноземья способствует формированию менее минерализованных вод склонового стока, чем малолесные или безлесные территории. 2. За счет склонового стока с лесных площадей в воде может повышаться органическая составляющая стока. Вполне понятно, что данные утверждения верны в тех случаях, когда на исследуемых территориях не ведется интенсивная хозяйственная деятельность. Институт "Союзгипролесхоз" [61] исследовал влияние лесных насаждений на чистоту стоковых вод с сельскохозяйственных угодий на малых водосборах (Куйбышевское водохранилище). Площадь водосборов на 70 - 90 % используется в сельском хозяйстве, в нижней части водосборов произрастают насаждения (20-летние культуры). Площади водосборов от 1,1 до 13,8 га. Наблюдения за химическим составом проводились в 1976 и 1977 гг. во время весеннего снеготаяния, когда сток несет 99 % годового объема воды.
Рельеф, геология и почвы
Водосборы расположены в западной части Центральной полого-холмистой возвышенности Карельского перешейка, в 15 км к северо-востоку от пос. Ро-щино и в 2-4 км к востоку от пос. Первомайское.
Основанием Центральной возвышенности служит древний выступ кембрийских пород, в склонах и террасированных уступах возвышенности обнаруживаются толщи моренных отложений. На поверхности преобладает хрящеватая моренная супесь, прикрытая слоем сортированного супесчаного наноса. Заметное влияние на почвообразование оказывают кристаллические породы, присутствуя в виде обломков в составе многих поверхностных отложений. Содержащиеся в них первичные минералы - полевые шпаты, слюда, роговая обманка и др. - являются источниками мобилизации в почвах ряда веществ, в том числе и элементов питания растений.
Отличающиеся минеральным богатством моренные супеси с обильным включением в них обломков кристаллических пород в условиях отсутствия за стоя верховодки в корнеобитаемых горизонтах обеспечивают хороший рост хвойных пород, в том числе и требовательной к почвам ели. Нередко встречаются почвы двучленного строения. При близком подсти-лании супесей водоупорной породой может возникать длительное переувлажнение верхних горизонтов, что приводит к заболачиванию.
Основные показатели лесной растительности на объектах исследования приведены в таблице 4. Для всех водосборов характерно преобладание еловых древостоев 60-100 лет, с примесью сосны и березы. Преобладающий тип леса -ельник-черничник. Водосборы «каньон» и «долина», составляющие экспериментальный водосбор, по своим средним таксационным показателям практически полностью совпадают. Различия наблюдаются только по доле открытых болот и свежих вырубок, однако при этом процент покрытой лесом площади очень близкий - 80 и 85 %. Контрольный водосбор отличается несколько более увлажненными почвами, о чем свидетельствует большая доля открытых болот. Процент покрытой лесом площади на контрольном водосборе также несколько ниже, чем на опытных водосборах.
Для общей характеристики почвенного покрова на объектах приводим описание двух характерных разрезов почв. Почвенный разрез 2. (Опытный водосбор, квартал 193, выдел 4, пробная площадь 2). Элемент мезорельефа - верхняя часть склона надпойменной террасы. Склон пологий, южной экспозиции. Микрорельеф выражен средне. Тип леса - ельник черничник свежий. Тип условий местопроизрастания В2. Древостой 9Е1С, класс возраста V, полнота 0,80. Запас 370 м3/га. Класс бонитета П.
В живом напочвенном покрове - зеленые мхи, черника. Крупные скелетные корни ели расположены в основном на глубине 0,1 - 0,3 м, мелкие сосущие - до 0,5 м, мертвые корни деревьев встречаются и на глубине 0,75 м. Уровень почвенно-грунтовых вод в среднем за период вегетации находится на 1,3 м (по измерениям в ближайшей к ПП 2 скважине № 3). Наличие вскипания от 10%-ной НС1 не обнаружено. Щебень различных размеров встречается с глубины 6 см и до материнской породы (80 см и более). Признаков оглеения не обнаружено. Описание почвенного разреза 2: АО 0-6 см, лесная подстилка, темно-бурая, сложение рыхлое, четкое разделение на три подгоризонта А01, А02 и АОЗ; в А02 и ниже - обилие мелких сосущих корней ели, переход в следующий горизонт заметный; А1А2 6-15 см, переходный гумусово-подзолистый горизонт, буровато-серый, мелкокомковатый, плотноватый, встречаются ортштейновые зерна черно-бурого цвета, корни деревьев, мелкий щебень; супесчаный, свежий, переход в следующий горизонт заметный, затеками.
В 15-47 см, иллювиальный горизонт, неоднородной окраски - ярко- и белесовато-охристый, ореховатои структуры, плотноватый, встречаются корни деревьев, угольки, щебень разных размеров, обломки глыб; супесчаный, свежий, переход заметный.
ВС 47-75 см, переходный горизонт, светло-бурый (бежевый), глыбистой структуры, плотный, встречаются мертвые корни деревьев, щебень; супесчаный, влажный, переход заметный. С 75-100 см и более, материнская порода, светло-бурый, структура слоева-тая, сложение плотное, встречается щебень; по механическому составу горизонт суглинистый, влажный.
Динамика почвенно-грунтовых вод в результате проведения сплошных рубок
С целью определения изменений уровня грунтовых вод (УГВ) в результате проведения сплошных рубок на опытном водосборе были заложены два гидрологических створа (ГС), состоящих из 9 (ГС № 1) и 7 (ГС № 2) скважин. ГС № 1 находился вне зоны проведения рубок и использовался в качестве контрольного. ГС № 2 находился на территории тех участков леса, которые были вырублены в июле-августе 1999 года. В течение калибрационного периода на обоих гидростворах проводились наблюдения (в среднем 1 раз в неделю) за уровнем грунтовых вод. Гидроствор № 2 отличался более глубокими УГВ, причем в четырех скважинах из семи в течение вегетационного периода УГВ был значительно ниже 2 м. В этой связи для исследований УГВ использовались данные всех скважин гидроствора № 1 (скважины № 0 - № 8) и только трех из семи скважин гидроствора № 2 (скважины № 11, 14, 15).
В таблице 7 приведены данные наблюдений за УГВ в течение вегетационного периода 1998 года, т.е. до проведения рубок. Скважины № 0 - № 8, входящие в гидроствор № 1, расположены на прямой линии, имеющей слабый уклон к ручью. Гидроствор № 1 пересекает пробные площади № 1 и № 2, таксационная характеристика которых приведена в таблицах 8 и 9. Скважины 1В и 2В заложены на близлежащей вырубке, расположенной несколько выше по рельефу, чем гидроствор № 1.
Наблюдения за УГВ в скважинах гидроствора № 1 позволили выявить некоторые особенности изменения УГВ в течение вегетационного периода. Колебания УГВ в течение вегетационного периода во всех скважинах, как в лесу, так и на вырубке, достаточно синхронны. Наименьшая амплитуда колебаний УГВ наблюдалась в скважинах, расположенных в нижней части склона, наибольшая - в скважинах, расположенных в средней части склона и на вырубке. Обращает на себя внимание достаточно большой разброс коэффициентов вариации УГВ (от 7 до 35 %). При этом наблюдается тенденция к росту коэффициентов вариации УГВ вниз по склону.
Средний УГВ за вегетационный период 1998 года составил: на ПП № 1 (скважины № 1 - 3) - 94 см, на ПП № 2 (скважины № 4 - 6) - 85 см, на вырубке (скважины 1В - 2В ) - 72 см. Динамика уровней грунтовых вод на пробных площадях показывает, что в течение всего вегетационного периода на ПП № 1и 2 УГВ был ниже 60 см, что свидетельствует о хороших условиях аэрации и минерального питания произрастающих здесь древостоев [103]. ПП№ 1 (скв. 1-3) -»-ПП№2 (скв.4-6) -А- вырубка (скв. 1В-2В)
В тоже время на вырубке УГВ в отдельные периоды достигал 40 см, при этом в течение всего вегетационного периода он был выше, чем на 1111 № 1 и 2. Оценка влияния сплошных рубок на динамику УГВ производилась путем сопоставления данных наблюдений за УГВ на гидростворах № 1 и 2. Для установления зависимости между колебаниями УГВ в скважинах на гидростворе № 1 и 2 по данным за калибрационный период (1996 - 1999 гг.) была построена корреляционная матрица (табл.10).
По данным табл. 8 для каждой скважины гидроствора № 2 были подобраны скважины из гидроствора № 1 с близким характером колебаний УГВ (с мак симальным коэффициентом корреляции между ними), что дало возможность обоснованно определить изменения в УГВ, произошедшие в результате сплошных рубок. Колебания УГВ в скважине № 11 (ГС № 2) наиболее тесно связаны с колебаниями УГВ в скважинах № 0 и № 1 гидроствора № 1 (коэффициенты корреляции 0,98 и 0,96). Изменения УГВ в скважине № 14 (ГС № 2) более всего согласуются с изменениями УГВ скважин № 2, 3, 4, 5, 6 гидроствора № 1 (коэффициенты корреляции 0,87 - 0,93). Колебания УГВ в скважине 15 (ГС № 2) наиболее коррелируют (коэффициенты корреляции 0,79 - 0,82) с УГВ скважин № 7 и № 8 (ГС № 1). Таким образом, все исследуемые скважины были объединены в 3 группы, в которых скважины характеризуются как близкими абсолютными значениями УГВ, так и синхронностью их колебаний. Сравнение средних значений УГВ в скважинах обоих гидростворов до и после рубки проводилось методом однофакторного дисперсионного анализа (табл.11).
Поскольку гидроствор № 1 находился вне зоны сплошных рубок, то в его скважинах произошли незначительные изменения УГВ, что подтверждается низким значением критерия Фишера (Fp FTa6n = 4,35). В то же время проведение сплошных рубок вызвало значительный подъем УГВ в скважинах гидроствора № 2, о чем свидетельствуют расчетные значения критерия Фишера, превышающие табличное (4,35). Причинами повышения уровня грунтовых вод после сплошной рубки являются увеличение количества осадков, достигающих поверхности почвы (см. раздел 5.1.) и отсутствие десукции воды корнями древесной растительности.
Режим выпадения осадков в период исследований
Для наших расчетов использовались данные о количестве выпавших осадков за период проведения исследований, полученные на метеостанции в пос. Рощино (табл. 12). Среднегодовое количество осадков за период исследований составило 851,7 мм, что значительно превышает среднемноголетнйе данные. Наиболее влажными оказались 1998 и 2000 годы (966,8 и 959,2 мм, соответственно). Самыми сухим был 1999 год - 634,4 мм. Обращает на себя внимание большой разброс коэффициентов вариаций среднемесячного количества осадков - от 1 2,4 до 89,0 % (рис.3).
Анализ данных выпадения осадков за период проведения исследований показал, что разница в среднегодовых значениях обусловлена в первую очередь различным количеством осадков, выпадающих в течение вегетационного периода (май-сентябрь). Коэффициент вариации за данный период составил 28,0 %, в то время как за оставшиеся месяцы (октябрь-апрель) - лишь 5,3 %.
Поскольку рубка на опытном водосборе проводилась в июле-августе 1999 года, то все данные по расчетам элементов водного баланса (в том числе и осадков, табл.13) производились не за календарные или гидрологические годы, а за целые годы до рубки (июль 1996 - июнь 1997; июль 1997 - июнь 1998; июль 1998 - июнь 1999 гг.) и после рубки (июль 1999 - июнь 2000; июль 2000 - июнь 2001 гг.).
Наблюдения за задержанием жидких осадков пологом леса проводились в ельнике-черничнике II класса бонитета на пробных площадях 1 и 2, типичных по таксационным показателям для экспериментального водосбора (табл.8 и 9). Кроме того, наблюдения одновременно проводили на расположенной поблизости 5-летней (на момент исследования) вырубке.
На каждой ПП на уровне поверхности почвы было установлено по 25 полевых дождемеров через каждые 3 метра. Такое количество приборов обеспечило получение средних величин слоя осадков с точностью 3,4 - 4,8 % при достоверности 0,68, коэффициент вариации составил 16 - 22 % (табл. 14).
На вырубке было установлено 6 дождемеров. Среднее значение поступивших в них осадков (в мм водного слоя) принималось за поступление осадков на открытом месте на уровне поверхности почвы.
Процент задержания осадков пологом 0 15,0 27,3 За изучаемый период задержание осадков пологом леса составило: на ПП 1 (в смешанном елово-сосновом древостое) - 15,0 %, на ПП 2 (в ельнике) -27,3 % от их количества на вырубке. При сопоставлении таксационных показателей пробных площадей видно (табл.8 и 9), что практически по всем параметрам пробные площади идентичны, за исключением состава. Таким образом, можно сделать вывод, что в данном случае различие в доле задержания осадков вызвано разной долей участия в составе ели и сосны. Учитывая, что средневзвешенный состав вырубленных выделов - 6,8ЕЗ,2С, методом интерполяции мы вычислили средневзвешенную долю задержания жидких осадков теми участками леса, которые были вырублены. Данное значение оказалось равным 18,6 %, т.е. в результате сплошной рубки поступление жидких осадков к поверхности почвы увеличилось на 22,6 %.
Снегомерная съемка с помощью весового снегомера проводилась ежегодно на вырубке, в еловом древостое (ПП 2) и в елово-сосновом древостое (ПП 1) в начале весны до начала снеготаяния. Число измерений составило от 10 до 18, что обеспечило точность опыта 1,4 - 4,8 %. Коэффициент вариации запасов воды в снеге составил 5 - 18 % (табл.15). При сравнении запасов воды в снеге в различных условиях за 100 % были приняты данные, полученные на вырубке .
Учитывая, что разница в накоплении снега связана в первую очередь с составом насаждений, и принимая в расчет средневзвешенный состав вырубленных выделов (6,8ЕЗ,2С), методом интерполяции мы рассчитали средневзвешенную долю задержания твердых осадков, которая составила 23%. Таким образом, после проведения сплошных рубок запасы воды в снеге на вырубке увеличиваются на 30 %. 5.2. Сток 5.2.1. Характеристика стока за период исследований
Динамика изменения модуля стока в период весеннего половодья (рис. 4) идентична для различных по степени увлажнения лет и различается только датой прохождения пика половодья. Данное сходство объясняется тем, что количество выпадающих осадков за холодный период года (октябрь-апрель) слабо варьирует по годам, а также тем, что водосборы малые, и таяние снега происходит практически одновременно во всех частях водосбора. Наибольшие отличия в динамике модуля стока в различные по увлажнению годы наблюдаются в теплый период года (май-сентябрь). К этому приводят, как отмечено выше, существенные различия в количестве осадков за данный период года.
