Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Естественно-исторические условия. Характеристика объектов исследований 9
Глава 2. Программа, объем работ.Методика исследований 28
Глава 3. Поступление осадков под полог насаждений различного оостава 37
3.1. Поступление осадков под полог хвойных и лиственных насаждений 37
3.2. Влияние возраста хвойных и лиственных насазздений на поступление осадков подполог 53
3.3. Влияние густоты насаждений и рубок ухода на поступление осадков 61
3.4. GTOK осадков по стволам основных лесо-образующих пород 70
Глава 4. Водно-физические свойства лесных почв и их значение для оценки гидрологической роли на сазздений 78
4.1. Объемная масса почв 80
4.2. Водовмесгимооть почв (полная влагоем-коогь) 91
4.3. Водовместимость лесной подотилки 92
4.4. Корневые системы древесных растений как фактор дренирующей роли лесных почв 100
4.5. Водопроницаемость почв 106
4.6. Промерзание почв 114
4.7. Основные особенности водно-физических свойств почв з насаждениях различного состава 119
Глава 5. Динамика запасов почвенной влаги в насаждениях различной структуры 122
5.1. Влагоемкоеіь почв 123
5.2. Режим влажности почв в хвойных и лиственных насаждениях 124
5.3. Режим влажности почв в зависимости от возраста насаждений 129
5.4. Режим влажности почв в зависимости от густоты насаждений и рубок ухода 131
5.5. Общие особенности режима влажности почв в хвойных и лиственных насаждениях 139
Глава 6. Расход влаги на испарение с поверхности почвы и транспирация напочвенного покрова в на саждениях различного оостава 141
6.1. Испарение с почвы и напочвенного покрова в насаждениях различного состава 141
6.2. Суммарное испарение в переходные периоды года и его лесогидрологическое значение 151
6.3. Некоторые особенности транспирации насаждений различного состава 160
Глава 7. Баланс влаги в насаждениях различного состава и оценка их гидрологической роли 164
Выводы и практические предложения 195
Литература 199
Приложения 221
- Естественно-исторические условия. Характеристика объектов исследований
- Программа, объем работ.Методика исследований
- Влияние возраста хвойных и лиственных насазздений на поступление осадков подполог
- Корневые системы древесных растений как фактор дренирующей роли лесных почв
Естественно-исторические условия. Характеристика объектов исследований
Район исследований - Клинско-Дмитровская гряда - расположен в центральной части Великой Русской равнины в бассейне Верхней Волги и Оки. В пределах Московской области она широкой полосой тянется с юго-запада на северо-восток и представляет часть обширной Смоленско-Московской возвышенности. В основании гряды залегают породы среднего и верхнего карбона, а выше их юрские глины, покрытые отложениями мела. Последние нередко выходят на поверхность и играют значительную роль в строении современного рельефа.
Четвертичные отложения представлены мореной, перекрытой на большой части территории покровными суглинками. Мощность четвертичных отложений гряды невелика в восточной части от І до 3 м, но на западе возрастает до 85-91 м (например у ст.Шаховская) (Дик и др., 1949). Средние абсолютные высоты гряды - 240-260 м, наивысшие - 311 м ( в районе истоков Москвы реки). Характерной чертой гряды является ясно выраженная ассиметрия - крутой северный и пологий южный скаты.
По карте физико-географических районов центральных нечерно -земных областей европейской части СССР (Гвоздецкий и др., 1959), Клинско-Дмитровская гряда входит в Смоленско-Московскую провинцию.
По А.Л. Знаменской (1970) для северной части гряды характерна изрезанность глубокими оврагами (80-100 м). При этом довольно интенсивный процесс оврагообразования наблюдается даже на территориях, занятых лесами, гидрологическая сеть сильно развита. Русла рек глубоко врезаны, как правило, выраженным 2-3 террасами
разной высоты. Отмеченные особенности геоморфологии, а также наличие на территории области большого числа рек (Ока, Москва, Клязьма, Руза, Истра, Дубна, Пахра, Нара, Лопасня, Осетр и др.)і озер (Сенеж, Глубокое, Святое, Дубовое, Тростенское и др.)» речек и водохранилищ питьевой воды ( Учинское, Клязьминское, Истринское, Рузское, Озернинское, Можайское, Яхромское, Иншинское, Вазузское) свидетельствует о важности водоохранных мероприятий, к числу важнейших среди которых следует отнести гидрологическую роль лесов.
Объекты наших исследований, располагались в двух основных подрайонах гряды ( Можайско-Волоколамском и Дмитровско-Загор -ском). Это дает основание считать, что полученные материалы и выводы характерны для большей части региона.
Почвы.Для района исследований характерно большое разнообразие почв, однако доминирующими являются дерновые средне и сильноподзолистые, залегающие на разнообразных элементах рельефа и формирующиеся на различных типах ледниковых отложений (РисЛ).
По механическому составу преобладают средне-тяжелосуглинистые и глинистые почвы на покровных суглинках, подстилаемых моренными валунными суглинками. Мощность покровных суглинков обычно невелика (2-3 м). Для местоположений с недостаточным дрена -жом характерна оглеенность почв разной степени, а в местоположениях к застойным увлажнением встречаются торфяно-глеевые и перегнойно торфяные почвы. (Агротехнический справочник Московской обл., 1954).
Для почв тяжелого механического состава в периоды интенсивной влагозарядки характерно образование внутрипочвенной верховодки, на горизонте В. Наши наблюдения показывают ( таблица І.І. и рис.2), что глубина и продолжительность стояния верховодки
Растительность. По общему характеру растительности район исследований входит в подзону смешанных хвойно-широколиственных лесов (Курнаев, 1958, 1973; Иваненко, 1962), отнесенную к центральной лесоэкономической подзоне зоны малолесных районов (Цы-мек, 1976). Леса области занимают около 40% всей её земельной территории и служат различным задачам народного хозяйства области и Москвы (Тимофеев, 1966).
Флора и растительность характеризуются большим разнообразием, что тесно связано с разнообразием природных условий. По В.В.Алехину (1925), на территории Московской области произрастает около 1080 видов растений ( не считая заносных), тогда как во всей Европейской части СССР насчитывается 2060 видов ( Маевский,1964).
Типы леса. Основные типы: ельники-сложные и. их ПРОИЗВОДНЫЕ особенно характерны для Клинско-Дмитровской гряды. Ельники черничники на Клинско-Дмитровской гряде довольно редки, в то время как в более северных районах этот тип обычен.
Климат. Расположение в центре Восточной Европы, удаленность от значительных горных поднятий, отсутствие существенных конт -растов в рельефе, и небольшая территория определяют относительную однородность и континентальность климата (Говорухин, 1947). Среднегодовая температура воздуха составляет +3,7С и с колеба -нием по области в пределах 3-4С. Наиболее низкие температуры (до -30-35С) бывают в январе, средняя температура которого составляет -Ю,5С. Самым теплым месяцем является июль со среднемесячной температурой +Х8С. Абсолютный максимум температуры приходится на июль-август - до 36-40С. Ветровой режим области характеризуется преобладанием северозападных, западных и северных ветров в теплый период ( май-сентябрь) и юго-западных, южных и западных - в холодный. Область относится к зоне достаточного увлажнения со среднегодовой суммой осадков 650-670 мм, с колебаниями в отдельные годы примерно от 500 до 900 мм. Средняя температура в пределах Клинско-Дмитровской гряды несколько ниже, а осадков выпадает больше, что связано с более высоким положением над уровнем моря (Небольсин, 1925). Устойчивый снежный покров образуется обычно в конце ноября. Самая ранняя и самая поздняя даты образования устойчивого снежного покрова отмечены соответственно 23 октября и 28 января. К концу зимы высота снежного покрова достигает в среднем 30-45 см. Запас воды в снеге составляет в среднем 80-105 мм. Все леса района относятся к 1-й группе в которых сплошно-ле-сосечные рубки запрещены; проводятся рубки ухода, санитарные и лесовосстановительные рубки. В составе лесного фонда преобладают мягколиственные породы, в основном береза, на фоне хвойных ( в основном ель) пород приходится 40%, твердолиственные занимают около 2% площади ( таблІ-2).
Программа, объем работ.Методика исследований
Влияние возраста хвойных и лиственных насазздений на поступление осадков подполог
Густота кроны изменяется с возрастом насаждения и поэтому возрастная структура древостоев оказывает существенное влияние на проникновение осадков к поверхности почвы.
Исследования, выполненные разными авторами в различных природных условиях, свидетельствуют о том, что проникновение осадков к поверхности почвы зависит и от строения древостоев (Во -ронков,1969; Молчанов,I960; Грибов, 1975; Волокитина, 1979 и др.). Сложные и разновозрастные древостой задерживают большее количество осадков, чем простые и одновозрастные ( Побединский, 1979).
По данным ВНИИЛМ, на Урале высота и максимальные запасы снега в молодняках значительно больше, чем в спелом лесу, а высота снежного покрова в лиственных молодняках выше, чем на открытых участках.
Е.Д.Сабо (1962) указывает, что с увеличением возраста еловых лесов уменьшается запас снега. М.И.Захаров (1939) отмечает, что на снегонакопление в лесу оказывает влияние, помимо полноты, также возраст и бонитет. Данные таблицы 3.2.1. свидетельствуют о том, что с увеличением возраста молодняка запасы воды в снеге под его пологом уменьшаются. Наименьших величин они достигают в стадии жердняка, по мере увеличения возраста и уменьшения полноты и сомкнутости древостоев они возрастают. Наши данные согласуются с выводами А.В.Побединского (1979).
Большой интерес представляет познание гидрологической роли небольших открытых пространств среди леса (поляны, прогалины), занятых, как правило, травянистыми, в основном луговыми фитоце-нозами. Kredmev V (1968) отмечает, что в горных районах мелкие
поляны в зимы с изменчивой погодой в среднем накапливают на 193%, а в мягкие - на 125% влаги больше, чем открытые пространства. По Г.Б.Паулюкявичюсу (1978), превышение запасов снежной влаги на малых полянах, по сравнению с хвойными лесами, также достигают двухкратных значений. Для обоснования выбора "эталонной" лесной поляны с необходимыми геометрическими размерами было проведено специальное исследование С.Ф.Федоровым (1970,1977) по оценке улавливаемости жидких и твердых осадков в лесу, в зависимости от размеров полян и скорости ветра. Установлено, что для измерения жидких осадков в лесу осадкомеры должны быть установлены на полянах с углом закрытости к горизонту в пределах 30-50, а для твердых осадков угол закрытости горизонта - 60. Все эти данные свидетельствуют о благоприятной гидрологической роли небольших лесных полян.
Наши исследования показали (табл.3.2.1.), что максимальные снегозапасы в 1977 году наблюдались в окнах диаметром 15-20 м - 178 мм, при большем размере "окон" замечается тенденция к уменьшению снегозапасов, хотя в отдельных случаях они были значительны (158 мм) и на полянах размером до 0,5 га. На втором месте по снегозапасам стоят лиственные древостой и вырубки, возобновляющиеся лиственными породами или с зарослями кустарников (156 мм), далее следуют смешанные насаждения (120 мм) и на последнем месте стоят ельники, в которых снегозапасы не превышали 92 мм. При возрасте ельников 65-90 лет отмечается некоторая зависимость накопления снега от сомкнутости крон: при сомкнутости 0,9 запас снега равен 84 мм, при 0,8-0,9 - 88 мм и при 0,7-0,8 -92 мм.
В местах падения комьев снега с крон елей уменьшается высота снега и повышается его плотность, что приводит, в свою очередь к возрастанию запаса воды с 84 мм ( в среднем по пробной площ, до 96 мм). Рядом с падающими комьями также возрастают плотно -сти и наблюдается увеличение высоты снега ( с 32 до 35 см), с одновременным увеличением запаса воды в нем - до 105 мм. и II
В отличие от окон , расположенных в сосновом древостое в "окнах" среди ельника зарегистрировано заметное увеличение высоты снежного покрова, а также отмечена тенденция увеличения высоты снежного покрова с возрастанием диаметра "окна". Так,по сравнению с 80-летним ельником (39 см) высота снега в окне 5-6 м составила 52 см, в окне 10x15 м - 56 см. В 50-60-летнем ельнике в окнах с увеличением диаметра от 7 до ІЗ м высота снега соответственно возрастала от 41 до 48 см.
При обосновании их оптимальных размеров целесообразно руководствоваться приведенными выше данными. Активные поиски путей увеличения стока с лесных водосборов привели исследователей к выводам о благоприятной в этом отношении роли просек, а также чередования полос лиственных и хвойных насаждений. Так, A.ft.Hibbe t (1977), обосновывая лесохозяйственные мероприятия по воздействию на влагооборот бассейна р.Колорадо, отмечает , что при уменьшении транспирации и испарения только на 1% питание подземных вод и поверхностных водотоков увеличится на 2,156 км3. Наряду с изменением видового состава растительности и регулированием ее густоты важное значение он придает созда -нию просек для аккумуляции снега и уменьшения транспирации. Сделан вывод о возможности уменьшения потерь влаги с помощью этих мероприятий на 4,928 км3 в верхней и на 2,464 км3 в нижней части бассейна. В.Н.Данилик (1978) приводит данные американских исследователей (Clause и,Л асе, 1972) согласно которым для макси мального гидрологического эффекта ширина коридоров должна быть равной 1-2 высотам насаждения при чередовании с кулисами такой же ширины. Однако и более узкие просеки, типа технологических коридоров, будут, надо полагать, оказывать положительное влияние на накопление влаги. В.Н.Данилик (1978), обосновывая ширину полос из лиственных пород, считает, что она должна не превышать длины тени, отбрасываемой хвойными породами.
Положительно следует оценивать небольшие поляны (диаметр 2- 3 высоты окружающего древостоя) и просеки разных размеров, особенно если их создание отвечает одновременно задачам орга -низации рекреации или технологии проведения лесохозяйственных мероприятий ( технологические коридоры ).
Большое внимание следует уделять повышении точности и надежности определения основных характеристик снежного покрова, поскольку, ошибки допущенные при определении запаса воды в снежном покрове могут быть существенными и приводя к заметным искажениям в расчетах и прогнозах стока ( Змиева, Субботин, 1977). Упомянутыми авторами было показано, что точность учета снегозапасов в большей мере зависит от погодных условий, струкутры снега, степени шероховатости цилиндра снегомера и других факторов.
Корневые системы древесных растений как фактор дренирующей роли лесных почв
Разноречивость выводов относительно гидрологической роли различных типов растительного покрова в какой-то мере связана с отсутствием четкой терминологии по данному вопросу (Воронков, 1981). Поэтому остановимся кратко на принятом нами содержании отдельных терминов.
Под водорегулирующем значением лесов обычно понимают его воздействие на поступление воды в водоемы и предохранение их от заиления. Водорегулирующие леса, в понимании М.Е.Ткаченко, не увеличивают общего стока.
Что касается водоохранной роли леса, этот термин иногда отождествляют с водорегулирующей ролью (Смарагдов, 1939) или связывают с увеличением стока, особенно для периодов минимумов запасов воды (Ткаченко, 1955). Н.А.Воронков (І98Г), уточняя эти понятия считает, что под водоохранной функцией следует понимать способность насаждений увеличивать объем суммарного стока или благоприятно воздействовать на качество воды; под водорегулирующей - способность переводить поверхностную составляющую стока в подземную путем перераспределения осадков, улучшения водно-физических свойств почв, замедления снеготаяния и т.п. Такое содержание названных терминов принимается и в нашей работе.
В соответствии с целевой установкой темы нами изучены следующие аспекты гидрологической роли насаждений различного состава, возраста, густоты и других особенностей структуры: - закономерности поступления жидких и твердых осадков под полог насаждений. Особое внимание при этом уделялось осадкам холодного периода, как основному элементу формирования стока, а также осадкам стекающим по стволам деревьев как малоизученным; факторы и процессы фильтрации влаги в почву, включающие интенсивность снеготаяния, водно-физические свойства почв (водопроницаемость, влагоемкость, объемные веса) их температурный режим и глубины промерзания, мощность корнеобитаемой зоны, значения и факторы поверхностного стока, как при условиях атмосферного увлажнения, так и при исскуственном дождевании. динамика влажности почв и запасов влаги в корнеобитаемом слое почв, а также особенности питания почвенно-грунтовых вод и внутрипочвенной верховодки. физическое испарение влаги с поверхности почвы и лесной подстилки, в том числе потери влаги в ранневесенний период, когда испарение происходит при практически неограниченном увлажнении.
Кроме исследований в насаждениях различающихся составом и густотой, по всем вопросам программы подобные работы проведены в хвойных (ель, сосна) и лиственных (береза) насаждениях пройденных рубками различной интенсивности. Эти исследования выполнены с целью оценки гидрологического эффекта рубок ухода и обоснования наиболее приемлемой технологии их проведения, обеспечивающей сохранение или повышение положительных проявлений влаго-оборота насаждений.
Изучение практически всех основных элементов влагооборота насаждений позволило рассчитать их водный баланс, оценить гидрологическое значение и получить исходные данные для экономической оценки гидрологической роли лесов. Сведения об объеме проведенных работ по отдельным вопросам программы представлены в табл. I.
При исследованиях использовались, в основном методические подходы, изложенные в наставлениях, а также в отдельных работах (Молчанов, I960; Поздняков, 1963; Воронков, 1970, 1972, 1979 и другие). Леооводственные, таксационные и геоботанические наблюдения выполнялись в соответствии с "Методическими указаниями по изучению типов леса" (Сукачев, Зонн, Мотовилов, 1957) и "Прог -раммой и методикой биогеоценотических исследований" под редак -цией В.Н.Сукачева и Н.В.Дылиса (1966).
Запасы воды в снеге изучались путем проведения снегомерных съемок в период максимальных снегозапасов ( как правило в марте месяце). При этом определялись мощность, плотность и запас воды в снеге ( Мурашов, Рутковский, 1940).
Жидкие осадки на открытом месте учитывались стандартными осадкоыерами Третьякова с защитой Нифера с приемной поверхностью 200 сьг. Перехват жидких осадков пологом леса определялся по разнице между количеством их, уловленных осадкоыерами на поляне и проникших сквозь полог древостоев. Для этой цели на лесных объектах устанавливались по 12-15 стандартных осадкомерных ведер с площадью приемной поверхности 200 смс, частично использовались также нестандартные осадкомеры с площадью приемной поверхности 100 см2. Такая повторность обеспечивала точность наблюдений равную 4-6% (Молчанов, I960; Осипов, 1967).
Сток осадков по стволам деревьев улавливался с помощью приствольных воронок, закреплявшихся спиралеобразно на деревьях на высоте 1-1,3 м. Воронки устанавливались на экспериментальных площадках. Изучали сток по стволам трех древесных пород: березы, ели, осины (Воронков, Кожевникова, Данилов, 1979).
Влажность почвы определяли термовесовым методом на глубину до одного метра в трехкратной повторности при отборе образцов через 10 см. Такая повторность обеспечивает удовлетворительную для подобных исследований 10-процентную точность (Роде,I960). Запас влаги по слоям расчитывался по формуле:
М » 0,1 х p h J) , где М - запас влаги, мм; Р - объемный вес, г/см3; h - толщина слоя, см; и) - весовая влажность почвы в процентах для данного слоя. Объемные веса почв изучали до глубины 15 см - в 16-кратной повторности, до 100 см - в 8-кратной и глубже 100 см в 6-ти кратной повторности. Образцы отбирались объемным буром Васильева (250 см3) на горизонтальных площадках размером 50 х 50 см.
Для определения капиллярной и полной влагоемкоети почв об -разцы их объемом 500 см3, отобранные буром Васильева (БП-50), в лабораторных условиях устанавливались на водопоглощение, в соответствии с рекомендациями, изложенными в "Руководстве по определению агрогидрологических свойств почв на гидрометеостанциях11 Гидрометеоиздат, Л-д, 1956. Повторность определения 5-ти кратная.
