Автор: О. А Белоцерковская
В проектах гидротехнических мелиораций последних лет основное внимание уделяется регулирующим сооружениям, созданию мелиоративных систем двухстороннего действия. Но как бы ни были совершенны современные осушительные мелиорации, независимо от условий они должны выполняться с учетом природных факторов и особенностей водного режима, а также энергетического баланса болот и прилегающих к ним суходолов в любой конкретной обстановке. Выбор способов осушения, обеспечивающих действительное регулирование водного режима, и применяемых для этого мероприятий должен основываться на всестороннем изучении факторов среды, особенно водно-теплового баланса. К тому же для выявления оптимальных условий произрастания того или иного ценоза, с последующим регулированием режима среды, трудно переоценить важность исследования процессов физического взаимодействия между компонентами биогеоценоза — фитоценозом, приземной атмосферой вне и внутри растительного полога и зоной аэрации. Особенно важное значение приобретают исследования такого рода в Белоруссии, в частности в одном из наиболее крупных регионов увлажненной зоны Европы — в Полесской низменности, где в настоящее время развернуты и интенсифицированы большие мелиоративные работы. Общая водосборная площадь бассейна р. Припять составляет более 12 млн. га, из них болотные и заболоченные земли занимают 37,5%, т. е. 4,5 млн. га, из которых каждый четвертый гектар уже осушен. В недалеком будущем намечено мелиорировать еще несколько миллионов гектаров, что в сумме составит 23% всей площади республики. Столь внушительный размах гидромелиоративных работ ставит перед наукой проблему комплексного исследования изменения факторов среды данной территории, особенно лесных экосистем, так как именно Полесье наиболее лесистая часть республики (43,7%).
В отделе гидробиофизики и экологии леса БелНИИЛХ проводятся такого рода работы, посвященные изучению режима, баланса тепла, лучистой энергии и влаги в деятельном слое леса в различных лесорастительных условиях осушенных и неосушенных зон Полесья.
Принцип нашего методического подхода состоит в том, чтобы, не загромождая излишними данными намеченное исследование, получить максимально возможный объем количественной информации. Чем больше будет фиксироваться факторов, тем корректнее и объективнее будут выводы. К тому же при наличии большого разнообразия количественных связей в анализируемой системе появляется возможность применения оптимальных решений.
Так, например, основной энергетический источник тепловлагообмена в природе — радиационный баланс — главным образом зависит от отражательной способности различных типов леса — альбедо. В свою очередь, альбедо зависит от времени дня, количества и характера облачности, окраски и степени увлажнения, лесорастительных условий, периода вегетации. Степень же увлажнения зависит от количества выпадающих осадков, глубины залегания уровней грунтовых вод и физико-механического состава почв. Что же касается суммарного влагопотребления леса и его транспирирующей способности, то они целиком и полностью зависят от радиационного баланса и потока тепла в почву: чем больше тепловой энергии уходит в почву, тем меньше ее остается на процессы суммарного влагопотребления и транспирирующей способности. Но сам по себе тепловой поток в почву непосредственно зависит от радиационного баланса, поступившего под древесный полог. Степень же нагреваемости корнеобитаемого слоя, т. е. его температура, зависит от количества тепла, поступившего в почву. В свою очередь, физическое испарение зависит от интенсивности тепломассообмена в зоне аэрации. От соотношения приходо-расходных статей водно-теплового баланса зависит температура и влажность воздуха в лесу. Но именно температура и влажность определяют степень теплового излучения леса в атмосферу — эффективное излучение, которое является одним из слагающих радиационного баланса. В целом же все эти факторы дают представление о водно-тепловом режиме леса и о его влиянии на продуктивность лесонасаждений.
Зная количественные характеристики компонентов данной анализируемой системы и удельный вес влияния каждого фактора в отдельности, а также суммарного воздействия нескольких групп или одной группы компонентов (системы) на прирост лесонасаждений, можно решать целый ряд задач как в научном, так и практическом плане, касающихся не только основной задачи лесного хозяйства — повышения продуктивности лесных насаждений, но и других, не менее важных задач в биогеоценологии, в том числе и оценки влияния антропогенного вмешательства.
Таким образом, основное направление наших работ сводится к определению в деятельном слое леса осушенных и неосушенных зон следующих характеристик: радиационного режима (суммарной и отраженной радиации, фотосинтетически активной радиации, длинноволнового излучения, радиационного баланса); суммарного испарения, транспирации, физического испарения, температурного и влажностного режима почв, воздуха и биомассы; послойного тепловлагообмена и внутрифазовых превращений воды в почве на разных глубинах в зоне аэрации с совместным изучением текущего прироста насаждений. К тому же с 1973 г. на примере сосняков черничных начато изучение физико-химических свойств почв, лесной подстилки, осадков и почвенно-грунтовых вод с дальнейшим выявлением связи динамики составляющих водно-теплового баланса (света — тепла — влаги) с динамикой физико-химических свойств указанных элементов биогеоценоза. Следует заметить, что пока на современном этапе осуществить построение баланса элементов минерального питания в лесном биогеоценозе чрезвычайно сложно, так как еще не изучены отдельные звенья механизма переноса и превращения веществ в нем. Рассмотрение же этого вопроса на фоне водно-теплового баланса деятельного слоя леса в динамике позволит объяснить некоторые особенности режима минерального питания и его изменение под влиянием погодных условий и хозяйственных мероприятий (в нашем случае осушения).
Таким образом, на территории Полесья осуществляется эксперимент, представляющий собой весьма обширный и сложный комплекс тесно увязанных между собой гидробиофизических, а также таксационных измерений в различных лесорастительных условиях.
Актинометрические наблюдения проводятся по типу вертикального профилирования через каждые 2 м, начиная от поверхности лесной подстилки до верхушки кроны и выше ее на 4—10 м, в зависимости от высоты слоя вытеснения, с помощью специально смонтированных мачт из сухостойных деревьев. Следует отметить, что мачты из сухостойных деревьев экономичны, удобны и не в пример мачтам металлической конструкции почти не нарушают микроландшафт лесного ценоза. Кроме этого, под пологом деревьев в нескольких направлениях в зависимости от характера подпологовой фитосреды неоднозначной освещенности проводится горизонтальное профилирование по каждому направлению в 15—20 точках с расстоянием между ними в 1—3 м.
Термометрические наблюдения (измерение температуры биомассы, температуры и влажности воздуха) проводятся одновременно с актинометрическими по тому же принципу.
Теплофизические наблюдения включают измерение потока тепла, поступающего в почву, теплопроводность и объемную теплоемкость почвы, температуру поверхности и корнеобитаемого слоя почвы на глубинах 2—5—10—15—20—50 см. Наблюдения проводите я одновременно с актинометрическими и термометрическими замерами.
Измерение осадков и влажности почвы. Осадки измеряются в лесу (под кроной, в межкроновом пространстве), на вырубке и в поле. Почвенные пробы для определения влажности отбираются периодически, зачастую одновременно на всех стационарах с обязательным отбором проб в начале и в конце замеров приходо-расходных элементов водно-теплового баланса (в определенные фазы вегетации — май, июнь, июль, сентябрь), а также в начале и конце вегетационного периода. Кроме того, образцы почв берутся в дни с устойчивой засушливой погодой и в дни после выпадения обильных дождей послойно с глубины: 0—2, 2—5, 5—10, 10—20, 20—50 см и далее вплоть до уровня грунтовых вод. В лесах черничного типа по генетическим горизонтам берутся пробы почв на химический анализ и влажность. Анализируется химический состав осадков из дождемерных стаканов Давитая.
В период вегетации уровень грунтовых вод измеряется ежедневно, с октября по май — еженедельно. Почвенно-грунтовые воды на химический анализ (pH, общее содержание фосфора и калия) берутся в специальных ситалловых колодцах или в свежевырытых шурфах.
Сток измеряется на элементарных стоковых площадках в лесу (в лишайниковых и вересковых типах леса) и в водотоке на замыкающем створе данного бассейна. На стоковых площадках он измеряется в период проведения водно-теплобалансовых наблюдений, в водотоке — ежедневно в период паводка и периодически в летне-осеннюю межень.
Скорость ветра определяется по принципу вертикального профилирования (под кроной, в кроне, над кроной и в поле) в дни, когда сила ветра не превышает 7 м/с.
Наблюдения за облачностью и состоянием погоды проводятся визуально.
Сроки наблюдений 07—08 ч 30 мин — 10—13—16—19 ч, в период серийных замеров — ежечасно в течение суток.
Как показал наш опыт, при использовании современной дистанционно-измерительной аппаратуры данный комплекс вполне реален для осуществления.
Все полученные данные и их статистическая обработка, а также расчеты турбулентного теплообмена, суммарного и физического испарения, транспирации рассчитываются на ЭВМ по разработанным отделом программам.
Суммарное испарение рассчитывается по методу теплового баланса (с использованием уравнения теплового баланса и по формуле М. И. Будыко и М. П. Тимофеева, 1952). Физическое испарение рассчитывается также по методу теплового баланса, но уже деятельного слоя почвы (Белоцерковская, Романов, 1967, 1969).
Таксационные наблюдения. Текущий прирост лесонасаждений определяется стационарным методом в октябре каждого года, в то же время изучается динамика прироста внутри вегетационного периода во взаимосвязи с динамикой составляющих водно-теплового баланса. Текущий прирост по площади сечения определяется путем обмера всех деревьев рулеткой на высоте 1,3 м с точностью до 0,1 см. В молодняках, у деревьев высотой до 2,6 м диаметр измеряется на половине высоты штанген-циркулем. Высота при обмере определяется с точностью до 0,1 м. Проведенные обмеры стволов тщательно выверяются. По таблицам вычисляется сумма площадей сечений по породам.
Следует заметить, что в нашем случае суммы площадей сечений и группирование их по ступеням толщины вычисляются с помощью ЭВМ по составленной отделом (М. Ф. Андрейчиком и А. И. Василенко) рабочей программе.
По разности площадей сечений данного года и предыдущего определяется прирост за год. Естественный отпад учитывается отдельно. Объем отпада определяется путем умножения площадей сечения на видовую высоту по формулам Захарова. По разности площадей сечений данного замера и предыдущего определяется прирост по площади сечения в отдельные фазы вегетационного периода. Запас древесины вычисляется с использованием массовых таблиц типа баварских и формул Захарова для нахождения видовой высоты каждой древесной породы.
По разности запасов данного и предыдущего года определяется годичный прирост по объему.
Объекты исследования
Основной базой для проведения экспериментальных работ служат лесогидрологические стационары (ЛГИС) с аналогичными лесорастительными условиями, расположенные в характерных точках Белорусского Полесья.
Копцевичский ЛГИС заложен в 1967 г. в урочище Томичево Копцевичского лесничества Петриковского лесхоза. Исследуемый объект расположен в пределах нетронутого водосборного бассейна лесного болотного массива. Водосборная площадь его составляет 27 км2. Рельеф местности типичный для Полесья: относительно ровный с частым чередованием небольших повышений (относительные отметки составляют 1,415—4,159), гряд (озов), болот и заболоченных понижений (с отметками 0,973—1,911 м). Переход от болота к суходолу большей частью выражен резко. Материнская порода представлена мелкозернистыми древнеаллювиальными песками мощностью до 13—20 м, залегающими непосредственно под почвенным слоем. Почвы стационара в основном представлены дерново-подзолистыми, внизу оглеенными, и торфянисто-перегнойно-подзолисто-глеевыми с иллювиально-гумусовым горизонтом, а также торфянисто-болотными почвами.
Болота на данном стационаре относятся главным образом к переходному типу с низинными окрайками (торф пушицево-сфагновый, осоково-гипновый и древесно-осоковый со степенью разложения 20—55%). Моховой покров на кочках плотный (225 головок мха на 10 см2), состоит из сфагновых и гипновых мхов.
Травяной ярус представлен осоками и пушицей. Хорошо развит кустарничковый ярус (подбел, Кассандра, багульник). На болоте произрастают низкобонитетные сосновые и сосново-березовые насаждения (IV—V бонитет). Мощность залегания торфа колеблется от 0,3 до 3 м.
На суходольных участках растут сосняки черничные, брусничные, мшистые, вересковые и лишайниковые, а также березняки брусничные и черничные. Пробные площади заложены в преобладающих типах леса, связанных между собой нивелирными ходами. Центральный нивелирный ход длиной 4 км проложен от центра болотного массива до водораздела. Средние уклоны составляют 0,001—0,002. Водораздел возвышается над болотом на 6—10 м. Грунтовые воды и верховодка залегают от 0 до 4—5 м ниже поверхности почвы.
Изучаемые древостой Копцевичского лесогидрологического стационара представлены одноярусными, чистыми средне — и высокополнотными сосновыми и березовыми насаждениями II и IV класса возраста: средневозрастные сосняки черничные и мшистые I—III бонитетов, молодняки вересково-мшистые, черничные, сфагновые I, II, V бонитетов. Из средневозрастных и приспевающих лиственных насаждений пробные площади заложены в наиболее преобладающих типах березовой формации — березняке брусничном и березняке черничном. На данном стационаре оборудовано 8 водно-теплобалансовых участков преимущественно в высокополнотных насаждениях (в лишайниково-мшистом, вересково-мшистом, мшистом, черничных, сфагновом и березняках брусничном и черничном).
Березовский ЛГИС заложен в 1971 г. в районе водосбора верховья р. Ясельды на двух гидрологических створах: один — протяженностью 9 км — направлен от наивысшей точки водораздела к пойме р. Темры (притоку р. Ясельды), другой — протяженностью 5 км — от наивысшей точки водораздела к пойме р. Ясельды. Общий уклон поверхности незначительный: по гидрологическому створу № 1 составляет 0,00056, по гидрологическому створу № 2—0,00034. На линии гидрологических створов в преобладающих формациях лесных фитоценозов Западного Полесья заложено 16 пробных площадей, охватывающих чистые, одноярусные (за исключением ельников) средне — и высокополнотные насаждения II—IV классов возраста: березняки (II бонитета), ольшаники (I бонитета), ельники (I бонитета) и сосняки сфагновые багульниковые (IV—V бонитета), черничные (II бонитета), вересково-мшистые (I—II бонитета) и лишайниковые (III бонитета). Все типы леса связаны между собой нивелирными ходами.
Водомерные скважины оборудованы не только на пробных площадях, а и в других наиболее характерных местах стационара. На линии водораздела оборудованы гидрогеологические скважины. Всего на стационаре оборудовано 25 колодцев. Пробные площади выбраны таким образом, чтобы на различном удалении от объекта осушения были охвачены заболоченные леса с высоким стоянием уровня грунтовых вод и суходольные леса с низким стоянием уровня грунтовых вод. В наиболее типичных лесорастительных условиях верховья Ясельды для проведения водно-теплобалансовых наблюдений на выбранных пробных площадях были оформлены и оборудованы 7 участков, где поставлены и оснащены высотные мачты: в сосняке лишайниковом, сосняке вересково-мшистом, сосняке черничном, сосняке сфагновом, ольсе, в ельнике черничном, расположенном на гидрологическом створе № 1.
Замошский ЛГИС располагается в зоне гидротехнической мелиоративной системы района оз. Червонного, первая: очередь которой существует с 1958 г. Озеро Червонное расположено в центре Полесья на территории Житковичского района, на месте бывшего обширного вюрмского водоема, который был частично спущен реками, а частично превратился в крупный болотный массив «Булев мох» с озером Червоное посредине. Водосбор озера представляет собой заболоченную равнину с общим уклоном в сторону озера. Озеро — неглубокий водоем со спокойным рельефом ложа, осложненным желобообразным понижением, вытянутым вдоль длинной оси. Озеро проточное. С севера, запада и востока в него впадает большое количество малых и больших каналов, большинство из них почти полностью заросло. К началу развития органической жизни в озере глубина его достигала 6,5 м, в настоящее время после проведения осушительных работ на водосборной площади мощность сапропелевых отложений составляет 4,6 м, а средняя глубина его не превышает 0,8—1,0 м. К тому же постепенное зарастание озера от периферии к центру значительно сократило водное зеркало.
На данном стационаре оборудовано 4 водно-теплобалансовых участка в высокобонитетных, чистых, преимущественно высокополнотных насаждений II—III класса возраста: в сосняках вересково-мшистом (участок I) и черничных (участки III и IV), а также в березняке брусничном (участок II). Несколько подробнее коснемся сосняков черничных (возраст 54 года). Один из них (участок III) находится в зоне активного влияния гидротехнических мелиораций на водный режим прилегающих суходолов, а второй расположен в зоне, где осушение сказалось в наименьшей степени (участок IV). Рекогносцировочное обследование прилегающей к стационару местности, анализ образцов древесины, взятых возрастным буравом, анализ хода роста древостоев и других лесоводственно-таксационных характеристик показывают, что возникновение и развитие данных древостоев в период до осушения проходили в одинаковых условиях.
Юровичский ЛГИС (1973 г.) расположен в юго-восточной части Белорусского Полесья в Калинковичском лесхозе, в бассейне р. Турьи, осушенном в 1965 г. На данном стационаре пробные площади были заложены в разрезе одного типа леса (сосняк черничный), но в различных вариантах удаленности от зоны осушения с учетом типа питания грунтовых вод. На стационаре, включая лесные пробные площади, оборудовано 9 водомерных скважин и 5 элементарных воднобалансовых площадок. Следует указать, что почти на всех пробных площадях данного стационара на глубине 1,5— 2 м встречаются плотные прослойки глины, характерные для юго-восточной части Полесья, которые после выпадения дождя замедляют просачивание влаги вглубь, способствуя, таким образом, увеличению запасов воды в корнеобитаемом слое почв.
Результаты исследования
Анализ полученных данных за период 1969—1977 гг. позволяет сделать следующие выводы.
При сопоставлении приходно-расходных статей теплового баланса изучаемых типов леса оказалось, что во все годы независимо от погодных условий внутривегетационного периода как в осушенных, так и в неосушенных зонах на процессы суммарного испарения затрачивается наибольшая доля радиационного баланса (от 100 до 65%), из них на долю транспирации приходится от 85 до 53%. Таким образом, подтверждается тот факт, что основные энергоресурсы солнечной радиации в лесу расходуются на процессы испарения и транспирации. На непосредственный же нагрев лесных почв затрачивается очень малая доля радиационного баланса (от 0,5 до 4%). На тепловлагообмен в межкроновом пространстве леса расходуется от 0 до 35%. Причем в начале вегетационного периода, когда суммарное испарение леса еще не столь велико, наблюдается наиболее активный тепломассообмен, достигающий 35%. Данное обстоятельство при сопутствующем весеннем засушливом периоде кстати весьма частом на территории Полесья, способствует возникновению условий повышенной горимости, особенно в тех типах леса, где уровень грунтовых вод располагается ниже 1 м. В середине вегетационного периода, когда наблюдается максимальное расходование влаги древостоями, затрата энергоресурсов на тепломассообмен в межкроновом, и подпологовом пространствах не превышает 17%.
При сопоставлении основных элементов водного баланса (осадков, стока, испарения, изменения влагозапасов почв) изучаемых типов леса в вегетационный период независимо or того, осушена зона или нет, ведущей расходной статьей баланса является также суммарное испарение. Причем величины суммарного испарения, полученные нами не методом остаточной разности, как это обычно принято в гидрологической практике, а методом непосредственного измерения в лесных условиях, позволили, кроме всего прочего, уточнить так называемый индекс сухости (отношение испарения к осадкам). Оказалось, что независимо от погодных условий вегетационного периода, расходная статья водного баланса (испарение) превышает свою приходную статью (осадки) в мае — июне и июле в 1,6—2 раза, т. е. в летнее время в Полесье коэффициент увлажнения в лесных условиях в целом ниже нормы (0,87—0,45). Сток в водном балансе вегетационного периода в лесу составляет незначительную долю, всего лишь 7—10%.
В неосушенной зоне среди изучаемых средне — и высокополнотных типов леса I—IV класса возраста (сосняки: лишайниковые, вересково-мшистые, мшистые, черничные и сфагновые; ельники черничные; березняки: брусничные, черничные; ольсы крапивные) наибольшая величина энергоресурса для тепло — и влагообмена внутри древостоя, а также максимальный расход влаги на суммарное испарение и транспирацию отмечены в черничных типах леса сосновой, еловой и березовой формаций, а также в ольсах. Корнеобитаемая зона указанных насаждений достаточно влагообеспечена, условия произрастания в них также наиболее оптимальные: верхняя граница капиллярной каймы в течение всего вегетационного периода независимо от погодных условий (за исключением крайне засушливых фаз продолжительностью более 15 дней) находится в зоне аэрации в слое 0—40 см, благодаря чему влажность почв не опускается ниже 50% от ПВ (полной влагоемкости).
Следует отметить, что и наиболее оптимальные условия послойного теплообмена и температурного режима в почве наблюдаются также в черничных типах леса. Так, например, наименьшая амплитуда колебания потока тепла в верхнем слое корнеобитаемой зоны — у сосняков и ельников черничных (0,2—0,4 кал/см2∙ч), а также у березняков черничных (0,15—0,27 кал/см2∙ч), в то время как у сосняков лишайниковых при однозначных погодных условиях колебания в 4—7 раз а у болотных сосняков сфагновых в 10—13 и более раз выше. Наиболее высокая амплитуда колебания температуры также наблюдается в сосняках лишайниковых и сфагновых. В засушливые периоды вегетации в неблагоприятной температурной обстановке зачастую находятся и корнеобитаемые зоны почв сосняков вересково-мшистых и березняков брусничных.
Наша рабочая гипотеза — лес испаряет влаги больше, чем открытое поле, полученная на основании непосредственных измерений на лесогидрологических стационарах, подтвердилась после приведения полученных данных об испарении в различных типах леса к многолетнему ряду наблюдений над испарением травянистого (степень покрытия 75%) и парового поля контрольных ГМС (Пружаны, Пинск, Василевичи):
а) на территории неосушенной зоны в сосновых насаждениях от 7 до 48% и в березовых от 4 до 42% испарение больше, чем в поле;
б) в осушенной зоне — от 4 до 37% и от 3 до 37% соответственно.
Положение уровней грунтовых вод непосредственного влияния на расход влаги древостоями не оказывает. Чаще всего уровень грунтовых вод косвенно влияет через условия увлажненности верхних слоев корнеобитаемой зоны. Грунтовые воды расходуются на испарение только в засушливые периоды или в периоды максимальных величин радиационного баланса, особенно в тех типах леса, где положение уровня грунтовых вод не ниже 60 см. Здесь уместно отметить, что количественная связь испарения с уровнем грунтовых вод наблюдается только в болотных сосняках сфагновых и багульниковых. В суходольных же типах леса эта связь незначительна, а при положении уровня грунтовых вод ниже 1 м связь вообще отсутствует.
В тех типах леса, где уровень грунтовых вод располагается выше 1 м, испаряется максимально возможное количество влаги, т. е. суммарное испарение равно испаряемости.
Доля физического испарения в суммарном резко меняется в зависимости не только от типа леса, но и его полноты. В высокополнотных насаждениях общий удельный вес физического испарения подстилающей поверхности в суммарном испарении насаждений небольшой (от 10 до 3%), т. е. в 5—20 раз меньше, чем на открытых пространствах (на землепользовании и на свежих вырубках). В среднеполнотных же насаждениях удельный вес физического испарения увеличивается до 30% и более.