Автор: Н. Ф. кулик, кандидат сельскохозяйственных наук
В период с 1946 по 1957 г. на Ачикулакской лесной опытной станции ВНИАЛМИ на Терских, Бажиганских, Тереклинских и Кумских песках, объединенных общим названием — Терско-Кумские пески, расположенных в юго-западной части Прикаспийской низменности, проводились лесогидрологические исследования.
Климат этой территории — сухой, континентальный, но несколько смягченный Каспийским морем. Сильно выражена ветровая деятельность. Среднегодовое количество осадков меняется от 250 мм на Кумских песках до 300—350 мм в юго-западной части Терского массива. В целом исследуемая территория может быть, разделена на два природных района: типичная полупустыня — северная и центральная части Ногайской степи и сухая степь — западная и южная части. В геоморфологическом отношении этот район представляет собой покатую в северо-восточном направлении пологогрядово-холмистую равнину. Песчаные массивы представлены комплексом бугристых, барханных и грядовых форм рельефа. Наибольшее расчленение рельефа (до 70 м между крайними точками) наблюдается в Терском песчаном массиве. Другие пески более спокойные, что позволяет частично применять сельскохозяйственные механизмы.
Ногайская степь относится к зоне каштановых почв, но рельеф, легкость механического состава и подверженность почв развеиванию, климат и растительность создали очень пестрый рисунок почвенного покрова.
В комплексе с каштановыми почвами встречаются гумусированные песчаные, а также луговые почвы, солонцы и солончаки. Во многих местах, где получила развитие ветровая эрозия, большой удельный вес занимают неполнопрофильные погребенные или раздутые каштановые почвы. Почвы Терско-Кумского междуречья являются относительно плодородными и при благоприятно складывающихся погодных условиях способны обеспечить хороший урожай местных сельскохозяйственных культур.
Несмотря на суровые климатические условия, в Ногайской степи произрастает более 450 видов дикорастущих трав и около 30 видов древесно-кустарниковых пород. Наибольшее видовое богатство травостоя наблюдается на Терских песках в понижениях с близкими грунтовыми водами и по сухоречьям. Основу растительных ассоциаций составляют житняк сибирский и пустынный, прутняк и различные полыни, а по разбитым пескам — песчаная полынь, колосняк, вайда, кумарчик, вейник, донник. В Ачикулакском лесхозе вполне удовлетворительно произрастают введенные в культуру тополь черный, акация белая, клен ясенелистный и татарский, дуб черешчатый, ясень пушистый, лох, абрикос, скумпия, жимолость татарская и целый ряд других древесно-кустарниковых пород.
Методика исследовательских работ была следующая.
Расчеты водного баланса сделаны по формуле А. А. Роде. Запасы влаги в конце и в начале его периода определялись путем анализа образцов почвогрунта до глубины 4 м в трехкратной повторности. Сумма осадков дана по сведениям ближайших метеостанций. Расход грунтовой воды рассчитан по величине летнего снижения уровня, а приток в этот период — по скорости поступления воды в осенне-зимний сезон, когда отсутствует транспирация.
Динамика влажности почвогрунта
Естественная влагозарядка верхних слоев почвогрунтов Терско-Кумского междуречья происходит в осенне-зимний и ранневесенний период (октябрь—март). За это время верхняя толща почвогрунта получает в среднем до 120 мм воды. Благодаря значительному превышению количества выпадающих осадков над испарением в этот период на смачивание высушенных летом горизонтов идет 90—110 мм воды. Остальные 20% возвращаются в атмосферу. Чаще всего влага, поступившая в почву, просачивается до глубины 100—200 см. В каждом отдельном случае эта величина зависит от суммы выпавших осадков, состояния растительности и мертвой подстилки, а также предела иссушения почвогрунта за прошедший вегетационный период.
Если верхняя граница капиллярной каймы грунтовых вод проходит на глубине 2—4 м и больше, то между горизонтом ежегодного увлажнения атмосферными осадками и указанной границей расположен непромачиваемый слой — «мертвый» горизонт (по Г. Н. Высоцкому). Влажность его остается постоянной и близкой к влажности завядания на протяжении всего года. Для Терско-Кумских песков эта величина колеблется в пределах 1—5% от веса абсолютно сухой почвы. В данном случае мы имеем схему увлажнения непромывного типа, где выделяются три горизонта: 1) горизонт переменного увлажнения атмосферными осадками мощностью 100—200 см, 2) постоянно сухой «мертвый», диспульсивный горизонт такой же мощности и 3) капиллярная кайма высотой 110—300 см.
Этот тип увлажнения является основным для песков и супесей под травостоями и древесными насаждениями. Наряду с ним наблюдаются еще два типа — промывной и выпотной, а также целый ряд переходных схем.
Вся площадь Ногайской степи может быть распределена по типам водного режима следующим образом: непромывной тип — 56%, периодически промывной — 25, промывной — 15, периодически выпотной — 3 и выпотной — 1%.
Для Терско-Кумских песков главными факторами, влияющими на формирование того или иного типа водного режима, являются глубина залегания грунтовых вод, физические свойства почвогрунта и состояние растительности. Эти три показателя меняются в больших диапазонах. Так, например, на Терских среднемелкозернистых песках при глубине грунтовых вод менее 110 см формируется выпотной тип водного режима, при глубине 110—260 см — промывной и глубже 260 см — непромывной.
На Бажиганских мелкозернистых пылеватых песках указанные типы формируются при глубине грунтовых вод: выпотной — до 250 см, промывной — 250—400 см и непромывной — свыше 400 см.
На Бажиганских и Терских открытых песках формируется промывной тип водного режима, а после заселения их растительностью — непромывной.
Проведенные лесогидрологические исследования в сравнительно высокополнотных насаждениях акации белой, тополя черного и дуба черешчатого позволили установить следующие основные закономерности в режиме почвенной влаги.
Осень. В октябре—ноябре верхние почвенные горизонты увлажняются до 20—40 см. Влажность их на песках повышается с 3 до 8% и на супесях с 5 до 11%. Остальная зона аэрации, исключая капиллярную кайму, сохраняет мертвые запасы воды.
Зима. В холодные зимы почвенная влага находится в относительном равновесии. В теплые — наблюдается просачивание осадков в нижележащие горизонты.
Весна. После перехода среднесуточных температур через ноль начинается быстрое инфильтрационное увлажнение почвогрунта в среднем до 150 см глубины. Далее вглубь до капиллярной каймы остается горизонт с мертвым запасом влаги.
Лето. Запасы влаги, накопленные в осенне-зимний период, расходуются к июлю. В остальной период лета и в начале осени почвогрунт остается сухим. Периодически увлажняются только верхние 10—20 см за счет летних дождей. В целом летние осадки весьма незначительно участвуют в водопитании насаждений (25—30 мм). Иссушение почвогрунта идет по всему увлажненному горизонту, а не сверху вниз.
Описанный ход влаги является характерным для насаждений, имеющих непромывной тип водного режима. Такие насаждения преобладают в общей площади лесов Терско-Кумского междуречья.
На участках, где уровень грунтовых вод расположен на глубине 3—4 м, формируется промывной тип водного режима, характеризующийся ежегодным промачиванием всей зоны аэрации атмосферными осадками. На этих участках растут производительные и более долговечные насаждения.
При рассмотрении динамики влажности почвогрунтов в лиственных насаждениях было установлено, что видовой состав не играет сколько-нибудь заметной роли в потребляемом количестве воды атмосферного происхождения. Почвенногрунтовая толща под лиственными насаждениями полностью иссушается (физиологически) уже в конце июня. Этот срок характерен для всех древостоев независимо от лесообразующей породы.
Несколько по-иному складывается водный режим в сосновых насаждениях, произрастающих в южной части Терского массива. В этих насаждениях мы не встречаем постоянно сухих горизонтов, которые наблюдаются под лиственными насаждениями при таком же залегании уровня грунтовых вод. Это говорит о том, что сосновые насаждения расходуют значительно меньше воды, чем лиственные. Последняя закономерность подтверждается и данными о колебаниях уровня грунтовых вод, о чем будет сказано ниже.
Водный режим целинных степных участков и заросших бугристых песков примерно такой же, какой и в лиственных насаждениях. Разница состоит только в интенсивности потери влаги (на целине она больше) и в глубине промачивания (почвогрунт в насаждениях промачивается глубже на 20—30 см).
Пески в начальной стадии зарастания характеризуются периодически промывным типом водного режима. Переход от промывного типа к непромывному, по мере зарастания бугристых песков, осуществляется в течение 20—30 лет.
При наличии постоянно сухого горизонта отбор грунтовых вод травянистой растительностью не имеет места. Об этом свидетельствует отсутствие суточных и сезонных колебаний уровня. На таких участках годовой десукционный расход лимитируется атмосферными осадками и равен 100—150 мм. При близких грунтовых водах десукционный расход возрастает до 180—220 мм и более за счет использования грунтовых вод.
Открытые пески Терского и Бажиганского массивов имеют промывной тип водного режима. В пополнении грунтовых вод участвуют только осадки холодного периода.
В течение октября—марта Бажиганские пески получают в среднем 110—120 мм воды в виде дождя и снега. Из этого количества на пополнение водных запасов «мертвого» слоя, высушенного в предшествующий период, уходит в среднем 30—40 мм. На испарение в осенне-зимний и ранневесенний периоды расходуется около 20% от суммы выпавших осадков (22—24 мм). Следовательно, в грунтовые воды попадает 50—60 мм осадков. Такое же количество осадков проникает к грунтовым водам на Терском песчаном массиве.
Таким образом, открытые пески этих двух массивов являются действительно «магазинами» влаги, как говорил Г. Н. Высоцкий.
Таковы общие черты водного режима почвогрунтов под различными насаждениями, степными участками и открытыми песками.
Динамика грунтовых вод
Терско-Кумское междуречье имеет обильные пластопоровые грунтовые воды как пресные, так и минерализованные, расположенные на сравнительно небольшой глубине (4—8 м). Весной уровень грунтовых вод залегает прямолинейно, независимо от состояния дневной поверхности, с уклоном 0,001 в северо-восточном направлении. В отдельных случаях уклон и направление могут меняться.
Уровень грунтовых вод подвержен закономерным колебаниям, которые можно объединить в три группы: многолетние колебания; сезонные; суточные.
Многолетние колебания на исследуемой территории вызываются, главным образом, затуханием водотоков, обводняющих пески, изменением уровня Каспия, а потом уже климатическими и биологическими факторами (зарастание или увеличение площади открытых песков, имеющих положительный водный баланс).
Снижение грунтовых вод на два метра, происшедшее в течение последних 30 лет, относится к многолетним колебаниям. Сезонные колебания уровня грунтовых вод вызываются в совокупности климатическими и биологическими факторами (десукция растений) и распространяются на сравнительно небольшие территории.
Под высокополнотными насаждениями акации белой, тополя черного, дуба и культурами винограда сезонные колебания уровня составляют 40—60 см, а иногда и более и могут быть разделены на 4 периода: весенний водоподъем; летнее снижение; осенний водоподъем; зимний водоподъем, который отличается меньшей интенсивностью, чем осенний.
Если растительность не использует грунтовых вод, то сезонные колебания в том виде, как они описаны выше, отсутствуют.
Суточные колебания, или суточная пульсация грунтовых вод, — явление чисто местного характера и вызывается биологическими факторами. Это явление наблюдается непосредственно на тех участках, где идет более или менее энергичное отсасывание грунтовых вод растительностью. Суточные колебания состоят из двух основных периодов: дневное снижение и ночной водоподъем. Амплитуда колебаний достигает максимальных величин в июле и августе (дуб летний 15—20 см, тополь черный 8 см, акация белая 7 см, сосна черная 0,5 см, виноград 5 см). В крайних периодах вегетации амплитуда уменьшается. Величина суточной пульсации грунтовых вод в сильной степени зависит от механического состава водоносных горизонтов и нижней части капиллярной каймы.
Выявление суточной пульсации грунтовых вод имеет большой практический интерес, так как это дает возможность установить, использует ли тот или иной фитоценоз подземную воду или уровень последних снижается вследствие оттока.
Основные выводы
Проведенные лесогидрологические исследования позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Десукционный расход воды древесными насаждениями Терско-Кумского междуречья может быть подсчитан по формуле.
2. Участие летних осадков в водопитании древесных насаждений незначительное и исчисляется 20—30 мм за вегетационный период. Активными являются дожди интенсивностью более 10 мм.
3. Общий десукционный расход влаги из почвогрунта и водоносных горизонтов в приспевающих и спелых (для условий Терско-Кумского междуречья) насаждениях акации белой, осокоря и дуба летнего колеблется в пределах 250—400 мм. Годовое потребление атмосферных осадков исчисляется 100—150 мм, а остальное количество влаги добирается из грунтовых вод.
4. Почвогрунт под древесными насаждениями должен быть отнесен к непромывному типу вследствие наличия сухого горизонта, а по количеству выбрасываемой в атмосферу воды — к выпотному типу.
5. Вывод Г. Н. Высоцкого о том, что лес испаряет больше влаги, чем получает ее в виде атмосферных осадков, полностью подтвердился в условиях Терско-Кумского междуречья.
6. Промывной тип водного режима на песках Терско-Кумского междуречья может сформироваться или при близких грунтовых водах или в случае отсутствия растительного покрова. Несмотря на то, что тип водного режима в обоих случаях одинаковый, лесорастительные условия участков будут разные. Возникает необходимость в подразделении промывного типа на два подтипа: глубокопромывной и мелкопромывной.
7. Видовой состав высокополнотных лиственных насаждений, произрастающих на Терско-Кумских песках, не влияет на общее количество использованных осадков, накопленных в осенне-зимний и ранневесенний периоды} в почвогрунте, а также осадков, выпавших в течение вегетационного периода, но динамика использования грунтовых вод зависит от видового состава.
8. Использование воды в течение вегетации идет неравномерно. Максимальный расход наблюдается в июне (до 30% годового расхода). Среднесуточный расход воды составляет 2—2,5 мм. В июне он увеличивается до 3—3,5 мм.
9. В первую треть вегетации (май—июнь) древостой использует влагу почвогрунта, накопленную в течение холодного периода года. В середине вегетации (в июле и частично в августе) идет отбор грунтовых вод из весенних запасов и в конце вегетации используются приточные грунтовые воды. Переходы от одного источника водопитания к другому постепенные. Параллельно используется примерно пятая часть выпадающих атмосферных осадков.
10. Ежегодно накапливаемые в Терских и Бажиганских открытых песках 50—60 мм атмосферных осадков могут быть использованы окаймляющими лесными насаждениями, расположенными по уклону грунтовых вод. Расчеты водного баланса показывают, что на 1 га высокополнотных насаждений тополя необходимо оставить 5 га сыпучих песков.
11. Лесоразведение на песках Терско-Кумского междуречья должно идти в двух основных направлениях: создание насаждений обычной густоты на участках с корнедоступными грунтовыми водами и редкоствольное насаждение, базирующееся только на атмосферные осадки.
12. Особенности лесогидрологического режима Терско-Кумских песков в совокупности с почвенными и климатическими показателями требуют тщательного подхода к выбору того или иного способа использования песков. Шаблонное решение этого вопроса здесь совершенно неприемлемо.
Проведенные на Терско-Кумских песках лесогидрологические исследования необходимо считать первым этапом в общем цикле агролесогидрологических работ по освоению песков засушливых районов.
Выявление количества потребляемой воды различными фитоценозами и определение источников получения ее дают возможность сделать ряд важных выводов для производства, направленных на улучшение водного режима песков.
Дальнейшие работы в области агролесомелиоративной гидрологии должны быть направлены на территориальное расширение, то есть необходимо начать детальные исследования водного режима песков в других зонах СССР и одновременно детализировать их, выявляя все элементы водного баланса (конденсацию, физическое испарение, горизонтальные осадки и пр.).
В ближайшие годы необходимо провести инвентаризацию всех смотровых колодцев и гидрологических площадок и составить единую методику агролесогидрологических исследований, используя новейшие достижения науки и производства в этой области.