ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСОВ СИБИРИ А.А. Онучин, Т.А. Буренина Институт леса им.В.Н. Сукачева СО РАН Карта лесов Азиатской части России Районы исследований Т1 Т2 Слайд 3 Т1 Тамара; 25.06.2008 Т2 Тамара; 25.06.2008 При проведении лесогидрологических исследований на экспериментальных водосборах применялись общепринятые методы наблюдений. Для анализа изучаемых процессов в широком диапазоне изменения условий среды и получения моделей высокого уровня общности привлекались литературные и справочные данные. • Стационарные гидрологические исследования в лесах Западного Саяна и в бассейне озера Байкал выявили различные аспекты гидрологической роли горных лесов Сибири как одной из важнейших средообразующих функций леса. Были проанализированы процессы трансформации горными лесами основных составляющих водного баланса. • Подход к лесу как сложной экологической системе, который активно развивается в последнее время, представляет собой качественно новый этап лесоводственных исследований. Такой подход позволяет рассматривать лес как объект, способный поддерживать экологический баланс территориальных единиц различного ранга, от небольших водосборов до крупных регионов и биосферы в целом. Развитие системного подхода в географических и биологических науках способствовало решению проблемы количественной оценки гидрологических функций лесных экосистем • Для оценки гидрологической роли леса на любом территориальном уровне необходимо изучение всех звеньев влагооборота: особенности выпадения и перехват атмосферных осадков, расход воды на транспирацию, формирование стока, а также исследование водорегулирующих, водоохранно-защитных, противоэрозионных и других гидрологических функций леса. • Атмосферные осадки являются основным звеном в цепи влагооборота и во многом определяют гидрологический режим экосистем суши, их климат и микроклимат. В свою очередь лесная растительность, задерживая часть осадков, оказывает значительное влияние на структуру водного баланса Влияние лесной растительности на снежный покров • Формирование снежного покрова определяется множеством факторов и даже в лесу этот процесс часто связан не только с перехватом осадков кронами деревьев. В отдельных насаждениях на наветренных склонах имеет место метелевой перенос, и роль горизонтальных потоков снеговой влаги может полностью перекрывать эффект ее перехвата кронами деревьев. • Вследствие того, что формирование снежного покрова определяется множеством факторов, распределение снежного покрова характеризуется большей мозаичностью, чем пространственное распределение осадков в целом • В субальпийских редколесьях и на подветренных склонах, во многом благодаря метелевому перераспределению осадков выпавших в виде снега, глубина снежного покрова достигает 180-240 см. В южных лесостепных районах Сибири и в безлесных межгорных котловинах глубина снежного покрова, как правило, не превышает 20-25 см. Это обусловлено не только низкой величиной зимних осадков, но и выдуванием существенной их части с обширных открытых участков, а также усиленным испарением во время метелей. Характеристика снежного покрова в горнотаежных лесах Сибири Типы растительности Таежный ВПК Подгольцовый Таежный ВПК Подгольцовый Горно-таёжный ВПК темнохвойных лесов Насаждения Характеристики снежного покрова Высота, см Плотность, Запасы воды в снеге, мм -3 г⋅см Южный склон плато Путорана Лиственничн 110-150 0,26-0,31 290-435 ики Смешанные 85-180 0,29-0,32 250-570 темнохвойнолиственные Лиственничн 90-120 0,3-0,31 270-370 ики Западный склон плато Путорана Лиственничн 120-150 0,26-0,3 315-450 ики Смешанные 130-180 0,25-0,29 325-520 темнохвойнолиственные Листвен150-300 0,28-0,34 420-1020 ничники Центральная часть западного склона Енисейского кряжа Темно90-150 0,23-0,28 210-420 хвойные Лиственные 70-170 0,23-0,28 160-480 Таёжно-черневой ВПК Горно-таёжный ВПК кедровых и пихтовых лесов Субальпийскоподгольцовый ВПК Горно-таёжный ВПК кедровых лесов Горно-таёжный ВПК светлохвойных лесов Подтаёжно лесостепной ВПК светлохвойных лесов Подгольцовый Северный макро склон хр.Хамар-Дабан Пихтовые и 50-85 0,21-0,22 кедровые лиственные 60-105 0,22-0,27 Кедровники на 80-120 0,25-0,27 наветренных склонах Пихтовые и 85-150 0,27-0,33 кедровые Лиственные 120-140 0,30-0,31 Пихтовые и 160-170 0,32-0,35 кедровые Южный макро склон хр. Хамар-Дабан Кедровники 60-70 0,19-0,20 105-190 120-290 200-320 300-500 350-430 500-600 130-150 Сосняки Лиственничники 40-80 60-70 0,16-0,18 0,16-0,20 70-140 90-130 Сосняки Лиственные 8-12 18-22 0,13-0,14 0,14-0,15 10-15 25-35 Лиственничники 90-120 0,3-0,31 270-370 Отличительной чертой формирования снежного покрова на плато Путорана является то, что здесь снега в лесах накапливается значительно больше, чем на открытых участках. Это обусловлено, как структурой низкополнотных насаждений, перехватывающих малую часть твердых атмосферных осадков, а также характером пространственного распределения лесной растительности. Влияние леса на суммарное испарение • Испарение включает в себя испарение осадков, задержанных кронами деревьев, транспирацию лесной растительности, испарение с почвы и поверхности снега. При этом, как показали исследования в различных регионах Сибири, в лесах основную долю испарения составляет испарение задержанных кронами осадков и транспирация. В темнохвойных лесах гор юга Сибири эта величина составляет 80-90% от суммарного испарения в лесостепных районах – 90-93% . • Установлено, что количество задержанных осадков зависит от запасов фитомассы крон и хвои, площади ее поверхности и других биометрических параметров, которые тесно связаны с комплексом легко измеряемых таксационных характеристик древостоев имеющихся в материалах лесоустройства. Задержание жидких атмосферных осадков • P=-6,0-3,4lnA+8,4lnM+0,37ElnM+0,32(П+C+K)lnM-0,015X • R2 = 0,7 σ = 6,6 % F = 50,1 • • где, P – перехват жидких атмосферных осадков, %; М – средний таксационный запас, м3⋅га-1; A – средний возраст древостоя, лет; Е – число единиц ели, П – пихты, С – сосны, К – кедра в составе древостоя; Х – годовое количество жидких атмосферных осадков, мм; R2– коэффициент множественной детерминации; σ – стандартная ошибка уравнения, % ; F – критерий Фишера. Зависимость суммарного перехвата атмосферных осадков (Р, %) от возраста (А, лет) и запаса (М) в хвойных древостоях Перехват твердых атмосферных осадков • • Породный состав является одним из основных факторов, с которым связывают задержание осадков пологом леса. Что касается твердых осадков, лиственные породы задерживают снега меньше чем хвойные, в первую очередь это относится к березнякам, где коэффициенты снегозапасов близки к 1,0. В лиственничниках с крон испаряется до 20% зимних осадков. Специальными исследованиями снегозадерживающих свойств различных хвойных в Сибири установлено, что при прочих равных условиях наибольшее количество снега задерживают кроны сосны, затем кедра, ели и пихты. Зависимость увеличения снегозапасов от температуры воздуха и состава древостоя • K=115,0+0,026S0-13lnA/lnT-1,5L⋅D-2,3N⋅D-6,6Eт⋅D1,9В (3) • R2 = 0,73 σ = 9,1 F = 208,3 • Где: K – коэффициент снегозапасов, %; S0 – фоновые снегозапасы, мм; T – абсолютная величина среднемесячной температуры воздуха в январе, [Со]; N – суммарное число хвойных, за исключением лиственницы и ели тяньшанской; L – число единиц лиственницы в составе древостоя; Ет – число единиц ели тяньшанской в составе древостоя; D – сомкнутость полога; В – показатель, обозначающий класс бонитета (для I, II, III и т.д. кл. бонитета значения принимались равными соответственно 1, 2, 3, и т.д.); остальные обозначения те же, что и в (1). Модель для оценки перехвата осадков отдельных дождей • P=35,3+6,1⋅lnM+0,13⋅(Е+П+C+K) ⋅lnM-14,6⋅lnXi • R2 = 0,81 σ = 8,0 % F = 70,7 •где, P – перехват жидких атмосферных осадков, %; М – средний таксационный запас, м3⋅га-1; A – средний возраст древостоя, лет; Е – число единиц ели, П – пихты, С – сосны, К – кедра в составе древостоя; Xi – количество жидких атмосферных осадков за один дождь, мм ; R2– коэффициент множественной детерминации; σ – стандартная ошибка уравнения, % ; F – критерий Фишера. • Другой аспект влияния леса на атмосферные осадки – влияние на пространственное перераспределение твердых атмосферных осадков в системе лес – открытые участки Зависимость прибавки снегозапасов на водосборных бассейнах от их лесистости и величины твердых атмосферных осадков • DX=X(0,11lnL-0,0055L+0,00003X) • Где: DX – прибавка в снегозапасах, мм; X – величина твердых атмосферных осадков, мм; L – лесистость водосбора, %. Зависимость увеличения снегозапасов от лесистости и количества твердых атмосферных осадков Известно, что одним из ведущих расходных элементов водного режима лесных экосистем в летний период является транспирация растительности. При этом соотношение расходов влаги на транспирацию и испарение задержанных осадков изменяется в зависимости от физико-географических условий. Выполненные экспериментальные исследования в различных регионах Сибири показали, что в лесных экосистемах лесостепной зоны Сибири на транспирацию тратится от 224 до 320 мм, что составляет 55-70% от величины суммарного испарения, тогда как на испарение задержанных осадков приходится 20-35% от суммарного испарения. В темнохвойных лесах гор юга Сибири на транспирацию приходится от 39-55%, на испарение задержанных осадков 35-55% от суммарного испарения. Эвапотранспирация лесных экосистем Азиатской части России Эвапотранспирация лесных экосистем Енисейского трансекта Округ, провинция Осадки, мм Перехваченных осадков Туруханско-Хетский ЛО Мойеро_Котуйский ЛО 466 Туруханский ЛО Нижне-Тунгусский ЛО 508 548 505 Сымиско-Дубческий ЛО Бахтинский ЛО Байкитский ЛО Вельминский ЛО Тунгусо-Чунский ЛО Кеть-Чулымский ЛО Приангарский ЛО Путоранская ЛП Анабарская ЛП Енисейский кряж (ЛО) Зона тундры 54 Испарение, мм Транспирационный расход и испарение с почвы и снежного покрова Всего 162 216 167 198 Северная тайга 111 34 182 251 283 295 Средняя тайга 125 191 306 116 206 72 244 84 224 65 236 Южная тайга 471 90 281 465 104 283 Горные районы в северо-таежной зоне 617 36 160 325 27 157 Горные районы в среднетаежной зоне 504 95 243 322 316 308 301 403 675 636 624 489 31 371 387 196 184 338 • Интегральным показателем природных условий на водосборе является речной сток. Важность этого параметра заключается в том, что сток можно рассматривать как функцию отклика на любые изменения на водосборе. • Любое воздействие (антропогенное или природное) на биогеоценозы в пределах речного бассейна отражается как на количественных, так и качественных характеристиках стока. Роль лесов в формировании стока • Одним из направлений лесогидрологических исследований было изучение высотно-поясных закономерностей распределения элементов теплового и водного балансов и формирования стока в горах Южной Сибири. Обобщение результатов проведенных исследований позволило сделать заключение, что горным лесам в большей степени присуща водоохраннозащитная роль, чем равнинным. Вместе с тем, отдельные высотно-поясные комплексы выполняют защитные функции неодинаково, наиболее значимы в этом отношении высокогорный и среднегорный ВПК. Роль горных лесов в формировании стока рек Основная доля стока рек (76%), стекающих с северного макросклона Западного Саяна и впадающих в Енисей, формируется в горно-таежном высотном поясе (абсолютная высота 500-1600 м), который по площади занимает около 60% . В субальпийском поясе и горной тундре (абсолютная высота 1800-2400 м), который занимает не более 15% площади водосборов, формируется около 20% стока горных рек Западного Саяна. В лесостепном поясе (абсолютная высота 250-500 м) формируется всего 4% стока при площади этого высотного пояса 15% Защитные функции леса • С водорегулирующей функцией леса тесно связаны другие защитные функции леса в частности водоохранная качественная (способность леса поддерживать высокое качество воды) и противоэрозионная функции леса. Эти функции также во многом обусловлены способностью лесных почв, переводить загрязненный поверхностный сток во внутрипочвенный, который, попадая в постоянные водотоки, фильтруется и обеспечивает высокое качество воды. Противоэрозионная функция леса, кроме того, существенно зависит от развития травяно-кустарничковой растительности скрепляющей своими корнями почвенный покров. Влияние рубки леса на сток • Изменение лесистости на водосборе, прежде всего, отражается на распределении стока по горизонтам. При вырубке 10-50 % лесов на водосборах горных рек склоновый поверхностный сток увеличивается на 10-20%, глубокий подземный сток снижается на такую же величину. В южной тайге на водосборах средних рек при площади свежих вырубок от 3 до 10% происходит увеличение доли склонового стока от 2 до 7%. Отмечается также снижение стока нижних водоносных горизонтов на 10-20% на тех реках, водосборы которых пройдены рубками, - на 20-65% . Сплошные вырубки вызывают изменения сезонной структуры стока: высокие уровни воды в весеннее половодье и летние паводки. Повреждение лесной растительности и, прежде всего нарушение естественного состояния напочвенного покрова и верхних горизонтов почв вследствие рубок, лесных пожаров, строительства коммуникаций и т.д. приводит к снижению водорегулирующих и водоохранно-защитных функций леса Роль пожаров в изменении гидрологического режима на лесных водосборах Антропогенные воздействия на лесные экосистемы, в частности вырубка леса, нарушают гидрологический режим территории и способствуют активизации эрозионных процессов. Посредством полученных моделей представляется возможным оценить влияние крутизны склонов, их протяженности, степени минерализации почвы, интенсивности и количества осадков на активизацию эрозионных процессов. Полученные результаты, позволяют также оценить период восстановления противоэрозионных функций леса в различных лесорастительных условий Моделирование эрозионных процессов • • • • • • Отдельные склоны и элементарные водосборы Модель, отражающая интенсивность эрозионных процессов на отдельных склонах и элементарных водосборах имеет следующий вид: lnM=-9,3+0,95lnX-0,064NlnL+0,069lnXlnm/lnL+5,03K+1,49lnI+ +0,0162ln((X-W)/In)i-0,00026ln((X-W)/In)i2 (6) R2 =0,86; s=1,04; F=221; где: М - модуль стока наносов, т⋅км-2; N - давность антропогенного воздействия (рубки, пожара), лет; X - количество атмосферных осадков, мм; I - интенсивность осадков, мм⋅мин-1 ; m - степень минерализации, %; L - протяженность стокообразующего склона, м; W - влагоемкость подстилки, мм; In - водопроницаемость почв, мм⋅мин.-1; i - уклон, град.; K - показатель, отражающий методические особенности наблюдений (при искусственном дождевании микроплощадок принимается равным 1, при наблюдении за эрозией на постоянных стоковых и водосборах принимается равным 2); R2 - коэффициент множественной детерминации; s - стандартная ошибка уравнения, т⋅км-2 ; F критерий Фишера. Зависимость модуля стока наносов от интенсивности осадков и протяженности склона Модуль стока наносов, т*км -2 800 700 600 500 400 300 200 100 0,4 Интенсивност 0,2 осадков, мм*мин -1 0,01 0 0 50 100 150 200 250 Протяженность склона, м 300 Зависимость модуля стока наносов от интенсивности осадков и протяженности склона Модуль стока наносов, т*км -2 800 700 600 500 400 300 200 100 0,4 0 0,2 0 50 100 150 200 250 Протяженность склона, м 0,01 300 Интенсивност оса дков, мм*мин -1 N Зависимость периода восстановления противоэрозионных функций леса от крутизны склона и степени начальной минерализации 40 30 20 10 0 22,5 12,5 2 60 30 m 2,5 i N – период, за который происходит восстановление противоэрозионных функций леса, лет; i – уклон, град.; m – степень начальной минерализации, %. Восстановление водоохранно-защитных и, в частности, противоэрозионных функций леса после рубки на отдельных склонах и на крупных водосборных бассейнах может протекать по-разному. Если на отдельных склонах после проведения рубок эрозионные процессы затухают достаточно быстро (в течение 3-5 лет интенсивность эрозии снижается в несколько раз по сравнению со свежими вырубками), то мутность воды в реках, водосборы которых пройдены рубками, может оставаться высокой на протяжении десятилетий Спасибо за внимание !