Гидрологическая роль леса

  Введение

      Как влияет лес на влагу? Этот сложный вопрос изучается уже более 100 лет. В прошлом столетии и начале нынешнего века в России им интересовались известные ученые А.И.Воейков, Н.П.Адамов, П.А.Костычев, В.В.Докучаев, М.К.Турский, Г.Ф.Морозов, Н.С.Нестеров, П.В.Отоцкий и др., за рубежом (преимущественно в Германии, Австрии, Франции) - Г.Круч, Е.Эбермайер, А.Мюттрих, А.Бюлер, Гоппе, Риглер и др. В решение этой проблемы особенно много труда вложил Г.Н. Высоцкий, начавший разрабатывать ее еще до революции. Большое внимание ей уделяли А.А. Каминский, М.Е. Ткаченко, В.И.Рутковский, Н.А. Качинский, Г.Р. Эйтинген, Г.Ф. Басов, И.М. Лабунский и др. Широкие исследования за последние три десятилетия проводят ИЛ РАН (начатые ранее институтом леса АН СССР), ВНИАЛМИ, ВНИИЛМ, УкрНИИЛХА, Гидрометцентр России и другие научные учреждения.

      Расширилось изучение гидрологической роли леса за рубежом, причем если раньше оно проводилось преимущественно в европейских странах, то в настоящее время проводится и на других континентах. Значительные исследования осуществляются в США и Японии, усилилось внимание к гидрологии тропических лесов. 

 Влияние леса на влагу

      Водный  баланс складывается из прихода в  виде осадков и расхода в различных видах испарения, а также стока воды, инфильтрации ее в глубинные горизонты почвы, аккумуляции влаги лесным фитоценозом и потребления ее почвенными микроорганизмами. Простая формула водного баланса была предложена Г.Н.Высоцким, включившим в приходную часть осадки, а в расходную сток, испарения, буфер (влажность почвы, грунтовые воды). Эта формула несколько модифицирована в дальнейшем другими лесоводами. Большие исследования по изучению влияния леса на водный баланс проводятся А.А.Молчановым, В.В.Рахмановым, И.Л.Раунером, С.Ф.Федоровым, за рубежом Г.Бургером, Л.Лейтоном, Г.Флеммингом, Д.Хьюлетом, А.Баумгартнером, П.Зинке и др.

      Наша  задача сводится к установлению роли леса в водном балансе, дальнейшему  раскрытию взаимосвязей между лесом  и влагой.

      Влияние леса на осадки. Этот вопрос имеет две  стороны: влияние леса на количество выпадающих осадков; влияние леса на распределение выпавших осадков. Влияние леса на количество выпадающих осадков (вертикальные осадки) - эта сторона представляется наиболее сложной и остается дискуссионной, особенно в отношении вертикальных осадков, то есть основного вида осадков. На VI мировом лесном конгрессе (1966 г.) комиссия по вопросам влияния леса на среду признала недоказанным действие леса на количество выпадающих осадков.

      Первоначальные  данные лесных метеонаблюдений в  европейских странах, начатых в 60-х  годах прошлого столетия, показывали значительное превышение осадков, выпадающих в лесной местности по сравнению с осадками на соседней безлесной. Разница доходила до 50 - 100 мм в год, Г.Н. Высоцкий, проводивший наблюдения в течение 10 лет в Мариупольском опытном лесничестве, получил данные: в степи 400 мм, в лесу 501 мм. Однако сам Г.Н. Высоцкий назвал эту разницу «фиктивной, не истинной», хотя и не исключал некоторого увеличения летних осадков над лесом (1930, с. 41). Причина такой разницы заключалась в несовершенстве методики - не учитывался факт выдувания влаги ветром из дождемеров на открытых местах.

      В результате этого дождемеры на таких  участках уменьшали количество выпавших осадков по сравнению с дождемерами в лесной местности с ослабленным действием ветра. В дальнейшем дождемеры начали оснащать защитой Ниферовой и различия заметно сгладились.

      Одним из главных доводов пользы влияния  леса на количество выпадающих осадков является факт более высокого содержания влаги в воздушных слоях над лесом вследствие большего испарения им по сравнению с испарением на лугу или тем более с обнаженной поверхности земли. Если бы насыщенность воздуха была единственным фактором возникновения дождя в данной местности, то можно было бы предположить вероятность более обильных осадков в районах, прилегающих к обширным водным пространствам. Однако такое предположение опровергается рядом фактов. Например, группы островов в Красном и Средиземном морях имеют нулевой или ничтожный бюджет осадков, и, наоборот, пустынные или полупустынные территории расположены в районе таких крупных внутриматериковых водных массивов, как оз. Чад в Африке или оз. Эйр в Австралии.

        Г.Флеминг на основании исследований в Германии и анализа обширной литературы также пришел к выводу, что над небольшими лесными массивами так же, как в холмистой местности и в горах, количество осадков, выпадающих над лесом и над полем равно.

      Большинство исследователей приходят к выводу, что лес не оказывает существенного влияния на выпадение местных осадков. Что касается влияния лесов на осадки в более широком плане, то есть применительно к обширным территориям, то вопрос представляется пока мало изученным и заслуживает внимания. Он связан с необходимостью учета происхождения осадков и многостороннего анализа внутри материкового влагооборота.

      В работах Г.Н.Высоцкого (1930) и некоторых других исследователей лесам придается большая, даже ведущая роль в этом влагообороте. Действительно, нельзя исключать роль леса во внутриматериковом влагообороте, имея в виду не только его огромную испаряющую поверхность, но также и своеобразную неровность этой поверхности, которая способствует образованию турбулентных течений над лесом с вытекающими отсюда следствиями. Применительно к большим лесным территориям эта роль, возможно, значительная. Трудно представить, чтобы огромные изменения, происходящие на поверхности Земли, - создание водохранилищ, каналов, создание лесонасаждений и их вырубка, строительство городов, выбросы газов в атмосферу и т. д. - совершенно не сказывались на режиме осадков. Однако пока мало достоверных экспериментальных данных, раскрывающих эту сторону, особенно влияние леса на количество выпадающих осадков и механизм этого влияния. Прежние методы исследований, по-видимому, и не могли дать достаточно обоснованного ответа. В настоящее время и тем более в будущем методические возможности значительно расширяются в связи с проникновением науки в высокие слои атмосферы и даже космос.

      Горизонтальные  осадки.

      Роль  леса в образовании горизонтальных осадков (туман, роса, иней, изморозь и т. д.), называемых иногда скрытыми осадками или обобщенным наименованием осажденный туман (Рубнер, 1927; Гейгер, 1960), значительна, так как огромная поверхность леса (ветви, листва, хвоя и т. д.) при ее охлаждении способствует надземной конденсации паров влаги из воздуха. Это явление особенно проявляется на наветренных опушках, когда массы пересыщенного влагой воздуха Приносятся ветром со стороны. Лес перехватывает эти осадки, поэтому на заветренную сторону они почти не попадают. Значение горизонтальных осадков в количестве приносимой ими влаги по сравнению с вертикальными в равнинных районах умеренного пояса невелико. Более заметно оно проявляется в горах и приморских районах.

      Влияние леса на распределение выпадающих осадков.

      В этом отношении роль леса значительна. При этом имеется в виду влияние его на все виды осадков, включая вертикальные. При сравнительном рассмотрении распределения выпадающих осадков на определенной территории надо учитывать три наиболее резко отличающихся типа объектов: осадки в лесу на площади, занятой древостоем; осадки на прогалинах, полянах, вырубках, просеках и других небольших открытых местах среди леса; осадки на более или менее обширной безлесной территории.

      Распределение осадков в древостоях.

      Определенное  количество выпадающих осадков задерживается кронами. Часть осадков, задержанных кронами, испаряется в атмосферу, часть их сдувается или скатывается вниз, некоторое количество стекает по ветвям и стволу. Другая часть незадерживаемые осадки. Они проникают через свободные промежутки в кронах и особенно между кронами и доходят до земной поверхности. Здесь часть их испаряется, а часть проходит в почву. Испарение с поверхности почвы в лесу значительно меньше, чем на открытом месте. Влага, попавшая в почву, частично используется лесом для своих жизненных отправлений, частично в виде внутри почвенного стока стекает в реки.

      Количество  воды, достигшее почвогрунта называется нетто-осадками в отличие от валовых  осадков, то есть общего количество выпавших осадков. Разница между ними выражает потери на перехват. Максимальное количество воды (в мм), которое может быть удержано пологом, получило название емкости влагозадержания данного полога (Лейтон, 1970). Количество осадков, проникающих под полог, зависит от их интенсивности и продолжительности, от состава древостоя, его сомкнутости, возрастного строения, сезонных особенностей и т. д. лесоводами давно установлено, например, что пихтовые древостой могут поддерживать кронами до 70 - 80, еловые - до 55 - 60, сосновые - до 30, лиственные - до 15 % осадков. Многие из данных для названных пород (особенно для ели) показывают меньшие величины и в то же время характеризуются значительной пестротой, что связано с многообразием характера лесов (даже при одном и том же составе) и различиями в методике. Очень близкие к приведенным данные для ели получены Н.И. Костюкевичем (1956) в Белоруссии: наибольшее задержание осадков пологом высокополнотных еловых древостоев достигает 6 мм, что примерно и соответствует 58 - 60 %. Поэтому приведенные выше придержки как максимальные можно пока использовать для ориентировочного определения емкости влагозадержания полога данных пород (в мм). Среднегодовые величины задержания осадков кронами названных пород характеризуются широким варьированием.

      Сомкнутость полога и его плотность связаны и с возрастом - наибольшее количество осадков задерживается древесным пологом в жердняковом возрасте. В этот период кроны наиболее смыкаются, причем не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлении (период максимального накопления так называемой хворостяной массы).

      Как показали исследования С. Андерса и  г. Томасиуса, в чистых 80 - 100-летних ельниках Рудных гор Германии отмечается строгая корреляция между полнотой древостоя (площадью сечений м /га) и влажностью верхнего слоя почвы, что свидетельствует и о различии в количестве проникших осадков и различии использования влаги при разной полноте.

      Осадки  задерживаются также и нижними  ярусами лесного фитоценоза, включая подлесок и напочвенный покров. Оценивая значение характера осадков при определении задерживающей способности лесного полога и нижних ярусов- их вида (летние, зимние), интенсивности и продолжительности, надо также учитывать их повторяемость, интервалы между осадками. Задержание осадков прежде всего зависит от количества их при каждом отдельном дожде. Слабый дождь при высокой сомкнутости древостоя почти полностью остается на кронах. Для увлажнения лесной почвы более интенсивный дождь лучше нескольких слабых. Однако при частой повторяемости слабых дождей повышается влажность воздуха, ослабляется задержка осадков кронами.

      Зимние  осадки в хвойных насаждениях, особенно в еловых, задерживаются кронами до 50 - 60 %, в лиственных (а также в лиственничных) из-за отсутствия листвы подавляющая часть их проникает сквозь полог. Так, по данным Н.С. Нестерова, 70 - 75-летние березняки зимой задерживают кронами всего лишь 4 -5 % осадков. Более поздние многолетние данные показывают, что лиственные породы задерживают твердые осадки не более 3-5 (Воронков, 1970) - 6 % (Бочков, 1970).

      Под пологом леса снег ложится равномернее, особенно в лиственных насаждениях, чаще бывает более рыхлым и достигает  большей высоты по сравнению с  покровом на открытом поле. Различны сроки  таяния снега в лесу и вне леса, а также в разных по характеру  лесах. Под защитой лесного полога и снегового покрова почвы промерзают на меньшую глубину, чем в открытом поле, хотя бывают и обратные явления. Но почва в лесу оттаивает весной медленнее, чем в поле, и с неодинаковой скоростью в разных лесах. В лиственных древостоях со 2-м ярусом или подростом ели снег исчезает весной позднее, чем в простых лиственных древостоях. Наибольшие различия во влиянии на распределение снегового покрова наблюдаются между лиственными и хвойными (исключая лиственницу), но имеются существенные различия и в пределах каждой из этих групп. Особенно своеобразно влияние ели на снег, а в связи с этим и на тепловые условия почвы и, следовательно, на рост деревьев этой породы. В густом еловом лесу почва покрывается снегом позднее. Снеговой покров отличается меньшей мощностью в течение всей зимы, весной таяние его задерживается. В связи с этим почва в таком лесу раньше и глубже промерзает и позднее оттаивает, чем в более осветленных насаждениях.

      По  исследованиям П. Ваккури (Уаккип, 1960), в центральной и южной Финляндии продолжительность периода от полного исчезновения снега до окончательного оттаивания почвы составляет: в густом еловом насаждении - 28 дней, в прореженном ельнике - 16. Эти существенные различия должны учитываться практикой лесоводства.