На примере болота Гладкое Тосненского района Ленинградской области
Автор: Б. В. Бабиков
Лесомелиорация проводится для повышения производительности лесов. Осушение достигается понижением уровня грунтовых вод на величину, определяемую глубиной распространения корневых систем древесных растений, зависящей в значительной степени от химического состава почвы. Многочисленными исследованиями установлено, что глубина распространения корней деревьев на осушенных болотах не превышает 30—40 см, а большая часть физиологически активных корней находится в слое 2—5 см. Для обеспечения растений питательными элементами нет надобности в освоении корнями глубоких горизонтов почвы, если торфяники потенциально богаты. Не улучшается режим почвенного питания растений при освоении корнями глубоких горизонтов и на бедных торфяниках, из-за недостаточной аэрации и малой зольности торфа. В нижних горизонтах болот препятствует проникновению вглубь корней и высокая концентрация CO2 в почвенном воздухе, создающая для корней своеобразный биологический барьер.
Вода в болотах в естественном состоянии движется по особым закономерностям, подробно рассмотренным в работах В. Д. Лопатина (1949), К. Е. Иванова (1953), В. В. Романова (1961).
Осушение, или гидромелиорация, болот резко изменяет их гидрологический режим. После осушения создается сеть внутриболотных водотоков. На полосах между каналами наблюдается падение уровня почвенно-грунтовых вод со значительным их понижением в сторону каналов, что увеличивает скорости движения воды в болотах. После осушения естественный гидрологический режим сменяется зарегулированным, особенности которого рассмотрим на примере осушенного верхового болота.
До осушения на болоте произрастал сосновый древостой IV—V классов возраста V—Va класса бонитета с хорошим подростом I—III классов возраста. Мощность торфа на осушенной части изменяется от 2,5 в центре до 2,0—1,5 м к периферии, но в основном равна 1,5—2,0 м. В сложении торфяной залежи четко выражена слоистость. Верхняя часть до глубины 50—60 см представлена остатками сфагновых мхов: 50—70% составляют остатки Sphagnum magellanicum, местами преобладает Sph. fuscum, встречаются Sph. balticum и Sph. angustifolium. Нижний слой на 60—80% состоит из пушицы влагалищной (Eriophorum vaginatum). Степень разложения верхнего 30—50-сантиметрового сфагнового слоя торфа не превышает 5—10%, нижнего пушицевого составляет 40—50%. Коэффициенты фильтрации верхнего слоя 0,014—0,043 см/с (средний 0,027 см/с), нижнего — 0,0021—0,0023 см/с. Зольность по всей глубине торфяной залежи варьирует в пределах 1,5—4,0%.
Осушенный участок площадью около 300 га — часть болота Гладкое, расположенного в Тосненском районе Ленинградской области, которое сформировалось на мощных отложениях ленточных глин.
Болото осушалось в 1967 г. открытыми канавами глубиной 0,9—1,1 м, проведенными через 65 м (интенсивное осушение), 130 м (среднее осушение) и 205 м (экстенсивное осушение) — участки 9, 10, 11. Поскольку в основу исследований гидрологического режима был положен метод водного баланса (с круглогодичной регистрацией стока), то для исключения притока воды на опытные участки со стороны они ограждены нагорными каналами, врезанными в подстилающий слой ленточной глины. Для учета стока устроены гидрометрические водосливы с регистрацией стока самописцами «Валдай».
На болоте проводятся комплексные исследования, включающие изучение элементов водного баланса, режима грунтовых вод и питания. В настоящей работе рассматриваются результаты многолетних (10—12 лет) наблюдений за уровнями грунтовых вод, исследований стока и анализа расчетов суммарного испарения, полученных по уравнению водного баланса.
Режим почвенно-грунтовых вод. Гидромелиорация прежде всего проявляется на режиме уровня почвенно-грунтовых вод. После прокладки осушительной сети на полосах между каналами наблюдается снижение уровня почвенно-грунтовых вод. Характер их понижения для разных почв неоднороден, поскольку поступление воды в каналы прежде всего определяется скоростью фильтрации. Показателем скоростей движения грунтовой воды служит коэффициент фильтрации. Раньше уже отмечалось, что торфяная залежь исследованного болота в верхнем сфагновом слое имеет довольно высокие коэффициенты фильтрации, в нижнем осоковом — в 10—12 раз меньше. Анализ наблюдений за уровнем воды в почве показал, что при интенсивном осушении, где осушители проведены через 65 м, почти постоянно уровень грунтовых вод был пониженным. На участках с расстояниями между осушителями 130 м формируется только спад уровней воды к каналам. На удалении от каналов далее 25—30 м почвенно-грунтовые воды располагаются почти на одинаковой глубине. На территории экстенсивно осушенных участков влияние каналов прослеживается еще меньше. Спад уровня грунтовых вод прослеживается в основном только на расстоянии до 20—25 м. В этих условиях осушительная сеть действует подобно одиночным каналам при внешнем питании. Таким образом, при расположении каналов через 65 м их действие в каждую сторону проявляется на 32,5 м, а при расстоянии 205 м — только на 20 м. Следовательно, устанавливая расстояние между осушителями и их глубину, необходимо учитывать не только тип болот, но и строение торфяной залежи Большие расстояния допускаются на торфяниках с однородным строением залежи, меньшие — на слоистых торфяниках.
Характер снижения уровня воды на межканавных полосах формируется под влиянием различной глубины ее стояния по мере удаления от осушителей. При интенсивном осушении эти различия достигают 7—9 см, при экстенсивном — 2—5 см. Рассмотрим динамику почвенно-грунтовых вод в средней части межканавных полос. Динамика уровня воды в почве зависит от степени осушения, распределения и количества осадков, особенно в безморозный период. С увеличением интенсивности осушения наблюдается большее понижение почвенногрунтовых вод. На интенсивно осушенных участках относительные различия в уровнях маловодных и многоводных лет в среднем меньше, чем на участках с экстенсивным осушением. Статистическая оценка, проведенная на примере 8-летних рядов наблюдения, также показывает увеличение вариации уровней с уменьшением степени осушения.
Для получения результатов с заданной (10%) точностью исследования необходимо при интенсивном осушении иметь 9—10-летний ряд наблюдений. При экстенсивном осушении названную точность можно получить только после 18—20 лет наблюдений. Наблюдения менее 10 лет не позволяют делать достоверных выводов, а часто обсуждаемые в печати наблюдения 2—3-летних периодов позволяют давать только относительную оценку. Поэтому в публикуемых научных статьях о режиме почвенно-грунтовых вод должна обязательно указываться длительность рядов наблюдений. Анализ 10-летних наблюдений показывает, что уменьшение расстояний (L) между каналами в три с лишним раза (с 205 до 65 м) обеспечивает понижение почвенно-грунтовых вод в 2 раза (с 12 до 25 см), а двукратное увеличение расстояний (с 65 до 130 м) приводит к понижению почвенногрунтовых вод только на 37%. Анализируя многолетние данные наблюдений следует отметить, что осушение не приводит к устойчивому сохранению низких уровней почвенно-грунтовых вод или направленному их снижению. Это явление временное. Пониженные уровни наблюдаются только в летние месяцы в годы с малым количеством осадков. Максимальное понижение, отмеченное в засушливом 1973 г., достигало на интенсивно осушенном участке 67 см, а в среднем за многолетний период не превышает 40 см. Осенью почвенно-грунтовые воды сильно повышаются, а весной после снеготаяния обычно приближаются к поверхности. Несколько пониженные уровни весной оказываются только после засушливого года и обычно в древостоях высших классов бонитета. Однако и в этих случаях при больших снегозапасах, после которых следует весной интенсивное таяние, также возможен подъем верховодки к поверхности.
На объектах наших исследований при анализе в вегетационном периоде, за исключением мая, обычно свободным от гравитационной воды оказывается только верхний 5-сантиметровый слой почвы. Майские уровни почвенно-грунтовых вод наиболее высокие за весь безморозный период. В июне — августе обычно, а часто и в сентябре — октябре почвенно-грунтовые воды находятся ниже, чем в мае. Летнее понижение воды в почве на верховом болоте не доходит до 50—60 см, слой же 10—20 см, где возможно размещение корней деревьев, даже при интенсивном осушении оказывается за лето подтопленным более чем на 1,5 месяца. Исследованиями А. Я. Орлова и С. П. Кошелькова (1971) установлено, что подтопление корней водами, лишенными кислорода, на период более 4—5 дней вызывает отмирание растущих корней. Определение содержания кислорода в. почвенно-грунтовой воде показало, что здесь постоянно наблюдается его дефицит. В верхних горизонтах кислород появляется только после дождя и сохраняется на уровне 2—3 мг/л в течение нескольких часов. В воде на глубине 10 см содержание кислорода не превышает 0,3—0,5 мг/л, что составляет 3—4% нормы. На большей глубине грунтовые воды постоянно лишены кислорода. Существование корней в зоне подтопления возможно только потому, что оно бывает прерывистым и при понижении уровня грунтовых вод корни в некоторой степени осваивают этот горизонт, получая кислород из почвенного воздуха. Исследования состава почвенного воздуха показали, что содержание кислорода в нем на глубине 10 см обычно оказывается не ниже 20% и только на глубине 30 см снижается до 6—7%.
Расход влаги с осушенных болот. Особенности гидрологического режима на осушенных землях хорошо прослеживаются по изменению стока на объектах разной степени осушения. Известно, что сток с неосушенных болот осуществляется за счет воды, аккумулированной в верхнем горизонте и в значительной степени зависит от уклона поверхности болота и связанного с ним уклона грунтовых вод. После осушения каналы, врезанные в толщу торфяной залежи обычно на глубину 1,0—1,5 м, изменяют условия стока, формирующиеся между каналами кривые депрессии уровня почвенно-грунтовых вод увеличивают уклоны в сторону осушительных каналов.
X. А. Писарьков (1970) экспериментально установил зависимость модуля стока на осушительной сети от величины напора. Чем меньше расстояние между каналами и больше уклоны почвенно-грунтовых вод, тем больше сток. Такая зависимость усматривается и в наших исследованиях, но только при определении средних многолетних за месяц или многолетних годовых модулей стока. Анализ модулей за отдельные периоды в определенных случаях приводит к иным результатам. Многолетние круглогодичные исследования стока позволили изучить его особенности в различные по водности периоды и годы. На равнинах наиболее многоводны периоды половодий. Весеннее половодье формируется зимой в период снегонакопления. Характер весеннего паводка и величина максимального стока во многом зависят от интенсивности снеготаяния. Например, в 1968 г. интенсивное снеготаяние началось 22 марта и к 26 марта снег почти полностью растаял. Максимальный модуль стока, равный 2,13 л/с с 1 га, был зарегистрирован 25 марта. В следующем году при сходных запасах воды в снеге снеготаяние происходило постепенно. Оттепели чередовались с заморозками. Максимальный модуль стока отмечен только в середине апреля. Интенсивное весеннее снеготаяние 1968 г., сопровождавшееся дождями и происходившее еще при мерзлой почве, вызвало формирование на короткий период поверхностного стока и поступление воды в значительном количестве в осушительную сеть через бровки каналов. Однако в последующие 10 лет наблюдений поверхностный сток не отмечался.
Рассмотрим возможности поступления воды в каналы в этих условиях. Когда почвенно-грунтовые воды стоят высоко, возле каналов создаются большие гидравлические градиенты. В этом случае модули стока можно вычислить по формуле Доната-Слихтера.
Весной во время паводка в каналах имеется лед и на откосах часто наблюдается мерзлота. Поэтому рабочая глубина осушителей уменьшается. При обычно наблюдаемой весной рабочей глубине 0,6 м напор также можно принять равным 0,6 м. Средний коэффициент фильтрации верхнего слоя торфяной залежи, как уже было показано, равен 0,027 см/с. Но поскольку верхняя часть откоса мерзлая и довольно значительная часть воды в осушители поступает по нижнему, менее водопроницаемому слою с коэффициентами фильтрации 0,0022 см/с, то в этом случае модуль стока составляет 3,0 л/с∙га. Фактически за 10 лет максимальный модуль стока не превышал 2,13 л/с. Следовательно, в осушительную сеть внутрипочвенным стоком может поступать вся вода даже в период весеннего снеготаяния.
После сброса паводковых вод на интенсивно осушенном участке с расстояниями между каналами 65 м формируется снижение уровней грунтовых вод для всей полосы между каналами. Поверхностный сток в осушительные каналы исключается, так как возле каналов почвенно-грунтовые воды располагаются значительно ниже поверхности почвы. В этом случае модули стока можно вычислить по формуле Роте.
После оттаивания почвы и при высоком стоянии почвенно-грунтовых вод вода в каналы поступает через верхнюю часть откоса, где средний коэффициент фильтрации, как уже отмечалось, равен 0,027 см/с. В этом случае при напоре 35 см на участке с расстоянием между осушителями 65 м модуль стока может достигать 0,313 л/с∙га. Фактический зарегистрированный средний модуль стока за апрель составил 0,300 л/с. При понижении почвенно-грунтовых вод сток в каналы происходит в нижней части откосов через нижний слой почвы, где коэффициенты фильтрации снижаются в 10 с лишним раз. В этом случае при той же величине напора отвод воды с осушаемой площади замедляется и модули стока уменьшаются до 0,0187 л/с∙га. Следовательно, на слоистых торфяниках, где с глубиной значительно снижается водопроницаемость, верховодка медленно понижается и сильна уменьшается дальность действия осушительных каналов в стороны. Ранее было показано, что в этих условиях следует уменьшать расстояние между осушителями в 1,5—2,0 раза. Анализируя модули стока в различные периоды, находим, что в основном сохраняется закономерность уменьшения стока по мере снижения интенсивности осушения. Однако при высоких уровнях почвенно-грунтовых вод (особенно осенью) она нарушается. Так, по наблюдениям в дождливом сентябре 1978 г., пока грунтовые воды были достаточно глубоки, на интенсивно осушенном участке модули стока равнялись 0,0520 л/с, а на экстенсивно осушенном — 0,0403 л/с∙га. После подъема верховодки во второй декаде сентября модули стока изменились при интенсивном осушении до 0,1389 л/с и при экстенсивном — 0,1555 л/с∙га. Увеличение стока при экстенсивном осушении объясняется тем, что после подъема почвенно-грунтовых вод большая часть воды поступала в каналы по верхнему слою торфа, характеризующемуся в 12 раз большими коэффициентами фильтрации.
По исследованиям аналитических данных обеспеченности среднегодовых модулей стока видно, что максимальные модули 1%-ной обеспеченности на интенсивно осушенном участке равняются 0,121 л/с-га. Такие модули стока могут наблюдаться в очень многоводные годы. За период исследований наблюдавшийся наивысший среднегодовой модуль стока равнялся 0,101 л/с, что соответствует 7%-ной обеспеченности. На участке при среднем и экстенсивном осушении с расстоянием между каналами 130 и 205 м модули стока 1%-ной обеспеченности равнялись соответственно 0,109 и 0,076 л/с∙га. Минимальные модули стока 99%-ной обеспеченности на интенсивно осушенном участке равнялись 0,027, а на экстенсивно осушенном — 0,015 л/с∙га. Полученные в период наблюдений наименьшие модули стока при интенсивном осушении равнялись 0,042, при экстенсивном — 0,023 л/с∙га, что соответствует модулям 90—95%-ной обеспеченности.
По осушительным каналам вода стекает в течение всего года. На сток приходится значительная часть годового расхода влаги. На участках с интенсивным осушением коэффициент стока равен 0,39 и среднегодовая величина его составляет 233,7 мм. При экстенсивном осушении коэффициент снижается до 0,24 и годовая величина стока до 146 мм. В период интенсивного сброса вод весеннего половодья за апрель по осушительным каналам отводится 33—40% годового стока. Наименьший сток отмечается в августе, когда за месяц отводится всего 2,3—3,1% годового стока. В апреле сток — основная расходная характеристика водного баланса.
В летний период основная часть почвенной влаги расходуется на суммарное испарение. Рассчитанное по уравнению суммарное испарение за май — сентябрь на участках с расстоянием между канавами 65, 130 и 205 м оказалось равным соответственно 292, 310 и 341 мм, а определенное по другой формуле — соответственно 295, 313 и 364 мм, т. е. расхождения оказались несущественными.
Сопоставляя сток и испарение, находим, что в летние месяцы суммарное испарение значительно превышает сток. Следовательно, испарение летом — это основная расходная характеристика водного баланса. В летние месяцы суммарное испарение в среднем превышает 2 мм в сутки, а в отдельные составляет более 3 мм в сутки за счет большого расхода влаги на транспирацию.
При снижении уровня грунтовых вод вода в каналы поступает в основном по нижнему слабоводопроницаемому слою почвы. Расчет по формуле показывает, что наличие уклона грунтовых вод в сторону осушителей теоретически обеспечивает постоянное поступление воды в каналы. Однако эта вода интенсивно расходуется на испарение с откосов осушителей и с поверхности воды в осушителе. Поэтому летом по каналам вода стекает не всегда. Прекращение стока грунтовых вод на водосливах отмечается при уклонах, равных 0,0035, на участках с расстояниями между каналами 65 м и 0,0022 — при расстоянии 205 м.
Продолжительность бессточного периода (нулевой сток) имеет разную длительность в разные годы, зависит от интенсивности осушения и колеблется от 0 до 93 дней при интенсивном осушении. В среднем за 9 лет наблюдений на интенсивно осушенном участке сток не наблюдался 30 дней, на экстенсивно осушенном — 59 дней. Увеличение продолжительности периода «нулевого стока» при больших расстояниях между осушителями объясняется уменьшением дренирующего действия каналов. Исследованиями X. А. Писарькова (1970) установлено, что при значительных расстояниях между осушителями поступление воды в каналы можно рассматривать, как при внешнем питании грунтовых вод. В этом случае расход воды в каналах оказывается в 2 раза меньше, чем при внутреннем питании, и каналы слабо способствуют снижению уровня грунтовых вод.
Сопоставление приходной и расходной частей водного баланса показывает, что апрель — август — период интенсивного расхода влаги. За это время расход воды на сток и испарение значительно превышает приходную часть баланса. Следовательно, только в этот период возможно прекращение стока на водосливах. В дальнейшем с сентября приходная часть начинает превышать расходную; вплоть до апреля влага накапливается и сток воды происходит постоянно.
Влияние леса на водный режим. Длительные наблюдения позволяют проследить изменение стока на участках разной степени осушения по мере изменения состояния древостоя. При анализе стока по трехлетиям различия в стоке уменьшаются.
Уменьшение различий и выравнивание стока на участках разной степени осушения объясняется более быстрым увеличением транспирации на интенсивно осушенных участках. До осушения на болоте произрастал сосновый древостой V—Va класса бонитета, а на интенсивно осушенном участке 9 рост характеризуется уже III классом бонитета. Десятилетние наблюдения за испарением, сгруппированные по пятилетиям, показывают, что на интенсивно осушенном участке 9 суммарное испарение во втором пятилетии возросло с 332 до 408 мм, или на 23%. На экстенсивно осушенном участке 11 оно увеличилось только на 9%. Испарение во втором пятилетии увеличилось в результате улучшения состояния древостоя, усиления транспирации.
Известно, что на верховых болотах капиллярный подъем почвенной влаги в основном не превышает 15— 25 см. Поэтому при снижении почвенно-грунтовых вод ниже этих величин вода не поднимается к поверхности почвы. После осушения корневые системы осваивают более глубокие горизонты почвы. Усиливается десукция влаги, возрастает транспирация. Способствует усилению транспирационного расхода и возросший капиллярный подъем влаги вследствие осадки и уплотнения торфа. Увеличение транспирационного расхода влаги непосредственно связано с улучшением роста древостоя.
В первое пятилетие испаряемость составляла 581 мм, во второе — 447 мм, т. е. снизилась на 26%. При снижении испаряемости можно было ожидать и снижение суммарного испарения. Однако оно не снизилось, а увеличилось. В первое пятилетие испаряемость на всех участках значительно превышала суммарное испарение, во втором — испаряемость и суммарное испарение мало различались.
Сопоставляя суммарное испарение и испаряемость по годам, находим, что в отдельные годы суммарное испарение превосходит испаряемость. Особенно значительно превышение суммарного испарения над испаряемостью в многоводные годы, когда запас влаги в почве не лимитирован. Следовательно, рассматривая гидрологический режим осушенных болот, необходимо учитывать воздействие как осушительных каналов, так и древесного насаждения.
Выводы. Динамичность уровня почвенно-грунтовых вод на болотах уменьшается после осушения. Для получения результатов об уровенном режиме почвенно-грунтовых вод с 10%-ной точностью необходимы 9—10-летние наблюдения.
После засушливых лет отмечается тенденция к пониженному стоянию почвенно-грунтовых вод в следующем году, однако при больших запасах воды в снеге и интенсивном снеготаянии весной могут полностью восстанавливаться запасы почвенной воды. Устойчивость понижения грунтовых вод после осушения не сохраняется.
Вода в осушительную сеть поступает, как правило, внутрипочвенным стоком. Расчеты показывают, что через откосы в каналы может поступить больше воды, чем отмеченный фактический сток.
Сток воды по каналам наиболее интенсивен весной при снеготаянии и увеличивается с возрастанием степени осушения. С течением времени доля весеннего стока несколько уменьшается, снижаются и различия в модулях стока на участках разной интенсивности осушения, т. е. прослеживается тенденция к выравниванию внутригодового стока.
Сток по каналам прекращается при уклонах 0,0022—0,0035 в связи с тем, что при таких гидравлических градиентах поступающая вода успевает испаряться с откосов и открытой воды в каналах.
Интенсивное осушение резко улучшило рост леса, что привело к усилению транспирации, вследствие чего сток снизился. Различие в стоке на участках с интенсивным и экстенсивным осушением в первые годы достигали 55%, а в последние — только 34%.
Влияние леса на расход влаги особенно сказывается в сырые многоводные годы, когда на участках с высокопродуктивными древостоями суммарное испарение превышает испаряемость.
Гидромелиорация коренным образом изменяет гидрологический режим болот. Ее воздействие проявляется как непосредственно при изменении гидрологических условий, так и косвенно — через древостой, создавая условия для формирования высокобонитетных древостоев. Поле гидромелиорации сохраняется и торфяная залежь и растущий на ней древостой. Так, например, в Лисинском лесхозе на болоте Суланда, осушенном в 1841 г., мощность торфяной залежи и теперь остается неизменной (0,8—1,0 м), а произрастающий сосново-еловый древостой имеет I—II класс бонитета.