В числе проблем, относящихся к гидрологии леса, может быть, одной из самых главных является проблема измерения и расчета испарения. Увеличивает или уменьшает лес испарение — вот вопрос, над решением которого ученые бьются не один десяток лет.
В сущности, если бы мы располагали надежным способом, позволяющим непосредственно измерить испарение с поверхности участка, занятого лесом, большинство вопросов, касающихся гидрометеорологической его роли, было бы решено или, во всяком случае, стало значительно яснее. В самом деле, зная, сколько влаги испаряется и выпадает, мы могли бы определить сток с лесного участка и, сопоставив эти данные с данными о стоке с безлесного участка, предметно ответить на основной вопрос о влиянии леса на водоносность рек.
Когда сторонники иссушающего влияния леса на режим почв прежде говорили, что лес, высасывая влагу из почвы, испаряет ее в атмосферу, уменьшая тем самым речной сток, противники этого взгляда всегда могли сказать: надо еще доказать, что лес испаряет больше, чем поле, занятое сельскохозяйственными культурами. К сожалению, ни в те далекие годы, когда об этом говорил Докучаев, ни в наши дни мы так и не научились измерять (вероятно, и не сумеем в будущем) испарение с поверхности участка, занятого лесом, и вынуждены прибегать к косвенным методам его расчета.
Прямым измерением, например, с помощью уникального большого гидравлического испарения весом 50 т, созданного и установленного в Валдайской научно-исследовательской гидрологической лаборатории, мы можем измерить испарение небольшого дерева, но сумма отдельных деревьев — это еще не лес, а испарение отдельного дерева — это не испарение леса. Лес — это сложное растительное сообщество, жизнь которого подчинена своим законам. Конечно, это не означает, что наука до сих пор бессильна что-либо сказать о величине испарения с территорий, занятых лесом. Гидрология располагает рядом косвенных приемов, позволяющих с той или иной точностью определить эту величину.
Наиболее надежно испарение с поверхности леса может быть определено методом водного баланса как остаточный член его уравнения. Зная величину атмосферных осадков (х) и стока (у), мы по разности осадки минус сток находим величину испарения z (z=x—у). Но это можно сделать только при условии, если территория (бассейн), для которой производится такой расчет, «замкнутая», т. е. не имеет водообмена с соседними участками. Практически это условие выполняется лишь для бассейнов значительных размеров, так как малые бассейны редко бывают замкнутыми. Расчет водного баланса незамкнутого бассейна сильно усложняется, и результат его становится малонадежным. Другим ограничением применения метода водного баланса для расчета испарения является интервал времени: по разности х—у испарение может быть определено только в среднем за многолетний период. За отдельный год или более короткий интервал времени получить величину испарения методом водного баланса трудно, так как в этом случае надо достаточно надежно знать, как изменяются за такое же время запасы грунтовых и почвенных вод. Для этого надо располагать густой сетью скважин, систематически вести измерения влажности почвы во многих точках зоны аэрации. Суммарное испарение леса поэтому обычно рассчитывают косвенными методами, например методом теплового баланса. Сущность метода теплового баланса состоит в определении доли радиационного баланса, т. е. солнечного тепла, идущей на испарение. Деление этой доли тепла на скрытую теплоту фазовых переходов и дает величину испарения.
Разновидностью указанного метода является комплексный метод М. И. Будыко, с помощью которого величина испарения рассчитывается через максимально возможное испарение (испаряемость) и продуктивные запасы влаги в метровом слое почвы. Используют также другие косвенные методы расчета.
Суммарное испарение леса ученые стремятся дифференцировать, рассматривая отдельно испарение с почвы под пологом леса, испарение с крон деревьев, транспирацию древесной растительности, причем отдельно в вегетационный и зимний (при наличии снежного покрова) периоды.
Трудно в популярной брошюре сколько-нибудь детально излагать все эти методы, не углубляясь слишком далеко в дебри гидрометеорологии. Будет достаточно, если мы скажем, что эти методы позволяют определить величину испарения леса с некоторым приближением к истине. Но, к сожалению, саму истину мы не знаем (за истинное испарение обычно принимают величину разности осадки минус сток). Точность таких данных оценить трудно, но, по всей видимости, она не превышает 15—20%. Наиболее полно указанные методы рассмотрены применительно к задаче определения испарения с поверхности леса в упоминавшейся уже работе Федорова (1979 г.). Его выводами мы и воспользуемся для ответа на вопрос: больше или меньше испаряет лес по сравнению с безлесными участками?
«В среднем за многолетний период (1955—1973), — пишет Федоров в своей работе, — годовая сумма испарения с поверхности леса и поля в условиях Новгородской области мало различается и составляет примерно 500 мм.» Это означает, что лес практически не влияет на средний годовой сток. Заметим, что этот вывод относится к лесной зоне (южная часть тайги). Однако в отдельные годы в зависимости от степени увлажненности соотношение испарения с леса и поля может быть различным.
В сухие годы лес испаряет меньше, чем поле, во влажные — больше. А это уже означает, что лес умеряет многолетние колебания испарения и стока в сравнении с полем.
В Валдайской научно-исследовательской гидрологической лаборатории в настоящее время детально изучаются не только испарение, но все элементы водного баланса леса и их изменения при вырубке и лесовозобновлении. С. Ф. Федоров исследовал два типичных случая последовательного изменения структуры водного баланса: 1) когда лес заменяется вырубкой и затем постепенно возобновляется; 2) когда на полевом участке производятся лесопосадки и затем постепенно возобновляется лес.
В результате исследований в Крестецком леспромхозе Новгородской области Федоров пришел к следующим выводам. При вырубке леса изменяются условия выпадения осадков, на 50% и более уменьшается величина суммарного испарения, полностью исключается задержание осадков на кронах деревьев. Поэтому после вырубки леса и повышается уровень грунтовых вод, увеличиваются запасы воды в почве, ухудшается инфильтрационная способность почвы и существенно увеличивается поверхностный сток с территории, освобожденной от леса. Словом, вырубка леса влечет за собой резкое ухудшение водорегулирующих свойств леса. В последующем на вырубке при постепенном лесовозобновлении происходит восстановление прежнего водного и теплового режимов и водорегулирующих свойств леса. Уровень грунтовых вод и запасы воды в почве понижаются, поверхностный сток уменьшается и т. д. Примерно через 20 лет (в условиях Валдая) лес и его водорегулирующее влияние восстанавливаются.
Структуру и изменение водного баланса при лесовозобновлении Федоров изучал на небольшом экспериментальном водосборе Синяя Гнилка и на двух стоковых площадках Валдайской научно-исследовательской гидрологической лаборатории. На одной площадке, занятой прежде картофельным полем, в 1950 г. были посажены четырехлетние ель и сосна, а на другой — береза и осинник. Поверхность водосбора Синяя Гнилка в 1951—1960 гг. представляла собой обычное сельскохозяйственное поле, а в 1961 г. здесь были высажены ель и сосна того же возраста, что и на стоковых площадках. Исследования показали, что уже в первые же годы лесопосадок начали изменяться инфильтрационная способность почвы, снегонакопление, промерзание, задержание осадков и другие элементы гидрологического режима. На стоковых площадках (супесчаные почвы) через 5—6 лет после лесопосадок поверхностный сток уменьшился настолько, что стал таким же, как в спелом еловом лесу. В бассейне Синей Гнилки (суглинистые почвы) процесс изменения стока и всех элементов водного баланса при лесовозобновлении происходил медленнее, чем на стоковых площадках, где почвы супесчаные. За 10-летний период, прошедший после лесопосадок, величина инфильтрации в почву (на питание грунтовых вод) возросла в 2 раза по сравнению с контрольным водосбором. Увеличилось суммарное испарение, снизился уровень грунтовых вод. Заметно изменилась структура стока: доля грунтового стока в период половодья до лесопосадок (1957—1961 гг.) составляла 13%, через 10—15 лет (к 1975 г) она увеличилась до 32%.
Таким образом, исследования на вырубках и в лесопосадках позволили впервые с цифрами в руках показать, что лес оказывает существенное регулирующее влияние на все элементы водного баланса, умеряя колебания их как внутри года, так и в многолетнем разрезе. Вырубка леса влечет за собой ухудшение водорегулирующих свойств леса, а лесовозобновление — их постепенное восстановление.
Следует еще раз подчеркнуть, что все сказанное (по результатам исследований Валдайской гидрологической лаборатории) относится к лесной зоне, т. е. к зоне с избыточным увлажнением, где испарение с различных угодий (будь то лес или поле) в общем почти одинаково.
В лесостепной и степной зонах влияние леса на испарение и другие элементы водного и теплового балансов усиливается. По мере продвижения от лесной зоны к лесостепной и далее к степной различие испарения с леса и поля возрастает. В засушливых степях в течение более значительной части времени года испарение с поверхности почвы может быть меньше потенциально возможного из-за недостатка влаги. В лесу же это невозможно. При недостатке влаги лес погибнет.
Эти элементарные рассуждения подтверждает и многолетний опыт: в степной зоне лес может расти лишь при искусственном орошении или на участках с особо благоприятными условиями — при дополнительном поступлении влаги с близлежащих участков, например в долинах и поймах рек.