Автор: П. П. Залитис
Водные ресурсы определенной территории целесообразно рассмотреть как управляемую систему с применением методов системного анализа, безусловно способствующих повышению эффективности лесогидрологических исследований. Это очень важно при интерпретации полученных эмпирических материалов и прогнозировании водных ресурсов территорий. Возникает необходимость определить и изучить три компонента: 1) элементы системы, 2) взаимосвязь между этими элементами и 3) взаимосвязь между элементами и нас интересующими параметрами внешней среды. Поэтому первостепенная задача при изучении гидрологической роли переувлажненных лесов и оценка влияния гидромелиоративных мероприятий на водные ресурсы сводятся к определению структуры водного баланса переувлажненных лесных биогеоценозов. Этот вопрос тесно связан с причинами избыточного увлажнения.
Определенное представление о причинах переувлажнения можно получить при изучении закономерностей территориального размещения переувлажненных лесов. В некоторых лесничествах Латвийской ССР переувлажненные леса занимают 90—95% территории, а в других — всего 5—10%. Лесничества со сходным процентом переувлажненных лесов не разбросаны случайно, но концентрируются на определенных территориях.
В Латвии работает около 220 гидрометеорологических станций и постов. Данные их наблюдений приведены к многолетнему ряду (с 1891 г.) и по ним составлены годовые и полугодовые карты климатических явлений. Кроме того, имеется сравнительно много (более 50) гидрологических постов, данные которых создают хорошую возможность проведения изолиний параметров стока. По представленным данным нами определены осредненные величины климатических и гидрологических факторов для территорий каждого лесничества. Использованы также некоторые количественные характеристики геологических и гидрогеологических факторов.
Первая информация о взаимоотношениях между отдельными факторами и процентом переувлажненных лесов получена в результате анализа корреляционной матрицы. Среди изученных факторов нет таких, параметры которых не связаны с параметрами других факторов, поэтому показатели парных корреляций не могут быть использованы для количественной характеристики причинной связи между факторами и процентом переувлажненных лесов. Взаимосвязь между отдельными факторами обусловливает, например, на первый взгляд, довольно курьезную закономерность: хотя осадки и служат основным фактором в приходной части водного баланса, варьирование их количества в пределах 600—950 мм, т. е. на 350 мм, не связано с изменением процента переувлажненных лесов. Наоборот, выявилась существенная отрицательная зависимость: в районах, где выпадает больше осадков, переувлажненных лесов меньше. Поэтому показатели парных корреляций могут быть использованы только для приблизительного ранжирования факторов.
Первое место среди изученных занимает параметр, характеризующий интенсивность разгрузки подземных напорных вод. Связь процента переувлажненных лесов с этим фактором в 2—3 раза теснее, чем с остальными факторами. Однако в данном случае нас интересует не только ранг фактора при аппроксимации варьирования процента переувлажненных лесов, а в основном удельный вес влияния отдельных составляющих водного баланса территории в процессе переувлажнения лесных почв. Если показатели удельного веса вычислены из достаточно большой и, главное, логически подобранной выборки факторов, они сравнительно достоверно характеризуют причинную связь.
Среди вычисленных показателей удельного веса влияния опять отчетливо выделяется глубина пьезометрических уровней подземных вод швентойско-старооскольского, бурегско-саргаевского и дановско-елецкого водоносных комплексов. Не останавливаясь подробно на интерпретации роли других факторов, уместно отметить, что многие гидрометеорологические данные, связанные с водным балансом типа осадки = сток + испарение, лишь в самых общих чертах характеризуют гидрологический режим какого-то района, но без учета подземного перераспределения стока они не пригодны для оценки влияния определенного мероприятия на водный режим территории.
При сопоставлении биогеоценозов переувлажненного леса с высотой пьезометрического уровня подземных вод выявилось, что в Латвии 86% лесов на торфяных почвах и 60% лесов на гидроморфных минеральных почвах находятся в местах, где выклиниваются подземные напорные воды. В этих лесах приходная часть водного баланса состоит из осадков, притока воды с прилегающих суходолов и выклинивания подземных напорных вод. Соотношение этих составляющих в большой степени определяет как сукцессии биогеоценозов, так и их потенциальную продуктивность и техническое решение гидромелиоративных проблем.
Если для выявления основных составляющих водного баланса можно пользоваться осредненными данными метеостанций и гидрогеологических наблюдений, то для выявления взаимосвязей между составляющими водного баланса и параметрами древостоя уже необходимы специальные стационарные измерения. Для повышения достоверности экстраполяции полученных результатов на неизученные объекты целесоообразно пользоваться вторым компонентом системы, выявленным в результате стационарных наблюдений, т. е. показателями взаимосвязей между отдельными параметрами водного баланса.
Закономерности варьирования этих параметров уже в течение 12 лет изучаются на биогеоценологическом стационаре «Весетниеки». Здесь оборудовано 13 гидрогеологических скважин глубиной до 30 м и около 300 скважин для наблюдения за динамикой уровня почвенно-грунтовых вод. Тесная связь между параметрами позволила создать упрощенную модель динамики притока как подземных напорных вод, так и грунтовых вод с прилегающих суходолов. На тех участках осушенного леса, на которых разгружаются напорные воды, приток посторонних вод в среднем за 12-летний период составляет 250 мм за год, в том числе напорных вод 140 мм и с прилегающих суходолов 110 мм. В биогеоценозах, где приходная часть водного баланса не включает разгрузку подземных напорных вод, гидролесомелиорация изменяет в основном динамику стока, а объем стока (летнего, годового) зависит от изменений эвапотранспирации лесонасаждений. Однако в лесах, где приходная часть водного баланса включает приток напорных вод, после осушения неглубокими каналами напор возрастает, что, в свою очередь, способствует возрастанию интенсивности площадной разгрузки подземных вод. На территории стационара «Весетниеки» после осушения уровень почвенно-грунтовых вод снизился в среднем на 25 см, что вызвало увеличение напора на такую же величину. При изучении интенсивности выклинивания подземных вод как функции напора выяснилось, что после осушения она увеличилась в среднем на 0,12 мм/сутки, или около 40 мм за год.
Для определения роли подземных напорных вод использованы данные третьего компонента системы, т. е. проанализировано влияние элементов водного баланса на продуктивность древостоев. Работа проделывалась в два этапа. На первом определено, в какой степени разнообразие переувлажненных лесных биогеоценозов на территории республики связано с интенсивностью выклинивания напорных вод. Как ранее предполагалось, различная потенциальная продуктивность древостоев (в пределах I—IV классов бонитета) в лесах на торфяных почвах в основном (90%) обусловливается изменением интенсивности выклинивания напорных вод. На втором этапе изучены причины варьирования продуктивности древостоев в пределах одного типа. Амплитуда варьирования продуктивности здесь обычно не превышает одного класса бонитета. Зависимость интенсивности разгрузки от напора подземных вод корректируется данными анализов почвенно-грунтовых вод и торфа, залегающих ниже корнеобитаемого слоя почвы. На такой глубине торф активно не минерализуется, но в то же время часто подтопляется почвенно-грунтовыми водами. Увеличенная концентрация минеральных элементов, свойственных подземным водам, указывает на более интенсивную их площадную разгрузку. Выяснилось, что на тех участках осушенного леса, где разгружаются напорные воды, среднегодовая интенсивность их выклинивания варьирует от 0,2 до 1,7 мм/сутки; продуктивность древостоя здесь варьирует в пределах от 1,4 до III, I класса бонитета.
Обобщая полученные результаты, можем утверждать, что потенциальная продуктивность древостоев в лесах на торфяных почвах (осушенных и неосушенных) в основном определяется влиянием трех параметров гидрологического режима почв. 1) на 30% — интенсивностью площадной разгрузки подземных напорных вод; 2) на 30% — скоростью водного потока в почво-грунте и 3) на 20% — обеспеченностью от затопления корнеобитамого слоя почвы. Остальные 20% за счет влияния фона, что в основном связано с характером четвертичных отложений. Однако в пределах одного конкретного биогеоценоза, т. е. при постоянном влиянии фона и свойственной этому участку леса интенсивности разгрузки подземных напорных вод, повышение продуктивности сосновых древостоев на 70% определяется активизацией водного потока в почво-грунте и на 30% — обеспеченностью оптимальной влажности в корнеобитаемом слое почвы.
Здесь упоминается один не слишком часто употребляемый параметр гидрологического режима почвы — скорость водного потока в почво-грунте. Введение этого параметра оказалось необходимым при выявлении причин трансформации переувлажненных биогеоценозов в результате осушения. Используя для характеристики гидрологического режима почвы так называемые обыкновенные параметры, т. е. глубину залегания уровня почвенно-грунтовых вод или обеспеченность от затопления корнеобитаемого слоя почвы лишь на 35%, можно объяснить изменения продуктивности древостоев в результате осушения. Основная причина трансформации лесонасаждений в результате осушения заключается в улучшении аэрации почвы, которая во многом зависит от скорости водного потока или при постоянном коэффициенте фильтрации от уклона потока. Например, в осушенном торфяном брусничнике при уклоне менее 0,003 скорость потока — основной лимитирующий фактор и на 90% определяет продуктивность сосновых древостоев. В таких условиях переувлажнение почвы имеет второстепенное значение. Наряду с повышением уклона лимитирующее значение его уменьшается и в местах, где уклон превышает 0,006, колебания продуктивности древостоев уже на 80—90% объясняются незатопляемостью корней. Таким образом, высокопродуктивные древостой образуются в местах, где уклон водного потока превышает 0,004, корнеобитаемый слой почти не затопляется.
Отсюда следует, что понижение уровня почвенно-грунтовых вод в засушливые периоды ни в коем случае не адекватно понижению уровня в результате гидромелиорации. Известно, что в осушенных и в неосушенных лесах вода часто залегает значительно ниже корнеобитаемого слоя, ее поток в осушенных лесах служит хорошим аэратором, чего не наблюдается в неосушенных лесах. С другой стороны, влияние скорости потока на продуктивность древостоя определяет границы применения двусторонней мелиорации путем шлюзования осушительных каналов. Ухудшение аэрации почвы в результате прекращения стока оказывает более отрицательное влияние на рост деревьев, чем кратковременное понижение влагосодержания в почво-грунте.
Что дает лесу разгрузка подземных напорных вод? Во-первых, подземные воды служат основным поставщиком таких важных минеральных элементов, как Ca и Mg и даже кислорода. Необнаруживание в воде торфяных почво-грунтов кислорода, разумеется, не означает, что он туда не поступает, а наоборот, свидетельствует об интенсивном его потреблении.
Различная экологическая роль разгрузки напорных и притока грунтовых вод с прилегающих суходолов обусловливается не только различной концентрацией питательных элементов в этих водах, но в первую очередь и различной протяженностью зоны их влияния. Приток грунтовых вод с прилегающих суходолов существенно изменяет баланс питательных веществ на расстоянии до 50—100 м от контура переувлажненного биогеоценоза. Однако площадная разгрузка напорных вод осуществляется равномерно по всей территории.
В лесах Латвии неоднократно подтверждается закономерность, что продуктивность древостоев не зависит от мощности торфяного слоя. Это следствие «импорта» питательных веществ с посторонними водами. В районах, где в водном балансе напорные воды не участвуют, «импорт» полностью зависит от притока грунтовых вод с прилегающих суходолов, что следует учесть при проектировании осушительных систем. Приток грунтовых вод нецелесообразно полностью перехватывать глубокими ловчими каналами.
Истощению запасов подземных вод и соответственно уменьшению интенсивности их площадей разгрузки способствует углубление и выпрямление естественных водотоков. Это мероприятие, с одной стороны, активизирует поток воды в почво-грунте, но, с другой стороны, увеличивает в водном балансе долю атмосферных осадков. В результате этого даже интенсивное осушение иногда не дает прогнозируемый эффект. Наоборот, периодическое подтопление почво-грунта водами, богатыми минеральными элементами, может дать положительный эффект.
На вопрос о том, в какие периоды допускается и в какие не допускается переувлажнение почво-грунта, однозначного ответа нет до сих пор. Результаты, полученные при искусственном затоплении корней саженцев, нельзя экстраполировать на лесные биогеоценозы. Например, у саженцев сосны наблюдается повышенная способность адаптации к условиям произрастания и рост саженцев до пятилетнего возраста протекает независимо от того, в какой период и насколько продолжительно (5 или 15 дней) затопляются их корневые системы. С увеличением возраста деревья более активно включаются в работу биогеоценоза и гидрологический режим почвы существенно влияет на их рост. Однако параметры гидрологического режима в соседних биогеоценозах коррелируют между собой настолько тесно, что выделение отдельных критических периодов становится малодостоверным. Выявление критических периодов при сравнении гидрологического режима и продуктивности на более отдаленных участках леса весьма затрудняется различным влиянием фона.
Для выделения критического периода мы пользовались методами ковариационного и множественного регрессионного анализов. Нам удалось определить, что в изученных биогеоценозах варьирование продуктивности древостоев на 83% обусловливается изменениями параметров гидрологического режима почвы. Полученные результаты подтвердили отрицательную роль летних затоплений, но в то же время они указывают и на то, что в данных климатических условиях не выделяются более краткие критические периоды переувлажнения почвы. Гидрологический режим только в мае существенно не влияет на продуктивность древостоя. Инерция и саморегулирование экосистемы перекрывают влияние кратковременного переувлажнения почвы.
Основной элемент водного баланса, связывающий работу лесного биогеоценоза с водным режимом территории, — эвапотранспирация (суммарное испарение). Не останавливаясь подробнее на. оценке различных методов определения этого параметра, уместно отметить, что вычисление этой величины как остаточного члена из уравнения водного баланса небольшого водосбора нередко связано с ошибками порядка 300—400 мм за год. Такие ошибки обусловливаются неточностями в количественной оценке притока и оттока посторонних вод. Можно отметить, что практически легче измерить параметры притока, чем оттока. Особенно сложно измерить отток на питание подземных вод. Поэтому исследования закономерностей варьирования составляющих водного баланса, в том числе эвапотранспирации, в осушенных лесах имеют некоторые преимущества по сравнению с исследованиями в неосушенных лесах или в лесах на суходоле. Это связано с тем, что осушительная сеть перехватывает основную часть притока, а с оттоком на питание подземных вод обычно можно не считаться, поскольку переувлажненные биогеоценозы в большинстве случаев находятся в местах, где происходит разгрузка, а не питание подземных вод.
За 12-летний период (с мая по октябрь) амплитуда варьирования эвапотранспирации по годам достигла 350 мм, т. е. колебалась в пределах 250—600 мм. Если за этот период осадков выпадало более 350 мм, величины эвапотранспирации в лесу мало (на 10—70 мм) отличались от количества выпавших осадков. Если осадков было меньше 350 мм, тогда эвапотранспирация превышала количество осадков и наблюдалось некоторое иссушение более глубоких слоев торфа. В таком случае в эвапотранспирацию включаются посторонние воды и величина ее все равно превышает 350 мм. Однако если в течение двух и более лет выпадает мало осадков, то уменьшается интенсивность площадной разгрузки подземных напорных вод и возможно: понижение эвапотранспирации до 250 мм. Такие крайние условия маловероятны (менее 2%).
Водорегулирующая роль леса отчетливо проявляется при сопоставлении эвапотранспирации в лесу и в не покрытых лесом угодиях. Она определена по методике А. Р. Константинова (1968). В годы, когда количество осадков за вегетационный период не превышает 300 мм, разница несущественна. С возрастанием количества выпавших осадков разница увеличивается, и в дождливые годы эвапотранспирация в лесу на 260 мм превышает эвапотранспирацию в поле. В годы, когда летом выпадает осадков более 500 мм, эвапотранспирация в лесу превышает даже испарение с открытой водной поверхности.
Различная эвапотранспирация в лесу и в поле обусловливается главным образом различной реакцией фитоценозов на влагосодержание в почве: в условиях полной насыщенности древостой способны транспирировать значительно интенсивнее, чем травяной покров.
В переувлажненных лесах, где поступление кислорода в более глубокие почвенные горизонты затруднено, а в почве накапливается углекислота и вредные для растений восстановленные соединения, деревья приспосабливаются к условиям произрастания, образуя поверхностную корневую систему. В таких условиях расход воды на транспирацию уменьшается по сравнению с лесами на влажных, но хорошо дренированных почвах. Однако в заболоченных лесах, так же как и в других условиях произрастания, на более интенсивное поступление влаги деревья реагируют повышением интенсивности транспирации, что не связано с увеличением продуктивности древостоев.
Наши данные о транспирации подтверждают нецелесообразность двустороннего регулирования уровня почвенно-грунтовых вод в осушенных лесах. Климатические условия здесь таковы, что в осушенных лесах повышению транспирации способствует именно понижение, а не повышение уровня воды. Поскольку прирост биомассы слабо коррелирует с транспирацией, то и нет необходимости чрезмерного понижения уровня почвенно-грунтовых вод. Лесоосушительная сеть, защищая почву от переувлажнения и предохраняя воду от стагнации, способствует образованию новых лесных биогеоценозов, в которых почвенная влажность не основной фактор, лимитирующий продуктивность древостоя.