часть из работы
При определении среднегодовых величин испарения с суши применяются методы М. И. Будыко и А. Р. Константинова, практическая реализация которых представлена в [264, 322]. Возможность использования их в условиях Карелии была подтверждена в [13, 178]. Разница между значениями испарения, вычисленными нами по этим методам для 30
140 метеостанций Карелии и Кольского полуострова, составляет 40 - 90 мм. В среднем полученная по методу М. И. Будыко годовая величина испарения с суши на 60 мм больше, чем рассчитанная по методу А. Р. Константинова.
Выполненные нами детальные исследования испарения с различных поверхностей в Южной Карелии показали, что результаты расчета по методу М. И. Будыко соответствуют максимальным из наблюденных значений испарения (испарение с осушаемого торфяника, занятого многолетними травами). Метод А. Р. Константинова дает более низкие результаты, которые соразмерны с наблюденными значениями испарения с неосушенных болот и минеральных почв. Учитывая это, в дальнейших расчетах испарение с суши для каждого водосбора принимали как среднеарифметическое значение из рассчитанных по методу М. И. Будыко и А. Р. Константинова величин.
Для определения испарения с водной поверхности предложены различные модели, анализ которых приводится во многих работах [23, 58, 72, 264]. К сожалению, как это отмечается в приведенных работах, ни одна из них не имеет явного преимущества. В настоящее время наибольшее распространение имеет разработанный в ГГИ метод, изложенный в [371]. Одним из его недостатков, как это отмечается В. С. Вуглинским [72], является субъективный подход к определению некоторых параметров.
Для малых водохранилищ расчет месячной величины испарения Р. А. Нежихов-ский рекомендует выполнять по формуле Б. Д. Зайкова [277]
Еу, =4.6Cd078(l + 0.52 vjooo), (5.45)
где С - параметр, выражающий соотношение между температурой поверхности воды в водоеме и температурой воздуха (в среднем для северной части России С = 1.8); d - средний месячный дефицит влажности воздуха, мб; vwoo - средняя месячная скорость ветра, измеренная по флюгеру, м/с.
В настоящее время существует достаточно широкая сеть пунктов, где проводились и проводятся наблюдения за испарением с водной поверхности по испарителям и испарительным бассейнам. Наиболее обоснованным с использованием измерений по водным испарителям является метод расчета испарения с поверхности озер и водохранилищ, предложенный В. С. Вуглинским [72]. Однако его применение осложняется отсутствием в ряде случаев данных по температуре воды. Самый простой подход к решению этой задачи и основанный на непосредственных наблюдениях за испарением с водной поверхности реализуется следующим равенством:
Ew=E20 = aEo3, (5-46)
где Е20 - испарение с поверхности испарительного бассейна, площадью 20 м , мм; а - коэффициент для перехода от показаний сетевого испарителя ГГИ-3000 к испарению с ис-
141 парительного бассейна; Eos - значение испарения из ГГИ-3000, мм.
Результаты анализа такого подхода приведены во многих работах [23, 58, 72, 204, 264]. Преимущество этого метода заключается в том, что в нем применяются результаты измерений, полученных непосредственно по наземным водным испарителям ГГИ-3000 [58, 72]. Ошибки при использовании равенства (5.46) могут составить ± 6 % при расчетах испарения с поверхности водоемов площадью до 100 км2 и ± 9 % при площади водоемов от 100 до 1000 км2 [264]. По исследованиям А. Р. Константинова [204] такая же интенсивность испарения, как с поверхности испарительного бассейна, должна наблюдаться на водоемах площадью 20-40 км . При увеличении размеров водоемов испарение с них плавно уменьшается. Площадь значительной части водохранилищ исследуемого региона не превышает 1000 км , поэтому, основываясь на вышеизложенном, можно предположить, что ошибки расчета испарения с водохранилищ по (5.46) не превысят 10%.
Правомерность использования данного метода в исследуемом регионе оценивали путем сравнения его с другими существующими, изложенными выше. Результаты расчетов месячных величин испарения с применением формул (5.46) (EW2o), (5.45) (Еш) и метода, изложенного в [371] (Ewu), приведены в табл. 5.7. Величины (Ewu) взяты из опубликованных источников [90, 153]. Кроме того, в табл. 5.7 приведены годовые величины испарения (Emv), взятые из работы В. С. Вуглинского [72]. При расчете EW20 использовались среднемноголетние данные наблюдений на сети гидрометеорологических станций [58, 90]. Для каждого конкретного водохранилища принимались среднеарифметические данные наблюдений по ближайшим пунктам. Для периода ледостава испарение вычислялось по формуле (3.60) [322]. Значение коэффициента аъ формуле (5.46) определялось нами по предложенной П. П. Кузьминым формуле [219]:
а = 0.98 - 0.0007 ?0J, (5.47)
где Еоз - среднее значение испарения по ГГИ - 3000, мм/мес.
Наиболее высокую величину испарения в течение всего теплого периода и для всех водоемов дают расчеты по формуле Б. Д. Зайкова. Эти значения превышают и испарение с водного испарителя ГГИ-3000. Соотношение величин, полученных по «Указаниям ...» [371] и по уравнению (5.46), меняется в течение года. В начале теплого периода более высокое испарение дает зависимость (5.47), а в осенний период соотношение результатов меняется, вместе с тем итоговые за год результаты EW20 и Ewu, исключая Выгозерское вдхр., достаточно близки между собой. Величина Ewu для Выгозерского вдхр., по-видимому, является завышенной. Значения испарения, полученные по (5.46) и приведенные В. С. Вуглинским (Zw) [72], различаются менее чем на 10 %. Все вышеизложенное, по нашему мнению, свидетельствуют о возможности использования при определении го-
142 дового испарения с поверхности водохранилищ результатов наблюдений на водноиспари-
тельных площадках.
Таблица 5.7
Испарение с водоемов, полученное различными методами
Хар-ка I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
Юшкозерское вдхр.
Ewz 5 4 10 21 60 102 99 72 45 29 13 6 466
EW20 5 4 10 21 66 76 75 50 26 12 7 6 358
&WW 327
&WU 5 4 6 8 25 58 93 83 63 45 8 6 404
Сегозерское вдхр.
Еш 3 4 9 20 49 89 84 66 44 27 11 5 411
EW20 3 4 9 20 54 77 75 60 37 19 6 5 369
¦&WW 380
&WU 3 4 5 20 27 49 72 70 53 40 24 4 371
Выгозерское вдхр.
hiwz 3 4 9 19 58 119 104 78 49 27 11 5 486
EW20 3 4 9 19 54 70 68 55 34 18 6 5 345
¦C/WW 350
¦&WU 2 2 5 13 30 86 114 103 66 38 5 2 466
5.4. Оценка изменения элементов водного баланса на территории, занятой населенными пунктами и дорогами
Задача по оценке изменений элементов водного баланса при строительстве дорог и населенных пунктов является наиболее сложной из всех задач, связанных с выяснением гидрологической роли деятельности человека на ЕСР. Этот вид хозяйственной деятельности представляет собой, по предложенной в главе 2 классификации, жесткую форму воздействия, поэтому здесь уместно применение всего набора методов оценки, детально изложенных в работах И. А. Шикломанова [408], Б. М. Доброумова и Б. С. Устюжанинова [116]. Однако применение общепринятых и достаточно строгих методов затруднено тем, что, с одной стороны, данный вид деятельности имеет как правило очень ограниченное распространение на водосборе и, с другой стороны, отсутствуют строгие методы определения элементов водного баланса. В этом случае можно воспользоваться рекомендациями В. М. Котлякова, согласно которым наиболее оправданным путем исследования сложных
143 объектов является разработка логических методов, «позволяющих при минимуме используемого математического аппарата получить нетривиальные результаты» [213]. Основываясь на этом, величину годового стока с автомобильных дорог, тротуаров можно установить по уравнению водного баланса, используя полученные методом аналога коэффициенты стока, как это сделано, например, в работе М. И. Львовича и Г. М. Черногаевой [244] при оценке преобразования водного баланса на территории г. Москвы. При таком подходе для определения испарения справедливым является следующее выражение: Е>Р(1-а), (5.48)
где or- коэффициент поверхностного стока, равный отношению стока к осадкам.
При правильной эксплуатации дорог, предполагающей продолжительное и безопасное использование их по назначению, недопустимым процессом является насыщение земляного полотна влагой. Поэтому при строительстве и эксплуатации дорог сооружаются устройства и проводятся мероприятия, предохраняющие земляное полотно от поступления в него атмосферных осадков и грунтовых вод [24]. Следовательно, основную величину испарения с земляного полотна в теплый период года составляет влага, которая смачивает поверхность дорог и заполняет микропонижения и трещины. В наибольшей степени это относится к дорогам с асфальто-бетонным покрытием проезжей части. Просачивание через такое покрытие и испарение влаги из-под него практически исключаются. Для ще-беночно-гравийных дорог во влагообмене участвуют и нижние, залегающие под дорожным покрытием, слои. При продолжительных осадках часть дождевой влаги здесь просачивается в нижние горизонты, а в сухие периоды эта влага расходуется на испарение. Однако и в данном случае основные потери от стока составляет испарившаяся с поверхности дороги влага.
Для водонепроницаемых поверхностей (асфальт) в теплое время года, правая часть уравнения (5.48), несомненно, равна испарению. Для щебеночно-гравийного покрытия в летний период испарение с дороги, возможно, будет отличаться от разности между осадками и поверхностным стоком на величину, соответствующую влагообмену нижних горизонтов. Поэтому рассчитанная с помощью соотношения (5.48) величина испарения с щебеночно-гравийного покрытия в ряде случаев получается заниженной. В качестве верхнего предела реального испарения можно, по-видимому, использовать значение испарения с почв без растительного покрова. Последнее значение является также приближенной оценкой испарения с грунтовых дорог. По многолетним наблюдениям на Корзинском мелиоративном стационере в южной Карелии, испарение с почв без растительного покрова составляет 60% от величины суммарного испарения с луга, которое может быть приравнено к испаряемости [322]. Это соотношение справедливо как для минеральных, так и для ор-
144 ганогенных почв. Интересно отметить, что в работе [453] коэффициент перехода от испаряемости к испарению с почв без растительности принимается в пределах от 0.4 до 0.6, т. е. его величина соответствует нашим результатам.
Коэффициенты поверхностного стока, употребляемые при расчетах канализации на городских территориях, приводятся в работе [115] (табл. 5.8). Следует отметить, что близкие к этим значения «применялись в работах М. И. Львовича и Г. М. Черногаевой [244].
Таблица 5.8 Значения коэффициентов поверхностного стока для различных поверхностей [115]
Род поверхности Коэффициент стока
Кровли и асфальтобетонные покрытия дорог (водонепроницаемые поверхности) 0.95
Брусчатые мостовые и черные покрытия дорог 0.6
Булыжные мостовые 0.45
Щебеночные покрытия, не обработанные вяжущими материалами 0.4
Гравийные садово-парковые дорожки 0.3
Грунтовые поверхности (спланированные) 0.2
Газоны 0.1
Среднемесячные величины испарения для теплого времени года определяются с использованием приведенных в [276] данных о среднем числе дней с различным количеством осадков по уравнению:
E = ?ntP,(l-d), (5.49)
где п, - число случаев с дождями /-той величины; Р,- дождь /-той величины, мм.
В зимний, ранневесенний и позднеосенний периоды испарение с дорог и кровель, по-видимому, мало отличается от средней величины эвапотранспирации с водосбора, поэтому его можно вычислять обычными существующими методами.
Изменение испарения (dE) определяется по разности между испарением с дороги (Er) и средним испарением с окружающей дорогу территории (Еь): dE = ER- Еь. (5.50)
Изменение испарения в целом с водосбора можно выразить как произведение dE на долю дорог на расчетной территории. При этом изменение стока в мм слоя находится по равенству (5.51): dY = -dEfR, (5.51)
145 где /л - доля дорог на исследуемой территории.
При оценке изменения элементов водного баланса с территории, занятой строениями, нужно иметь в виду, что часть осадков во время дождя задерживается на стенах зданий и впоследствии испаряется. Эта величина дождевой влаги зависит от скорости ветра, продолжительности и интенсивности осадков. Для приближенной оценки возможного количества влаги, идущей на смачивание вертикальных конструкций, в строительной практике используются различные подходы, рассмотренные в работах Ц. А. Швер [400, 401]. Одна из применяемых для этой цели формул имеет следующий вид: Pst= (lApi + 2Лрг + 3.0р3)Р, (5.52)
гдер\,р2 ирз- повторяемость скоростей ветра по градациям 6-9,10-14 и 15 м/с и более.
Преимущество этой формулы состоит в том, что она теоретически обоснована и содержит легко определяемые параметры.
Выполненные Ц. А. Швер расчеты возможной доли осадков, попадающих на стены при косых дождях для ряда станций, свидетельствуют о значительной изменчивости данного показателя. В зависимости от климатических условий эта доля изменяется от 4 до 94%. Наши расчеты по (5.52) показали, что в условиях г. Петрозаводска на наветренные стены попадает 15% от выпавших на горизонтальную плоскость жидких осадков. Эту долю осадков можно принять за количество испарившейся со стен влаги.
При расчетах элементов водного баланса для города всю его площадь можно разделить на три части: здания, заасфальтированная часть и территория, занятая прочими угодьями. При этом испарение со всей городской территории за теплый период (Egor) можно представить как сумму:
Eg0r - Ец/н +Ecfa + Eprfpr, (5.53)
где Ен, Еа и Ерг - испарение со зданий, асфальта и прочих угодий, мм; fy, fan fpr- доля площадей под зданиями, асфальтом и прочими угодьями.
Величина Ен для теплого времени года определяется по следующему выражению: Ен = {EkrFkr +EstFst)I Fkr, (5.54)
где Fkr, Fst~ площадь кровли и стен; Ekr и Est - испарение с кровли и стен.
Испарение за холодной период со всей территории города следует определять по формуле (3.60), а годовая величина (Egor) будет равна сумме испарения за теплый и холодный периоды. Влияние города на этот элемент водного баланса можно определять по равенству, аналогичному (5.50), заменив в нем Er на Egor. Для небольших городов можно ограничиваться метеоданными одной или двух станций. При использовании данных метеостанции, расположенной в пределах города, следует иметь в виду, что в этом случае не учитывается влияние города на метеорологические условия.
146 6. Особенности формирования элементов водного баланса в производных и коренных лесах
Проблема рационального использования лесных и водных ресурсов в таежной зоне требует изучения взаимосвязи функционирования лесного биоценоза с обусловливающими этот процесс факторами, среди которых значительное место занимает влага. Поэтому вопросами гидрологической роли леса занимаются лесоводы и гидрологи, и этой проблеме посвящено много исследований как в нашей стране, так и за рубежом. Наибольший вклад в изучение отдельных гидрологических процессов в лесу и влагооборота в целом внесли Г. Н. Высоцкий [74], И. С. Шпак [412], А. А. Молчанов [267, 270], С. Ф. Федоров [373], О. И. Крестовский [214], А. А. Книзе, О. И. Крестовский [197], Г. Ф, Хильми [385], В. В. Протопопов [311], П. Ф. Идзон, Г. С. Пименова [146], В. В. Рахманов [319], Раунер Ю. Л. [317], Н. А. Воронков [71], Дж. Л. Монтейс [446] и многие другие. Достаточно полные и подробные обзоры и анализы результатов изучения гидрологической роли леса с рассмотрением методов исследований представлены В. В. Рахмановым [319], С, Ф. Федоровым и С. В. Маруничем [377]. Получение объективной оценки влияния характеристик леса на элементы водного баланса в условиях, когда значительная часть лесного фонда представлена коренными (эксплуатируемыми) лесами, представляет собой достаточно сложную задачу. В значительной степени это объясняется отсутствием надежных, теоретически обоснованных и практически доступных методов решения этой задачи и трудностями получения необходимой информации о распределении покрытой лесом площади и запасов насаждений по преобладающим породам, классам возраста и бонитета на водосборах. Поэтому до настоящего времени большая часть исследований гидрологической роли леса относится к изучению зависимостей, в частности стока, от наиболее легко определяемой характеристики - лесистости [71, 146, 301, 319] и др. Недостатки этого подхода убедительно показаны О. И. Крестовским [214].
6.1. Влияние на испарение с леса его характеристик и климатических факторов6.1.1. Зависимость суммарного испарения от возраста и продуктивности леса
Изменение транспирации древостоя и в целом суммарного испарения с возрастом леса показано во многих работах [267, 270, 214, 197, 374]. Эти изменения происходят, как об этом говорилось выше, в течение десятков лет (-100 лет) до новых рубок (см. рис. 2.3). При исключении участка леса из эксплуатационного фонда изменения, постепенно зату-
147 хая, продолжаются столетия до достижения лесом финальной стадии его развития - кли-максовой.
Основная цель деятельности человека в лесу - это получение древесины. Важным фактором решения этой задачи является повышение продуктивности леса, что достигается выполнением различных, необходимых для конкретных природных условий, лесохозяйст-венных работ, которые включают рубки ухода, гидролесомелиорацию и химическую мелиорацию. Оценку изменения влагооборота в результате этих мероприятий в каждом конкретном случае можно получить при наличии таксационных и биометрических характеристик древостоя до начала и после проведения мероприятий, используя метод, изложенный в главе 3. Вместе с тем, гидролесомелиорация, в частности, приводит к изменению типа леса, поэтому интерес представляют исследования по влиянию продуктивности древостоя и естественных лесорастительных условий на суммарное испарение и его возрастную динамику.
Возрастная динамика суммарного испарения имеет достаточно строгое обоснование. В эксплуатируемом лесу сразу же после рубок начинается период, в течение которого (при естественном лесовосстановлении) происходят смена растительного покрова, заканчивающаяся восстановлением характерных для данного участка древесных пород, рост и развитие древостоя вплоть до его созревания. Все это сопровождается изменениями интенсивности прироста биомассы и ее общих запасов для различных моментов времени, что должно вызывать непрерывные изменения влагооборота.
Основная доля суммарного испарения суходольных лесов приходится на транспи-рацию и испарение задержанных кронами деревьев осадков, в связи с чем динамика этих элементов водного баланса повторяет динамику фитомассы. Энергия, поглощаемая и преобразуемая листовым аппаратом, затрачивается как на поддержание существующей биомассы, так и на ее прирост [384, 385]. Поэтому максимальное количество фитомассы должно соответствовать определенным соотношениям прироста древесины и ее запаса. Выполненный для эксплуатируемых сосняков черничного и брусничного анализ по приведенным в [156] данным показал, что наибольшее количество хвои соответствует такому состоянию, при котором прирост составляет 1 - 3% от запаса стволовой древесины. Более высокие соотношения соответствуют молодым лесам, а меньшие - старым. Для этих типов сосняков, оцениваемых в Карелии в среднем IV классом бонитета, наибольшие запасы хвои отмечаются в VI классе возраста, в дальнейшем, в связи со значительным уменьшением прироста, количество хвои снижаются, что приводит к увеличению освещенности нижних ярусов и оказывает благоприятное влияние на образование и рост молодого поколения. При лучших условиях произрастания и более интенсивном приросте древесины по-
требность в максимальных запасах листвы появляется в древостое в более раннем возрасте, в худших условиях роста леса увеличение листового аппарата продолжается еще и в приспевающем и спелом древостое. В зависимости от лесорастительных условий максимальное количество фитомассы формируется к возрасту древостоя в среднем от 30-40 лет до 90-100 и более лет (рис. 6.1).
—+- 1
-'*- 2
--¦" 3
-А— 4
-»- 5
...щ... 6
_о_ 7
-Д- 8
-п- 9
-о- 10
------- 11
40 60 80 100
Возраст леса, годы
Рис. 6.1. Динамика массы хвои в различных типах сосняков (1 - черничный II класса бонитета, 2 - черничный III класса бонитета, 3 - черничный IV класса бонитета, 4 - черничный V класса бонитета, 5 - брусничный III класса бонитета, 6 - брусничный IV класса бонитета, 7 - брусничный V класса бонитета, 8 - лишайниковый V класса бонитета, 9 - сфагновый V класса бонитета, 10 - сфагновый Va класса бонитета, 11 - сфагновый V6 класса бонитета)
Косвенным показателем влияния возраста леса на его влагопотребление являются зависимости стока и коэффициента стока от доли площади водосбора, занятой лесом конкретной возрастной категории. Анализ выполнен нами для 30 речных водосборов, расположенных в северной и средней подзонах тайги на территории Карелии. Значения стока и осадков были получены из наблюдений на сети гидрометеослужбы за три года (1984-1986 гг.), к этому же периоду относятся данные лесоустройства о распределении покрытой лесом площади по классам возраста. Анализировались данные по слою стока и по коэффициентам стока (для исключения влияния пространственных изменений осадков). Коэффициенты корреляции, приведенные в табл. 6.1 и табл. 6.2, свидетельствуют о тенденции по-
149 ложительного влияния на годовой сток молодых (хвойных до 60 лет и лиственных до 30 лет) и перестойных (хвойных старше 160 лет и лиственных старше 80 лет) лесов. Понижение стока в сравнении со среднерайонными значениями отмечается при увеличении площади хвойных и лиственных насаждений IV-VIII классов возраста (70-150 лет для хвойных и 35-75 лет для лиственных насаждений), а наиболее ощутимое влияние оказывает лес VI класса возраста независимо от породного состава (табл. 6.1,6.2).
Таблица 6.1 Коэффициенты корреляции связей между слоем и коэффициентом стока с
долей площади, занятой лесом различного возраста
Характеристика Класс возраста
I II III IV V VI VII VIII IX X
Средняя доля площади, % 11 16 9 9 6 4 4 3 3 2
Слой стока, мм 0.25 0.41 0.27 -0.02 0.05 -0.42 -0.24 -0.18 0 0.23
Коэффициент стока 0.21 0.32 0.1 -0.35 -0.13 -0.71 -0.4 -0.32 0.1 0.36
Примечание. Подчеркнутые значения коэффициентов корреляции достоверны при уровне значимости 5%.
Более тесные связи получаются, если сгруппировать доли площадей древостоя тех классов возраста, при которых древостой оказывает однонаправленное влияние на сток (табл. 6.2).
Таблица 6.2 Коэффициенты корреляции связей между слоем и коэффициентом стока с
долей площади, занятой лесом различных возрастных категорий
Характеристика Группы классов возраста
I+III IV+VIII IX+XIII I+III, IX+XIII
Средняя доля площади, % 36 26 6 42
Слой стока, мм 0.47 -0.18 0.14 0.46
Коэффициент стока 0.33 -0.51 0.27 0.42
Достоверное снижение (уровень значимости равен 5%) коэффициента стока по отношению к среднерайонной величине наблюдается в лесах IV - VIII классов возраста и увеличение - при росте площади лесов I - III, IX - XIII классов возраста (табл. 6.2).
По данным А. А. Молчанова [267] и О. И. Крестовского [214], максимальное значение эвапотранспирации (минимальное значение стока) наблюдается во II и III классах
150 возраста, в то время как в условиях Карелии максимальное снижение стока рек (максимальное испарение) отмечается при увеличении на водосборе площади леса VI класса возраста (табл. 6.1). Такие расхождения обусловлены, по-видимому, тем, что наши расчеты относятся к северным сравнительно низкопродуктивным лесам, а исследования А. А. Молчанова и О. И. Крестовского проводились в более южных регионах, характеризуемых лучшими лесорастительными условиями. Выполненные нами расчеты транспирации древостоя с полнотой, равной 1, в различных по продуктивности карельских лесах показывают, что с ухудшением продуктивности леса максимальная величина транспирации смещается в сторону большего возраста (табл. 6.3- 6.5).
Таблица 6.3
Транспирация древостоя в различных по продуктивности сосновых лесах
Тип леса Класс бонитета Возраст, лет Среднее значение
40 60 80 100 140 160
Чернично-кисличный 11,5 196 216 213 201 193 191 202
Черничный свежий 11,8 199 226 225 215 209 208 214
Брусничный 111,7 183 223 228 224 220 218 216
Черничный влажный 111,8 176 212 222 222 219 219 212
Долгомошный IV,3 153 199 217 220 221 220 205
Вересковый IV,4 160 210 228 229 232 231 215
Лишайниковый IV,8 130 183 211 222 230 231 201
Багульниковый IV,8 123 173 202 212 220 221 192
Осоково-сфагновый V,3 105 153 186 203 210 211 178
Сфагновый V,7 78 128 163 185 198 198 158
Данные табл. 6.3-6.5 рассчитывались нами с использованием таксационных характеристик, полученных Н. И. Казимировым и В. В. Кабановым для Карелии [230]. Важно отметить, что даже при одинаковой полноте, равной 1, наблюдается снижение транспирации с ухудшением лесорастительных условий, хотя в условиях, близких к благоприятным, эта тенденция нарушается (II класс бонитета). Этот же фактор влияет и на амплитуду возрастной динамики транспирации: если в черничных и кисличных хвойных лесах разница между годовыми величинами максимального и минимального влагопотребления древостоем не превышает 50 мм (-20%), то в сфагновых эта разница возрастает до 120-130 мм (-60%). При этом максимальные за период роста леса величины транспирации меняются менее значительно, чем минимальные. Малые различия в максимальных значениях свидетельствуют о том, что биологические свойства одной и той же породы древостоя сущест-
151 венно не меняются с изменением условий роста. Вместе с тем, эти выводы, полученные для одной и той же полноты, нельзя применять для реального леса в целом. В реальных условиях наряду с изменением таксационных характеристик конкретных деревьев в зависимости от лесорастительных условий меняются и показатели леса в целом, в частности, полнота и сомкнутость крон, поэтому отмеченные выше закономерности в таких лесах выражены в меньшей степени, что показано ниже.
Таблица 6.4
Транспирация древостоя в различных по продуктивности еловых лесах
Тип леса Класс бонитета Возраст, лет Среднее значение
40 60 80 100 140 160
Кисличный 11,8 190 231 229 214 198 193 209
Черничный свежий III, 6 170 222 234 230 217 217 215
Брусничный IV,1 154 213 231 232 227 227 214
Черничный влажный IV,3 147 204 230 234 230 230 212
Болотно-травяной IV,5 137 196 223 231 230 230 208
Долгомошный v,o 122 178 211 228 233 233 201
Хвощево-сфагновый V,6 93 148 186 205 223 225 180
Таблица 6.5 Транспирация древостоя в различных по продуктивности березовых лесах
Тип леса Класс бонитета Возраст, лет Среднее значение
20 40 50 60 80 100
Злаково-разнотравный 1,8 205 277 283 278 263 250 259
Разнотравно-черничный И,7 170 262 277 278 272 263 253
Злаково-брусничный 111,4 137 245 266 273 274 266 245
Болотно-травяной 111,8 129 241 267 279 279 271 244
Осоково-долгомошный IV,2 102 216 245 259 266 261 225
Осоково-сфагновый v,o 80 183 213 231 244 240 198
Зависимость транспирации и суммарного испарения от возраста и лесорастительных условий для реальных лесов на примере сосняков, произрастающих в северной и средней таежных подзонах ЕСР, приведены в табл. 6.6. Для расчетов этой таблицы использовались осредненные по типам леса и классам бонитета таксационные характеристики древостоя (1.7) и (1.7') и табл. 1.8.
Таблица 6.6
Суммарное испарение (?), транспирация (?/) и доля транспирации (Et%) в зависимости от возраста в некоторых типах сосновых лесов среднетаежной подзоны
Тип леса Класс бонитета Характеристика Возраст леса
20 40 60 80 100 120
Брусничный III Е 423 471 468 459 451 442
Et 181 250 247 235 223 210
Et% 43 53 53 51 49 48
V Е 381 407 413 414 414 412
Е, 81 151 164 166 165 162
Et% 21 37 40 40 40 39
Черничный II Е 471 490 467 447 435 424
Et 250 273 244 218 200 182
Et% 53 56 52 49 46 43
IV E 383 417 426 427 425 424
Et 89 171 186 187 185 182
Et% 23 41 44 44 44 43
Сфагновый V E 391 405 411 412 412
Et 115 148 159 161 160
Et% 29 37 39 39 39
Va E 380 390 398 402 406
Et 74 112 131 142 148
Et% 19 29 33 35 36
Из приведенной таблицы следует, что суммарное испарение повторяет динамику транспирации и эти элементы водного баланса уменьшаются с ухудшением лесорастительных условий. Кроме того, продуктивность лесов отражается на структуре их суммарного испарения. Ухудшение условий роста сопровождается уменьшением полноты древостоя, что приводит к значительному снижению как минимальных за период роста леса, так и максимальных значений транспирации. Наиболее рациональное потребление влаги отмечается в высокопродуктивных лесах (черничные П-го класса бонитета и брусничные 111-го класса бонитета), где доля транспирации, особенно в возрасте, который характеризуется самым высоким приростом древостоя, превышает 50%. В то же время в сфагновых лесах роль транспирации в формировании суммарного испарения снижается до 20-30%. Вариация суммарного испарения как при изменении лесорастительных условий, так и в ходе
153 роста леса происходит в меньших пределах, чем транспирации, что обусловлено компенсирующим влиянием испарения с наземного покрова.
В работе [197] также показано повышение коэффициента полезного действия испарения (снижение удельной величины суммарного испарения на прирост стволовой древесины) с улучшением лесорастительных условий. Такие же результаты приведены нами и в главе 3 при рассмотрении транспирации в различных типах лесов. Однако увеличение биомассы, соответствующее повышению продуктивности биогеоценоза, приводит к большему суммарному расходу влаги в высокопродуктивных лесах по сравнению с низкопродуктивными.
Зависимость эвапотранспирации леса от его продуктивности с целью получения достоверных количественных показателей влияния лесорастительных условий на влаго-оборот исследовалась с использованием информации о высотах и запасах стволовой древесины в разных типах леса южной подзоны тайги, любезно предоставленной нам А. А. Книзе и О. И. Крестовским. Эти таксационные характеристики являются осредненными значениями большого количества данных по каждому бонитету и типу леса южной подзоны тайги (Ленинградская область), полученных на пробных площадях. По ним за 140-летний период роста леса с временным шагом в 10 лет было рассчитано суммарное испарение для 10 типов сосняков, 10 типов ельников и 10 типов березняков по приведенным выше формулам (3.1), (3.12), (3.57)-(3.59), (3.62), (3.64), (3.73), (3.74) (рис. 6.2-6.4). Полученные величины эвапотранспирации были усреднены для каждого типа леса и класса бонитета за 140 лет, и эти усредненные значения использовались для построения зависимости эвапотранспирации от класса бонитета (рис. 6.5). Такие же связи были получены для наибольшего за период развития леса суммарного испарения, которое наблюдается в зависимости от типа леса в возрасте 40 - 100 лет (рис. 6.6).
Наибольшие приращения эвапотранспирации с изменением бонитета отмечаются в диапазоне от II до V класса бонитета, а в наиболее продуктивных лесах и в самых неблагоприятных условиях произрастания интенсивность изменения приращения эвапотранспирации снижается (рис. 6.5, 6.6). Вместе с тем, эти связи с достаточной точностью аппроксимируются линейными уравнениями. Такие уравнения были получены для средних и максимальных величин эвапотранспирации для сосны, ели и березы. Коэффициенты корреляции уравнений изменяются от 0.70 до 0.90. Наиболее тесные связи получены для сосняков. Это объясняется тем, что сосновые леса более однородны по составу во всех возрастных группах и условиях произрастания. В составе ельников в значительной степени представлены лиственные породы, доля которых зависит от возраста и класса бонитета леса. Уровень значимости коэффициентов регрессии равен 1%. Несмотря на короткие ря-
ды, полученные уравнения характеризуют реальное влияние продуктивности леса на испарение, так как каждая переменная есть средняя из большого числа данных.
§* 450
I
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Возраст леса, годы
Рис. 6.2. Среднее многолетнее годовое испарение с сосняков южной подзоны тайги (7 - кисличный I кл. бонитета, 2 - черничный II кл. бонитета, 3 - брусничный III кл. бонитета, 4 -долгомошный III кл. бонитета, 5 - лишайниковый IV кл. бонитета, б - сфагново-черничный IV кл. бонитета, 7 — багульниковый V кл. бонитета, 8 - сфагновый Va кл. бонитета)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Возраст леса, годы
•-¦м- 2
-о- 3
--*-- 4
-и- 5
Рис. 6.3. Среднее многолетнее годовое испарение с ельников южной подзоны тайги (7 -кисличный I кл. бонитета, 2 - черничный II кл. бонитета, 3 - черничный III кл. бонитета, 4 — сфагново-черничный IV кл. бонитета, 5 - травяно- сфагновый V кл. бонитета)
•
& 450
I
E^- ,.M------ "¦¦¦-. "'»-.
Cf * f .O" __.^—-> ..г.:.-*--,, ...a,.,.. -•:•«
/ / •'¦' ж ~" ¦c^-±— — A------ —A
/m у
/ / / / // / ** " -p^' -¦°— -a----. --a
// i
*; J ** __ ^и
i /
/ --
/ /D
d /
d .
70 20 30 40 50 60
Возраст леса, годы
-^ 1
........ 2
о 3
~±~ 4
-a-- 5
Рис. 6.4, Среднее многолетнее годовое испарение с березняков южной подзоны тайги (1 - кисличный I кл, бонитета, 2 - черничный II кл. бонитета, 3 - черничный III кл. бонитета, 4 - долгомошно-черничный III кл. бонитета, 5 - травяно-сфагновый IV кл. бонитета)
I
а:
8-S
ш о со о
-¦а- 2
/ // /// IV V
Классы бонитета
Рис. 6.5, Зависимость испарения от классов бонитета для различных пород древостоя
(1 - сосна, 2 - ель, 3 - береза)
•
оГ
з %
О)
&
с о
©
о
со
• о
'О
о
о
540 30 30520 500 40 40 4о\ 40 *'Ч ''••V.40 ' 6С\ Vss52480 \*70 4,100 '460 60 ^\^ •\110440 ¦^110
/
Va
-а- 2
...А... 3
50 4
// /// IV V
Классы бонитета
Рис. 6.6. Зависимость максимального испарения за период роста различных пород древостоя от классов бонитета (1 - сосна, 2 - ель, 3 - береза, 4 - возраст древостоя)
В соответствии с полученными уравнениями улучшение условий роста древостоя на 1 класс бонитета сопровождается увеличением максимального за период развития леса суммарного испарения: с сосняков на 22 мм, с ельников на 11 мм и с березняков на 14 мм. Для усредненной за 140 лет роста леса эвапотранспирации эти величины составляют соответственно 18,7 и 11 мм.
Полученная "цена" класса бонитета отвечает условиям, при которых леса каждого бонитета равномерно распределены по возрастным категориям. Однако в действительности это не всегда выполняется. Высокопродуктивные леса эксплуатируются более интенсивно, чем низкопродуктивные, заболоченные, поэтому средний возраст древостоя увеличивается от I класса бонитета к V классу. В этом случае, основываясь на зависимости эвапотранспирации от возраста, можно ожидать более высокого приращения суммарного испарения при улучшении лесорастительных условий на 1 класс. Это подтверждают полученные ранее для карельских лесов, хотя, по-видимому, завышенные, значения АЕ/АВ (64-68 мм на 1 класс бонитета) [175].
6.1.2. Влияние климатических факторов на продуктивность леса и суммарное испарение
Продуктивность древостоя, как это показано выше, зависит от климатических условий. И основным фактором, определяющим вариацию классов бонитета однотипных лесов, является температура воздуха ((1.12)-(1.14), (1.16)) (рис. 1.2). Изменения классов бонитета для Карелии и Мурманской области при изменении температуры воздуха (АТ = -1; АТ= 1; АТ= 2) рассчитывалось по (1.16) с учетом (1.15) (табл. 6.7). Для настоящего
ПОДОБНЫЕ ТЕМЫ