Оценка производных лесов Северо-Западного Кавказа в предотвращении ливневых стоков и эрозии почв

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Пшишское лесничество ГКУ «Комитет по лесу» Краснодарского края

ФГБОУ ВПО «НГМА»

Оценка производных лесов Северо-Западного Кавказа в предотвращении ливневых стоков и эрозии почв

А.В. Тертерян, В.М. Ивонин

Аннотация

Тертерян Ашот Владимирович - Пшишское лесничество Государственного казенного учреждения «Комитет по лесу» Краснодарского края (Пшишское лесничество ГКУ «Комитет по лесу» Краснодарского края), участковый лесничий.

Контактный телефон: 8-988-182-00-08.

E-mail: Ivoninforest@yandex.ru

Ивонин Владимир Михайлович - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), профессор кафедры лесоводства и лесных мелиораций.

Контактный телефон: 8-928-923-90-86.

E-mail: Ivoninforest@yandex.ru

Целью научного исследования является выяснение роли производных лесов Северо-Западного Кавказа в защите почвы от эрозии. Эти леса сформированы в результате лесозаготовок в первичных лесах. Производные леса водосборов горных рек лишены защитных свойств первичных лесов. Это увеличивает риск наводнений во время сильных осадков высокой интенсивности. В результате исследований установлены закономерности влияния воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого травянистого покрова на процессы образования поверхностного стока и эрозию почвы. Сухая лесная подстилка массой 10 т/га предупреждает образование поверхностного стока во время интенсивных осадков, 3,25 т/га - эрозию почвы. Кроме того, характеризуют отсутствие эрозии почвы следующие показатели: содержание органического вещества в верхнем слое почвы (7,6 %), коэффициенты пористости (1,33), предел текучести (53 %) и угол внутреннего трения между почвенными частицами (22°). Нарушение этих критических значений приводит к образованию поверхностного стока и эрозии почвы во время сильных дождей. Результаты этих исследований позволяют прогнозировать поверхностный сток во время интенсивных осадков, что приводит к наводнениям по горным рекам.

Ключевые слова: горная река, производный лес, поверхностный сток, эрозия почвы, лесная подстилка.

лес почва эрозия наводнение

Annotatіon

Terteryan Ashot Vladimirovich - Pshishskoe Forestry of the State Institution “Committee on forest” of the Krasnodar territory (Pshishskoye forestry, Krasnodar territory), Local Forester.

Contact telephone number: 8-988-182-00-08.

E-mail: Ivoninforest@yandex.ru

Ivonin Vladimir Mikhaylovich - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Honored Scientist of the Russian Federation, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Professor of the Chair of Forestry and Forest Melioration.

Contact telephone number: 8-928-923-90-86.

E-mail: Ivoninforest @yandex.ru

A. V. Terteryan (Pshishskoe forestry Krasnodar territory)

V. M. Ivonin (FSBEE HPE “NSMA”)

ASSESSMENT OF THE NORTHWESTERN CAUCASUS SECONDARY FORESTS FOR PREVENTING STORM RUNOFF AND SOIL EROSION

The purpose of this research is to define the role of secondary forests of Northwestern Caucasus in soil erosion protection. These forests were grown after the logging in primary forests. Secondary forests in the watersheds of mountain rivers are deprived of protective properties of primary forests. This fact increases the risk of floods during heavy rainfall of high intensity. The study enables to establish the pattern of the influence of air dry mass of litter and grass cover on surface runoff and soil erosion. It is revealed that there is no surface runoff during intensive rainfall if the air dry mass of litter and grass cover exceeds 10 t/ha; and there is no soil erosion if the air dry mass of litter and grass cover exceeds 3.25 t/ha. Besides, the absence of soil erosion is characterized by the following indices: the content of organic matter in upper soil layer (7.6 %), coefficient of porosity (1.33), limit of flow-ability (53 %), and angle of interior friction between soil particles (22°). Breaking of these critical indices results in surface runoff and soil erosion during heavy rainfall. The results of this research allow forecasting storm runoff that will bring to floods in mountain rivers.

Key words: mountain river, secondary forest, surface runoff, soil erosion, litter.

Производными называют леса, измененные под влиянием хозяйственной деятельности человека и стихийных сил природы. При этом существенно меняется состав, строение, продуктивность древостоев, лесорастительные условия и другие признаки коренных лесов [1].

Некоторые исследователи [2] под производными горными лесами понимают вторичные леса - новое поколение, естественно возникшие на вырубках с лесосечной формой хозяйствования.

На Северо-Западном Кавказе производные (вторичные) леса формируются после заготовок древесины при главном и промежуточном пользовании и проведения других хозяйственных мероприятий, приводящих к деградации лесной подстилки, почв, живого напочвенного покрова и других компонентов лесных экосистем. Здесь при ливнях высокой интенсивности спорадически формируется поверхностный сток, что подтверждено результатами многолетних наблюдений на гидрологических стационарах НИИгорлесэкол [2].

Можно полагать, что производные леса на водосборах горных рек уже не обладают высокими почвозащитными и водоохранными функциями коренных лесов, что повышает риск паводковых разливов при выпадении ливневых осадков высокой интенсивности и не обеспечивает должного качества речной воды.

Для подтверждения этой гипотезы провели исследования на территории Пшишского лесничества, расположенного в горной части Туапсинского и Апшеронского районов Краснодарского края. Здесь на горных склонах при слиянии рек Малый и Большой Пшиш образуется река Пшиш (в верховьях река течет в глубокой и узкой долине, водосбор которой занят производными лесами, средний расход равен около 25 мі/с). Питание реки - смешанное с преобладанием дождевого стока.

По данным Гидрометеорологического бюро Туапсе (справка от 04.12.12 г. № 29/264) в период 15-16 октября 2010 года в горной части Туапсинского района прошли сильные ливневые осадки: метеостанция Джубга - 47 мм за час (опасное явление ОЯ); Туапсе - отмечены максимумы интенсивности осадков 2,5 мм/мин с 21.30 до 22.30 (МСК), при этом за один час сумма осадков составила 39 мм (общая сумма осадков составила 93 мм); Горный - ливневой дождь 41,6 мм.

Выпадение осадков обусловило формирование мощного склонового стока с территории производных лесов. Малые реки и водотоки не смогли пропустить весь объем стока, вода затопила поймы. Подъем уровня воды составил 2-5 м и сопровождался корчеходом. В стесненных руслах рек и в районе мостовых переходов образовались заторы. Высота подъема воды в таких местах равнялась 5-7 м. Территории ряда населенных пунктов в районе исследований были затоплены.

По данным Гидрометеорологического бюро Туапсе (справка от 22.08.12 г. № 29/172) в ночь с 21 на 22 августа 2012 года в горной части Туапсинского района отмечалось выпадение очень сильных осадков (в критериях ОЯ). Сумма осадков за ночь составила по метеостанциям района: Горный - 61,4 мм за период времени 21.40-04.10 (ОЯ); Туапсе - 83,4 мм (НЯ); Джубга - 23,5 мм. Метеорологический пост Дефановка (место слияния рек Малый и Большой Пшиш) зафиксировал очень сильный дождь 195,4 мм в период 20.00-08.00 (ОЯ). В результате сильного дождя наблюдался резкий подъем уровня рек с выходом воды на пойму.

Для исследования качества природных вод были выбраны участки двух рек: Пшиш (производные леса на водосборе подвержены интенсивному антропогенному воздействию) и Малый Пшиш (часть водосбора занята коренными лесами особо охраняемой территории).

Качество воды горных водотоков изучалось в период низкого меженного уровня (04.09.2012 г.), высокого уровня паводка (24.09.2012 г.), а также во время снеготаяния (08.04.2013 г.). Отбор проб воды проводили 04.09.2012 г. и 24.09.2012 г., а также 08.04.2013 г. в заранее выбранных створах на территории Пшишского лесничества. Исследования провели 4-7 и 24-27 сентября 2012 г., а также - 8-9 апреля 2013 г. Образцы речной воды отбирались по ГОСТ 17.1.5.05-85 и транспортировались в сумке-холодильнике в аккредитованный Испытательный лабораторный центр Туапсинского филиала ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Краснодарском крае». Объем и оценка лабораторных исследований определялись СанПиН 2.1.5.2582-10 и ГН 2.1.5.1315-03.

Результаты санитарно-гигиенических исследований проб речной воды показали, что при низком меженном уровне 04.09.2012 г. качество воды рек Пшиш и Малый Пшиш соответствует гигиеническим нормативам. Во время высокого уровня паводка 24.09.2012 г. вода реки Пшиш содержала аммиак в количестве 1,6±0,12 мг/дм3, что превышает гигиенический норматив. По остальным санитарно-гигиеническим характеристикам нормативы не превышены. Вода реки Малый Пшиш в этот период по всем показателям соответствует гигиеническим нормативам [3] .

Результаты микробиологических исследований дают основание утверждать, что во время низкого меженного уровня 04.09.2012 г. качество воды р. Малый Пшиш соответствует гигиеническим нормативам. Этого нельзя заключить о качестве воды р. Пшиш в это время, которая не отвечала гигиеническому нормативу по содержанию термотолерантных колиформных бактерий. Во время прохождения паводка 24.09.2012 г. качество воды реки Пшиш не соответствовало гигиеническим нормативам по содержанию колифагов и термотолерантных колиформных бактерий, а реки Малый Пшиш - по общим колиформным бактериям и термотолерантным колиформным бактериям [3].

Таким образом, качество воды реки Пшиш в теплый период года хуже, чем реки Малый Пшиш, так как на водосборе первой реки леса пройдены главными и промежуточными рубками, обладают пониженной производительностью, деградированными лесной подстилкой и живым напочвенным покровом, нарушенными почвами, угнетенным подростом. Часть водосбора второй реки занята коренными лесами на охраняемой территории, которые сохранили свою высокую стокорегулирующую и почвозащитную способности [3].

Следует отметить, что во время снеготаяния (08.04.2013 г.) качество воды рек Пшиш и Малый Пшиш соответствовали требованиям СанПиН 2.1.5. 2582-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к охране прибрежных вод морей от загрязнения в местах водопользования населения» и СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод». Это объясняется тем, что интенсивность снеготаяния в регионе не превышает 5-7 мм/сут., и производные леса справляются с регулированием талого стока. Но нельзя утверждать, что производные леса успешно регулируют сток при ливнях, интенсивность которых за определенный период может превышать 2,5-3 мм/мин.

Поэтому оценку стокорегулирующей и почвозащитной способности производных лесов проводили в теплый период года на водосборе реки Пшиш.

При рекогносцировочных обследованиях территории водосбора реки Пшиш (Гойтское участковое лесничество) были подобраны типичные участки производных лесов для закладки вариантов площадок искусственного дождевания при проведении экспериментов [4].

Исследования проводили в августе 2012 года на трех опытных участках: 1 - квартал 120 выдел 8 (склон ЗЭ, высота над уровнем моря 295-300 м, дровяная вырубка в порослевом лесу); 2 - квартал 120 выдел 5 (склон ЗЭ, высота над уровнем моря 253 м, трасса нефтепровода «Тихорецк - Туапсе»); 3 - квартал 29 выдел 4 (склон ВЭ, высота над уровнем моря 318-362 м, водоохранная полоса леса р. Пшиш).

Таксационная характеристика производных лесов на опытных участках (пробах) приведена в таблице 1.

Таблица 1 Характеристика насаждений на опытных участках (группа типов леса - свежий дуб скальный - СВДС)

Состав, порода	Возраст, лет	Средние	Количество стволов, шт./га	Объем ствола, м3	Запас, м3/га	Индекс сохранности
		h, м	d, см
Проба 1 (квартал 120, выдел 8)
56Г	57	20	18	650	0,222	144	2,02
24ДС	57	25	25	108	0,577	62	3,04
12ЯО	57	24	24	54	0,549	30	2,30
8ОС		21	20	58	0,324	19	3,50
Проба 2 (квартал 29, выдел 4)
53Г	97	22	24	445	0,416	185	1,78
13ДС	142	28	50	21	2,174	46	2,20
14БК		28	49	21	2,305	48	2,55
3ДС	87	22	24	25	0,493	12	1,83
17БК	87	22	30	83	0,702	58	1,40
Проба 3 (квартал 29, выдел 21)
21ДС	152	29	41	24	1,648	40	1,33
48ОЛЧ		23	30	144	0,635	92	2,03
31Г		21	26	124	0,465	58	1,87

Как следует из данных таблицы 1, проба 1 заложена в грабово-ясеневом дубняке с участием в составе осины. Общий запас сырой древесины составляет 255 м3/га. Индексы сохранности по элементам леса показывают, что граб и ясень являются ослабленными, дуб - сильно ослабленным, а осина находится на грани усыхания.

Проба 2 характеризует грабово-буковый дубняк с двумя поколениями дуба и бука, возникший после периодического изреживания исходного дубово-букового насаждения. Высота первого поколения равняется 28 м, второго - 22 м. Общий запас сырой древесины составляет 349 м3/га. Индексы сохранности по элементам леса характеризуют второе поколение бука здоровым, дуба - ослабленным. Первые поколения дуба и бука соответственно характеризуются как ослабленные и сильно ослабленные. Граб является ослабленным.

Проба 3 представляет собой порослево-семенное насаждение, возникшее после проведенных около 60 лет назад рубок с оставлением единичных деревьев дуба, в настоящее время достигших возраста более 150 лет. Общий запас сырой древесины равен 190 м3/га. Индексы сохранности по элементам леса характеризуют дуб здоровым, а ольху черную и граб - ослабленными.

Характеристика площадок дождевания по вариантам исследований на водосборе р. Пшиш представлена в таблице 2.

Таблица 2 Характеристика площадок дождевания, заложенных на водосборе р. Пшиш

Номер пробы	Вариант дождевания	Крутизна, град.	Почва	Напочвенный покров
1.1	Лесная поляна, используемая под верхний склад	11	Бурая лесная почва с нарушенным горизонтом «А»	Опилки и щепки
1.2	Рабочий волок с нарушенной почвой	7	То же	Раздавленные куски коры и сучья
1.3	Порослевой грабово-ясеневый дубняк, возрастом 57 лет (состав 6Г2ЯО2ДС)	18	Бурая лесная	Нарушенная лесная подстилка
2.1	Строящаяся трасса нефтепровода «Тихорецк - Туапсе»	7,5	Почва полностью уничтожена	Нет
3.1	Двухлетние культуры дуба под лесным пологом, высота культур - 0,5-1,0 м	6	Бурая лесная почва, горизонт «А» уплотнен	Нарушенная лесная подстилка
3.2	Двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 г., высота поросли граба - 2-3 м, высота культур дуба - 1-1,5 м	6,5	То же	То же
3.3	Участок леса с нарушенной подстилкой и почвой вблизи вырубки	7	То же	То же
3.4	Не эксплуатируемый волок с заровненной колеей, на котором созданы культуры дуба, посадки 2010 г.	3	Нарушенная бурая лесная почва	Сухие листья
3.5	Восстановившийся на вырубке участок порослевого леса, возрастом 65 лет - грабовая дубрава	28	Бурая лесная почва	Мощная подстилка, живой напочвенный покров

На каждом варианте таблицы 2 устраивали по две стоковых площадки-близнеца размером 1,43Ч0,7 м каждая, размещая их длинной стороной вдоль склона. Одна из площадок предназначалась для искусственного дождевания, вторая - для отбора образцов лесной подстилки, напочвенного покрова и почв из слоя 0-20 см. Образцы почв упаковывали с ненарушенным строением при помощи марли и жидкого воска для транспортировки и хранения согласно ГОСТ 12071-72.

В грунтоведческой лаборатории г. Туапсе в образцах почв определяли гранулометрический состав по ГОСТ 12536-79, естественную влажность, плотность и пластичность - по ГОСТ 5180-84. Влажность грунта определяли как отношение массы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной массы, к массе высушенного грунта.

Содержание органического вещества в почвах и грунтах определяли при прокаливании образцов. Определение прочностных характеристик почв и грунтов (угол внутреннего трения - , удельное сцепление - ) провели по ГОСТ 12248-96.

На вариантах исследовались свойства почв (грунтов) и характеристики напочвенного покрова (живой напочвенный покров - ЖНП и лесная подстилка (ЛП) на различных вариантах исследований (таблица 3).

Таблица 3 Свойства слоя 0-20 см почв, воздушно-сухая масса ЛП+ЖНП и прочностные характеристики

№ участка	Вариант	Плот-сть, г/см3	К-нт порист.	Содержан. глинистых фракций в составе, %	Воздушно-сухая масса ЛП + ЖНП, т/га	Органика, %	Угол внутр. трения ц, град	Удельное сцеплен. (C), кПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.1	Лесная поляна, используемая под верхний склад	1,49	0,819	20,5	0,86	6,1	16,7	20,0
1.2	Рабочий волок	1,33	1,038	22,8	0,87	8,3	23,0	0,8
1.3	Грабово-ясеневый дубняк	1,32	1,045	3,9	3,26	6,3	20,6	4,2
2.1	Строящаяся трасса нефтепровода «Тихорецк - Туапсе»	1,68	0,595	17,0	0,0001	3,6	12,7	11,7
3.1	Двухлетние культуры дуба под пологом грабово-букового дубняка	1,08	1,472	23,8	1,49	7,5	16,7	17,2
3.2	Двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 г.	1,14	1,351	21,3	1,34	7,3	21,8	10,0
3.3	Грабово-буковый дубняк вблизи вырубки	1,13	1,381	22,4	1,63	7,4	21,8	12,5
3.4	Двухлетние культуры дуба на выровненном волоке	1,14	1,351	24,6	1.10	7,2	23,0	5,8
3.5	Порослево-семенное насаждение, восстановившееся на вырубке	1,34	0,993	15,8	17,09	7,5	19,3	14,2

По данным таблицы 3 получено уравнение связи содержания органического вещества в слое почв 0-20 см (, %) с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова (, т/га):

при . (1)

Анализируя уравнение (1) заключаем, что содержание органики в верхнем слое почв до величины 5,5 % не зависит от воздушно-сухой массы ЛП и ЖНП, определяясь в основном содержанием гумуса.

Нарастание содержания органики от 5,5 до 8 % сопровождается увеличением воздушно-сухой массы ЛП и ЖНП до 20 т/га. Можно полагать, что процесс нарастания напочвенного покрова сопровождается интенсивным образованием мелких корешков в поверхностном слое почвы.

Данные таблицы 3 позволили установить связь между коэффициентами пористости слоя почв 0-20 см (K) и воздушно-сухой массой ЛП+ЖНП (, т/га):

K при . (2)

По уравнению (2) накопление воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова с возрастом насаждения до максимальной величины (20 т/га) способствует увеличению коэффициентов пористости слоя почв 0-20 см до 1,31.

Результаты наших наблюдений за стоком и эрозией при искусственном дождевании приведены в таблице 4.

Таблица 4 Показатели дождевания (9-10.08.12 года, слой дождя 90 мм)

№ участка	Вариант	Влажность почвы слоя 0-20 см, %	Слой, мм	Коэф-нт стока	Смыв почвы, т/га
			стока	впитывания
1.1	Лесная поляна, используемая под верхний склад	22,0	36,1	53,9	0,401	2,2
1.2	Рабочий волок с нарушенной почвой	22,5	39,6	50,4	0,440	5,9
1.3	Порослевой грабово-ясеневый дубняк, возрастом 57 лет (проба 1)	18,3	0,009	90,0	0,0001	0
2.1	Строящаяся трасса нефтепровода «Тихорецк - Туапсе»	11,5	40,6	49,4	0,451	34,5
3.1	Двухлетние культуры дуба под лесным пологом, высота культур - 0,5-1,0 м.	25,8	25,0	65,0	0,272	1,4
3.2	Двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 г., высота поросли граба - 2-3 м, высота культур дуба - 1-1,5 м	27,7	34,0	56,0	0,378	1,8
3.3	Участок леса с нарушенной подстилкой и почвой вблизи вырубки (проба 2)	17,2	8,7	81,3	0,097	0,1
3.4	Не эксплуатируемый волок с заровненной колеей, на котором созданы культуры дуба, посадки 2010 г.	20,5	16,9	73,1	0,188	1,3
3.5	Восстановившийся на вырубке участок порослевого леса, возрастом 65 лет - грабовая дубрава (проба 3)	16,9	0,009	90,0	0,0001	0

Поверхностный сток при искусственном дождевании формировался следующим образом.

На варианте 1.1 ручеек воды на лотке стоковой площадки возник на 5-ой минуте после начала дождя; сразу же после возникновения стока на поверхности площадки стали спорадически образовываться и прорываться мелкие лужицы (микропрудки) в понижениях нанорельефа. При прорыве этих лужиц мутность стока заметно увеличивалась, при образовании - уменьшалась. После 15-ой минуты дождевания мутность стока оставалась постоянной до окончания дождевания. Время добегания воды после окончания дождя составило 1 минуту 10 секунд, слой стока - 36,1 мм, коэффициент стока - 0,401.

На варианте 1.2 (рабочий волок) сток с высокой мутностью на водосливе появился через две минуты после начала дождевания. В течение всего периода стока мутность оставалась высокой. Во второй половине дождевания по центру стоковой площадки на тракторной колее образовались два ручья воды, текущие параллельно друг другу. На 20-ой минуте дождевания перемычка между ручьями была размыта, и вода у водослива сосредоточилась в едином потоке. Время добегания воды после окончания дождевания равнялось 2 минуты, слой стока равнялся 39,6 мм, коэффициент стока - 0,440.

Вариант 1.3 (грабово-ясеневый дубняк) характеризовался поврежденной подстилкой. Несмотря на это сток на этом варианте был минимален. Часть выпадающих осадков попала на водоприемный лоток стоковой площадки при разбрызгивании капель дождя. Ориентируясь на точность измерения стока объемным способом, полагаем, что неучтенный объем осадков составил 0,009 мм.

На варианте 2.1 (трасса нефтепровода) сток на водоприемном лотке появился через две минуты от начала дождевания. На третьей минуте от начала дождя на поверхности площадки стал отмываться щебень и скальные обломки, которые играли роль мульчи, защищающей поверхность от ударного воздействия капель дождя. Сток по поверхности площадки проходил относительно равномерно. Лишь к окончанию дождевания вдоль левого борта стоковой площадки образовалось русло стока, чему способствовал древесный сучок, лежащий на поверхности площадки и изменивший направление течений струек стока. После окончания дождевания добегание воды продолжалось в течение 48 секунд. Слой стока равнялся 40,6 мм, коэффициент стока - 0,451.

На варианте 3.1 (двухлетние культуры дуба под пологом насаждения) сток начался через 1,5 минуты после начала эксперимента. До 10-ой минуты сток оставался практически прозрачным. В дальнейшем по центру площадки возник каскад прудков, которые прорвались. При этом возникло русло водотока, которое огибало стволики саженцев. После окончания дождевания время добегания воды составило 50 секунд. Слой стока равнялся 25 мм, коэффициент стока - 0,272.

На варианте 3.2 (двухлетние культуры дуба на вырубке 2009 года) начало капельного стока зафиксировано через пять минут после начала дождя. Ручеек с небольшим расходом на водосливе возник еще через две минуты. Через 9 минут дождевания установился постоянный небольшой расход стока. К окончанию дождевания расход воды уменьшился до минимума и ее добегания не зафиксировано. Слой стока на участке 3.2 оказался равным 34 мм, коэффициент стока - 0,378.

Вариант 3.3 представляет лес с поврежденной лесной подстилкой вблизи вырубки. Поверхностный сток здесь сформировался через 15 минут после начала дождевания. Небольшой расход стока на участке 3.3 характеризовался малой мутностью воды. К окончанию стока на водосливе сформировался ручеек прозрачной воды. Время добегания воды после окончания дождевания равнялось 1 минуте, слой стока - 8,7 мм, коэффициент стока - 0,097.

На варианте 3.4 (двухлетние культуры дуба на выровненном волоке) сток сформировался через 5 минут после начала дождя. На 20-ой минуте дождевания на площадке перед водоприемным лотком возник прудок, после прорыва которого расход стока увеличился. После окончания дождевания время добегания воды равнялось одной минуте. Слой стока на этом варианте составил 16,9 мм, а коэффициент стока - 0,188.

На варианте 3.5 (лес в возрасте 60 лет, восстановившийся на вырубке) с мощной лесной подстилкой, густым подлеском и разновозрастным подростом выпавшие при дождевании осадки полностью впитывались почвой. Однако часть выпадающих осадков при разбрызгивании капель дождя попадала на водоприемный лоток. Точно учесть этот объем осадков не удалось. Условно считаем слой таких осадков равным 0,009 мм (менее 0,01 л - предел точности определения). Коэффициент стока при этом составит 0,0001.

Коэффициенты стока () являются относительным показателем стока, с которым целесообразно связывать факторы его формирования.

Проведенный нами регрессионный анализ экспериментальных данных позволил получить экспоненциальное уравнение связи:

при . (3)

Графическое решение уравнения (3) приведено на рисунке 1.



Рисунок 1 Связь коэффициентов стока (k) с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова (m)

Анализируя данные рисунка 1, заключаем, что коэффициенты стока равны нулю (стока нет) при воздушно-сухой массе лесной подстилки и живого напочвенного покрова, равной 10 т/га и более. Это первое критическое значение воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова в производных лесах.

При уменьшении этой массы до нуля коэффициенты стока увеличиваются до 0,23-0,45, в зависимости от свойств верхнего слоя нарушенной бурой лесной почвы, в частности от содержания глинистых частиц (рисунок 2).

Рисунок 2 Связь коэффициентов стока (k) с содержанием глинистых фракций в слое почв 0-20 см (F)

Линия тренда рисунка 2 представлена зависимостью:

при .

где - содержание глинистых фракций в слое почв 0-20 см, %.

Анализируя данные рисунка 2, заключаем, что на бурых лесных почвах супесчаного гранулометрического состава (? 12 %) коэффициенты стока равны нулю (выпадающие осадки полностью поглощаются почвой). На суглинистых и тяжелосуглинистых почвах (глинистые фракции в слое почв 0-20 см увеличиваются от 12 до 25 %) коэффициенты стока возрастают до 0,25-0,45. Возрастание стока при дождевании происходит за счет снижения интенсивности впитывания осадков по мере утяжеления гранулометрического состава верхнего слоя почв.

Условия проявления эрозии почв при дождевании были следующими. На варианте 1.1 (лесная поляна, используемая под верхний склад) наибольшая мутность (6,8 г/л) была в начале стока и перед водоприемным лотком стоковой площадки образовались устьевое отложение наносов и прудок мутной воды (рисунок 3, а). К середине периода стока мутность уменьшилась до 3,6 г/л (сказалось мульчирующее влияние опилок на поверхности почвы), а к окончанию - вновь возросла до 5,6 г/л (опилки по руслу водотока были частично смыты).

На варианте 1.2 (рабочий волок) мутность в начале стока составила 18,8 г/л. При этом эрозия сосредотачивалась по тракторной колее. К середине стока мутность уменьшилась до 11,6 г/л, а к окончанию - возросла в связи с оползанием почвы по гусеничному следу (рисунок 3, б).



Рисунок 3 Эрозия почвы при дождевании а - «устьевое» отложение наносов в начале стока на варианте 1.1; б - оползание почвы на варианте 1.2

В грабово-ясеневом дубняке (вариант 1.3) смыва почвы не было.

На участке строящегося нефтепровода (вариант 2.1) мутность сточной воды в начале стока составила 66,4 г/л, а к середине стока - 126,8 г/л. Это произошло потому, что на этом участке дождевание сопровождалось оползанием породы (рисунок 4, а) в течение всего периода стока, обеспечивая высокую мутность (61,6 г/л) к окончанию дождевания (рисунок 4, б).



Рисунок 4 Эрозия почвы при дождевании на трассе нефтепровода а - оползание породы; б - мутность стока при окончании дождевания

На варианте 3.1 нарушенная подстилка на уплотненной почве не смогла полностью исключить смыв. Мутность сточной воды в начальный период равнялась 8 г/л, в середине стока - 4,8, а к его окончанию - 4 г/л. Небольшая средняя мутность на этом участке (5,6 г/л) объясняется тем, сток с мизерным расходом формировался по центру площадки среди «пятен» лесной подстилки и саженцев дуба (рисунок 5).



Рисунок 5 Русло стока среди пятен лесной подстилки (вариант 3.1)

Аналогичная ситуация возникла и на варианте 3.2 (культуры дуба на вырубке), где средняя мутность стока равнялась 5,3 г/л.

На варианте 3.3 (лес с нарушенной средой вблизи вырубки) небольшая мутность наблюдалась лишь в начале стока (0,4 г/л) за счет вымывания наносов, аккумулированных лесной подстилкой при стоке с рядом расположенной вырубки во время предыдущих естественных ливней. В середине и к окончанию дождевания на этом варианте формировался сток прозрачной воды.

На варианте 3.4 (культуры дуба на выровненном волоке) мутность стока была небольшой: вначале равнялась 12,4 г/л, далее она уменьшилась до 4 г/л.

На варианте 3.5 (лес в возрасте 60 лет, восстановившийся на вырубке) эрозии почв при дождевании не было.

Нам не удалось получить тесной линейной связи между эрозией почв при дождевании и крутизной склонов (). Это объясняется решающим влиянием на смыв почвы воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова, максимум которой находился на вариантах с наибольшей крутизной склонов.

Это подтверждается уравнением связи между смывом почвы (эрозией , т/га) и воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова (, т/га):

при . (4)

Применение зависимости (4) ограничено значением ? 3,25 т/га, определяющим второе критическое значение воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова в производных лесах, при котором эрозия почв при ливнях отсутствует. Уменьшение этого значения приводит к активизации эрозии. Очевидно, что интервал 10 ? ? 3,25 т/га будет характеризовать сток прозрачной воды при интенсивных ливнях в производных лесах.

При воздушно-сухой массе лесной подстилки и живого напочвенного покрова менее 3,25 т/га интенсивность эрозии во многом будет определяться свойствами верхнего слоя почв.

Так, при обработке данных экспериментов получили связь между эрозией и содержанием органики в верхнем слое почв 0-20 см , %.

при . (5)

По уравнению (5) при содержании органического вещества в верхнем слое почв, равном 7,6 %, ливневая эрозия практически отсутствует.

Обнаружилась связь между эрозией и коэффициентами пористости слоя почв 0-20 см ():

при . (6)

При анализе обратной логарифмической зависимости (6) заключаем, что при значениях коэффициентов пористости верхнего слоя почв более 1,33 эрозия почв при ливнях практически отсутствует.

Выяснено, что верхний предел пластичности (, %) тесно связан с эрозией почв. Уравнение, характеризующее эту связь, имеет вид:

при . (7)

Как следует из уравнения (7), чем выше верхний предел пластичности, тем больше почва сопротивляется водной эрозии при дождевании. При значениях 53 % эрозия почв под пологом производных лесов отсутствует.

Получена связь между эрозией и углами внутреннего трения между агрегатами в слое почв 0-20 см:

при . (8)

По зависимости (8) с возрастанием углов внутреннего трения между почвенными агрегатами уменьшается эрозия почв при дождевании. Эта зависимость ограничена при расчетах( 22), что означает, что эрозия отсутствует при значениях углов внутреннего трения более 22°.

Заключение

1 Леса на водосборе верхнего течения реки Пшиш в пределах Пшишского лесничества (за исключением труднодоступных и охраняемых природных территорий) являются производными. Они пройдены главными и промежуточными рубками, обладают пониженной производительностью, деградированными лесной подстилкой и живым напочвенным покровом, нарушенными почвами, угнетенным подростом. Такие леса не обладают стокорегулирующей и почвозащитной способностью коренных лесов.

2 В производных лесах, почвы которых нарушены при антропогенной деятельности, поверхностный сток во время интенсивных ливней определяется воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова, а также свойствами верхнего слоя нарушенной бурой лесной почвы, особенно содержанием в ее составе глинистых частиц.

3 Воздушно-сухая масса лесной подстилки и живого напочвенного покрова () является основным фактором формирования не только стока, но и проявления эрозии почв при ливнях. Выделено два критических значения этого показателя. Первое значение ( 10 т/га) характеризует отсутствие стока при ливневых дождях; второе значения ( 3,25 т/га) - отсутствие эрозии почв. Интервал 10 3,25 т/га определяет сток прозрачной воды при интенсивных ливнях в производных лесах.

4 Определены также следующие критические значения, характеризующие отсутствие смыва при ливнях: содержание органики в верхнем слое почв ( 7,6 %), коэффициент пористости ( 1,33), предел текучести ( 53 %) и угол внутреннего трения между почвенными частицами ( 22°).

5 Полученные критические значения воздушно-сухой массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова, содержания органики в верхнем слое почв, коэффициентов пористости, пределов текучести и углов внутреннего трения между почвенными частицами, позволяют прогнозировать формирование поверхностного стока и проявление эрозии в производных лесах при интенсивных ливнях.

Список использованных источников

1 Лесная энциклопедия: в 2-х т. - Т. 2. - М.: Советская энциклопедия, 1986. - 631 с.

2 Коваль, И. П. Экологические основы горного лесоводства: монография / И. П. Коваль, Н. А. Битюков, Б. П. Шевцов. - Сочи: НИИгорлесэкол, 2012. - 565 с.

3 Ивонин, В. М. Производные леса и качество воды горных рек Северо-Западного Кавказа / В. М. Ивонин, А. В. Тертерян // Интеграция науки и образования - стратегия устойчивого развития водно-мелиоративного комплекса страны: материалы междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию выпуска первого мелиоратора России 29-30 мая 2013 г. // Новочеркасск, НГМА. - Новочеркасск: Лик, 2013. - С. 205-213.

4 Ивонин, В. М. Лесомелиорация ландшафтов: научные исследования / В. М. Ивонин, Н. Д. Пеньковский. - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. - 150 с.

Размещено на Allbest.ru

...