Гидрологическая роль лесных экосистем Южного Сихотэ-Алиня

Горная система Сихотэ-Алинь - это уникальный природный комплекс, основу которого составляют кедрово-широколиственные, кедрово-еловые лесные  формации, не имеющие аналогов в России по богатству ресурсов и видовому разнообразию, набору редких и исчезающих растений и животных.
Эти леса выполняют важнейшие экологические функции на локальном, региональном и глобальном уровнях [7]. Горным темнохвойным лесам  Сихотэ-Алиня принадлежит особая роль в формировании, сохранении и поддержании водно-экологического потенциала территории Дальнего Востока [6]. В процессе трансформации осадков пологом древостоев и горными почвами реализуются основные гидрологические функции лесных экосистем - водорегулирующие и водоохранные. Важным фактором является также почвообразующая и почвозащитная роль леса, поскольку почва – один из ведущих  компонентов  в формировании  водного баланса и генезиса стока.
Известно, что в горных экосистемах влияние антропогенеза в наибольшей степени приводит к нарушениям растительного и почвенного покрова: лесные сооб­щества здесь интенсивно  разрушаются, а их восстановление идет крайне медленно, и возникают глубокие изменения окружающей среды и одной из наиболее актуальных функций – гидрологической. Качественные и количественные показатели гидролого-защитной роли лесов в значительной мере обусловлены размерами водосборов, их лесистостью, и пространственным размещением. Трансформация экологических функций лесного полога наиболее ярко проявляется в пределах  малых речных бассейнов. Малый бассейн, как правило, охватывает основное разнообразие экотопических условий, что позволяет выявить индикационную роль соответствующих им почвенно-растительных комплексов в формировании и регулировании стоковых характеристик [1, 4, 7].  
Наши исследования проводились на экспериментальных водосборах в репрезентативных для Среднего и Южного Сихотэ-Алиня лесах. Горные водотоки 1-го и 2-го порядка, расположены в бассейне верхнего течения р. Уссури. После проведения здесь экспериментальных рубок в 1965-66 годах, гидрологические характеристики изучались на участках с различной лесистостью и нарушенностью лесного покрова.Исследования на репрезентативных малых водосборах позволили количественно оценить водоохранную роль и водорегулирующее влияние хвойно-широколиственных лесов в различные сезоны и фазы гидрологического режима на разных стадиях  их восстановительных сукцессий [1-2; 4-5].
Положительный водоохранный эффект лесного покрова на рассматриваемой территории достигается за счет функционирования лесов, сформированных в результате длительного естественного лесообразовательного процесса. Для них характерны большая надземная биомасса, сбалансированная структура основных компонентов фитоценозов, что определяет стабильность выполняемых ими экологических функций в малых речных бассейнах и общем природном комплексе верховьев крупной реки. Благодаря хорошим фильтрационным способностям почв, значительная часть осадков расходуется здесь на почвенно-грунтовый отток: уменьшается поверхностный сток и улучшается качество воды, усиливается питание рек в меженный период.

Рисунок 1. Минимальный расход воды в годы с различной влажности на водосборах! 1- с коренными лесообразователями; 2 - с вырубкой в верхней части склона; 3 - со сплошной вырубкой 

Даже в засушливые годы меженные расходы на водосборах с преобладанием коренных хвойных фитоценозов остаются выше (рис.1), а питание рек на водосборах с вторичными лесами осуществляется за счет поступления влаги с более влажных участков с пихтово-еловыми и кедрово-еловыми лесами. В этих лесах, за счет более  мощного слоя мерзлоты и позднего оттаивания, влажность почвы и в засушливые годы удерживается в пределах наименьшей влагоемкости, подпологовое испарение и транспирация здесь также меньше, чем в восстановившихся на вырубке молодых лесах [1, 2, 5].
Пространственная дискретность верхнего лесного полога коренных лесов способствует перераспределению осадков по площади бассейна. В сомкнутых древостоях на высотах 800-1200 м образуются конденсационные осадки. Дополнительное увлажнение, связанное с  их образованием, составляет 15-20% от количества осадков на открытом месте [2, 3, 8]. Прибавка осадков под пологом высокополнотных хвойно-широколиственных лесов на каждые 100 м высоты составляет 28-33 мм [5]. Во вторичных лиственных лесах случаи поступления под полог леса осадков больше, чем на открытом месте, фиксировались большей частью после обильных интенсивных дождей. Величина конденсационных осадков сопоставима с перехватом влаги пологом леса и учитывается в годовом водном балансе малого водосбора.
Процессы формирования речного стока обусловливаются комплексным воздействием климатических факторов и условиями подстилающей поверхности. Увлажненность периода исследования, характер и интенсивность дождей, теплообеспеченность характеризуют динамику поступления влаги на водосбор. По экотопическим  особенностям отдельных частей бассейна определяются состояние почвенного покрова и структура лесного полога, как диагностирующие признаки перераспределения осадков по бассейну. Как известно, общие потери паводочных вод на горных склонах определяются свободной емкостью почвенного задержания, величинами поверхностного впитывания и глубинной инфильтрации, задержанием осадков кронами древостоев. Эти показатели обусловливают водорегулирующий эффект всего лесного покрова  Сихотэ-Алиня. Высокопроницаемые почвы хвойно-широколиственных лесов, как правило, характеризуются отсутствием поверхностного и слабым внутрипочвенным стоками [2, 3]. Стокообразование осуществляется контактным стоком в слое рыхлых отложений на относительном водоупоре.

Рисунок 2. Доля инфильтрации (1) и стока (2) от количества поступивших осадков (3) в очень влажные (А) и средние по влажности (В) годы

Речной сток и инфильтрация взаимосвязаны между собой (рис.2). По данным экспериментальных  и экспедиционных исследований установлено, что инфильтрация воды через метровый слой горных лесных почв не бывает отрицательной, и составляет 3-70% от количества выпавших осадков. Максимум приходится на май, так как талые воды, поступая в почву, замерзают, и фильтруется в глубокие слои почвы по мере оттаивания. За летне-осенний период фильтруется до 36% осадков. После антропогенного воздействия верхний 30-см слой почвы уплотняется, что приводит к образованию здесь поверхностного стока и значительным колебаниям уровня воды в реках. Максимальная водоотдача для 1-метрового почвенного слоя в экспериментальном бассейне составила 150-380 мм. Через 30 лет после вырубки [5] сохраняется более плотное сложение и низкий гравитационный отток верхних почвенных горизонтов. На сильно нарушенных почвах (волока, дороги) водоотдача верхних горизонтов в 1,4-2,5 раза меньше, чем в тех же горизонтах ненарушенных лесных почв. Вероятность возникновения поверхностного стока и проявления эрозионных процессов на площади вырубок остается высокой и через 20-40 лет после лесовосстановления. Таким образом, при максимальных суточных осадках, достигающих для района исследования 160 мм, вся поступившая влага поглощается и фильтруется в глубокие почвенные слои. Эти процессы, а, следовательно, и гидрологические функции ландшафтов ухудшаются после вырубки на длительный временной промежуток.
Водно-экологический потенциал верхнего течения р. Уссури оценивался по сочетанию лесных ландшафтов в высотных природных комплексах с преобладанием лесных формаций: I– пихтово-еловых; II-   кедрово-еловых; III– широколиственно-кедровых (табл.2).
 
Таблица.  Биоклиматическая характеристика высотных поясов бассейна р. Уссури

Кгрс - коэффициент густоты речной сети; МС и ПСП – молодые и средневозрастые,  приспевающие, спелые и перестойные древостои; Кс – коэффициент стока

Для анализа были использованы данные гидрометрических наблюдений, по-выдельная лесотаксационная характеристика района, индикационные методы расчета, картографический материал. Общая исследуемая площадь составила 5330 км², 90% ее площади занимают хвойно-широколиственные леса, которые пройдены рубками и пожарами различной давности. Значительная трансформация лесного покрова наблюдается в среднем течении реки, где соотношение хвойных и лиственных составляет 30:70,  а молодые, средневозрастных и приспевающие леса занимают большую часть площади. Водопродуктивная способность данного геокомплекса составляет 6,3%, а водоносность малых рек обеспечивается за счет коренных хвойных фитоценозов, сохранившихся в верховьях. Максимальная водопродуктивность характерна для бассейнов Iи IIвысотных поясов, где преобладают старовозрастные леса. В средний по водности год с единицы их площади в р. Уссури стекает в 1,3-1,5 раза больше воды, чем с бассейнов, занятых преимущественно средневозрастными древостоями.

Рисунок 3. Зависимость  коэффициента стока от доли хвойных в составе древостоев

Как показано на графике (рис.3), многолетние характеристики речного стока и его равномерность прямо зависят от состава леса. Чем больше доля хвойных лесообразователей, тем выше естественная зарегулированность речного стока, лучше водоохранные и водорегулирующие функции ландшафтов. Интенсивность гидрологических процессов и водопродуктивность лесных экосистем в регионе будет зависеть от оптимального соотношения трансформированного и естественного лесного покрова.

Н.К. Кожевникова
Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток
Тезисы доклада на VII Международную конференцию «Реки Сибири и Дальнего Востока»

 
Литература
 
1.       Жильцов А.С. Ильина Т.М., Кожевникова Н.К.  Оценка водоохранно-защитной роли леса в бассейнах водотоков различного порядка // Современное состояние и рациональное использование почв, лесных и водно-земельных ресурсов Дальнего Востока России. - Владивосток, 1997. - С. 100-102.
2.       Жильцов А.С. Гидрологическая роль горных хвойно-широколиственных лесов Южного Приморья - Владивосток: Дальнаука, 2008. - 331 с.
3.       Клинцов А.П. Микроклиматическая и гидрологическая роль лесов Сахалина. - Южно-Сахалинск, 1969. - 180 с.
4.       Кожевникова Н.К. Использование индикационных свойств лесного полога при определении элементов водного баланса // Леса российского Дальнего Востока: 150 лет изучения.  - Владивосток. 2009. -  С. 61-63.
5.       Кожевникова Н.К. Динамика гидрологических и защитных функций горных лесов южного Сихотэ-Алиня в процессе послерубочных восстановительных сукцессий / Автореф. диссерт. канд. биол. наук. – Владивосток. –2010. – 26 с.
6.       Кожевникова Н.К. Дюкарев В.Н.Эколого-защитные свойства лесного покрова верхнего пояса гор (Южный Сихотэ-Алинь) //Проблемы региональной экологии. - №4. С. 31-38.
7.             Морин В.А., Сапожников А.П. Экологическая роль лесов Хабаровского края  // Леса и лесн. хоз-во Хабаровского края – Хабаровск: Кн. изд-во, 2000. – С.385-390.
8.             Таранков В.И. Гидрологический режим хвойно-широколиственных лесов Южного Приморья. - Л., Наука, 1970.  - 120 с.