Задание 5. Лес и влага

Лес сильно влияет на выпадение и распределение атмосферных осадков и в то же время сам испытывает значительное влияние режима влажности.

Все виды влаги, имеющие значение для леса, можно свести к трем группам: осадки, влага в воздухе, почвенная влага.

Осадки могут быть в виде дождя, града, инея, ожеледи, снега. Наибольшее значение в лесоводстве имеет дождь, иногда снег. Лучшие леса в умеренном климате растут в районах с годовым количеством осадков 600-700 мм, однако фактически лесом используется около 150-175 мм воды в год. Особенно нужны осадки в начальный период интенсивного роста (май-июнь).

Зимние осадки оказывают как положительное, так и отрицательное физическое влияние на лес. С одной стороны, снег предохраняет почву от промерзания, а растения, особенно молодые, от вымерзания. С другой стороны, лес страдает от снеговалов и снеголомов, повреждений градом, изморозью, ожеледью.

Внутри снегового покрова создается особый микроклимат. Колебания внешних температур при глубоком рыхлом снеге почти не проявляется на почве, она не промерзает, а если и промерзает, то на небольшую глубину.

Глубокий снежный покров при запаздывании таяния весной задерживает рост покрытого им самосева и этим предохраняет его от поздних заморозков. Снег, выпавший осенью на талую землю, снижает опасность выжимания самосева морозом.

Под пологом леса снег ложится равномерно, особенно в лиственных насаждениях, обладает меньшей плотностью, чем в поле и достигает большей высоты. Почва в лесу оттаивает весной медленнее, чем в поле, и с неодинаковой скоростью в разных лесах. В хвойных лесах снег исчезает весной позднее, чем в лиственных без темнохвойного подроста. В густом еловом лесу почва покрывается снегом позднее. Снеговой покров здесь отличается меньшей мощностью в течение всей зимы, весной таяние его задерживается. В связи с этим почва в таком лесу раньше и глубже промерзает и позднее оттаивает, чем в более осветленных насаждениях.

Распределение снега на безлесных участках в лесу зависит от размеров открытых участков. Если открытая площадь большая, то снег с повышенных мест сдувается в понижения, накапливается на наветренных опушках. Небольшие открытые участки внутри леса (прогалины, тропинки, узкие вырубки, просеки) отличаются и большей толщиной снега.

Весной снег сходит в следующей последовательности: большие открытые площади, под пологом лиственных и лиственничных лесов, сосновые леса, темнохвойные леса, небольшие открытые участки внутри леса. различие в скорости таяния снега может достигать двух недель.

Условия жизни леса во многом определяет влажность воздуха и влажность почвы. При засухе лес снижает прирост, а отдельные деревья отмирают. При падении относительной влажности воздуха ниже 40-45 % создается значительная опасность возникновения лесного пожара.

Многие древесные породы могут расти при различном увлажнении. Яркий пример – сосна обыкновенная, которая может расти и на сухих почвах, и на избыточно увлажненных торфяниках. Но, чтобы она росла лучше и давала древесину высокого качества, условия увлажнения должны быть средними.

В свою очередь лес оказывает значительное влияние на водный режим как самого леса, так и смежных территорий. Лес перераспределяет выпадающие осадки, задерживая их кронами деревьев и стволами. Пихтовые насаждения могут задерживать кронами до 70-80%, еловые – до 55-60, сосновые – до 30, лиственные – до 15% осадков. Наибольшее количество осадков задерживается насаждением в жердняковом возрасте. В этот период кроны наиболее сомкнуты, причем не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлении.

Задерживание осадков кронами деревьев и листвой нижних ярусов зависит также от количества и интенсивности осадков. Слабый дождь при высокой сомкнутости крон и редкой повторяемости почти полностью ими задерживаются.

Более позднее начало снеготаяния в лесу и запаздывание схода снежного покрова на 2-3 недели по сравнению с открытыми участками на ходе весеннего половодья весенний сток в малых залесенных бассейнах ниже, чем в безлесных. Объясняется это повышенной инфильтрационной способностью лесных почв, переводом поверхностного стока в грунтовый. Лес растягивает половодье, увеличивает его продолжительность и уменьшает максимальный расход влаги. Наибольшее регулирующее влияние на паводковый сток оказывает не полная, а частичная (50-60%) залесенность бассейна, когда разновременность снеготаяния в поле и в лесу проявляется в наибольшей мере.

Лес оказывает существенное регулирующее влияние на все элементы водного баланса, умеряя колебания их как внутри года, так и в многолетнем периоде.

Задержанные лесом талые и дождевые воды расходуются не на увеличение испарения, которое с леса и других угодий в общем различаются незначительно, а просачиваются вглубь и идут на питание грунтовых вод. Уменьшая поверхностный сток и за этот счет увеличивая подземный сток в реки, лес оказывает большое водорегулирующее влияние. Вырубка лесов, уменьшая подземное питание рек, делает реки маловодными в межень. Лес выполняет водоохранную и водорегулирующую роль, препятствуя пересыханию рек в летне-осенний период и загрязнению их стоками с полей, ферм и предприятий.

Самой большой статьей расхода воды в лесу является транспирация растущими деревьями. Вода, потребляемая на транспирацию, сначала попадает в почву, затем извлекается корнями и подается в листья. Расход воды на транспирацию древостоями таежной зоны составляет 150-300 мм, в горных лесах юга России – 380-450 мм. Наибольшее количество влаги транспирируют высокопроизводительные высокобонитетные насаждения. Редкие и низкобонитетные насаждения расходуют влаги в 2,5-2,5 раза меньше.

В лесостепных и степных зонах недостаточного увлажнения и высокой испаряемости влаги древесные породы вынуждены приспосабливаться к недостатку влаги. При этом у насаждений снижается производительность, сокращается срок их жизни, насаждения теряют способность к естественному возобновлению.

Физическое испарение с почвы и травяного покрова в лесах в 2-3 раза меньше, чем на безлесных площадях, и составляет 50-90 мм. Величина физического испарения зависит от породы, густоты древостоя, развития подлеска и травяного покрова.

Среднегодовой баланс влаги на лесной территории равен нулю. Уравнение баланса имеет вид:

Ос = Окр + Т + Ифп + Сп + Свп +Сг + Ф, где

Ос – годовые осадки, мм;

Окр – количество осадков, задерживаемых кронами и испарившихся с них;

Т – расход воды на транспирацию;

Ифп – расход воды на физическое испарение с почвы и транспирация напочвенного покрова;

Сп – поверхностный сток;

Свп – внутрипочвенный сток;

Сг – грунтовый сток;

Ф – расход воды на синтез фитомассы и ее увлажнение.

Занятие 7. По нижеприведенным данным (табл.10) вычертите на одном чертеже две кривые задерживания осадков кронами (для двух пород, указанных в вашем варианте).

Таблица 10 – Задержание осадков кронами в древостоях из различных древесных пород с полнотами 0,8-0,9 в среднем за год, мм

№№ пп	Порода сомкнутость полога (С)	Годовые осадки, мм	Возраст древостоя, лет
	Сосна
	С		0,85	0,80	0,78	0,74	0,70	0,67	0,64	0,60
	Дуб
	С		1,00	0,94	0,88	0,80	0,78	0,75	0,73	0,72
	Лиственница
	С		0,85	0,80	0,78	0,73	0,70	0,66	0,62	0,58
	Дуб
	С		0,80	0,78	0,75	0,72	0,70	0,68	0,65	0,65
	Сосна
	С		0,90	0,87	0,80	0,75	0,70	0,68	0,62	0,60
	Береза
	С		1,00	0,90	0,85	0,80	0,75
	Ель
	С		0,80	0,75	0,70	0,65	0,60	0,58	0,56
	Осина
	С		1,00	1,00	0,90	0,85	0,80
	Ель
	С		0,90	0,85	0,80	0,75	0,70	0,65	0,60	0,58
	Ясень
	С		1,00	0,97	0,90	0,80	0,75	0,70	0,68

Ответьте на вопросы:

1. Чем вызвано увеличение или уменьшение количества задержанных кронами осадков с увеличением возраста древостоя?

2. В каком возрасте задерживается наибольшее и в каком наименьшее количество осадков насаждениями из указанных древесных пород?

3. Есть ли различия в количестве задерживаемых кронами осадков между хвойными и лиственными породами, между теневыносливыми и светолюбивыми? Варианты заданий взять из табл. 11.

Таблица 11 – Варианты сопоставления древесных пород

Вариант	Номер древесной породы	Вариант	Номер древесной породы	Вариант	Номер древесной породы	Вариант	Номер древесной породы
	9, 10		6, 9		1, 4		1, 6
	3, 4		3, 8		1, 6		3, 4
	5, 6		5, 6		3, 1		5, 6
	3, 4		2, 9		3, 8		7, 8
	1, 3		2, 7		8, 9
	1, 2		1, 10		7, 10
	7, 1		1, 8		2, 7

Занятие 8. Определите расход влаги га транспирацию за вегетационный период древостоями разного возраста, имеющими одинаковый состав, класс бонитета, тип леса и полноту по следующей формуле: В₁+В₂, где В₁ – расход влаги на поддержание жизнедеятельности имеющейся на данный момент биомассы насаждения; В₂ – расход влаги, обусловленный ростом биомассы.

Для насаждения: Состав – 10С, класс бонитета – Ш, тип леса сосняк- брусничник, полнота 1,0.

В₁ и В₂ определяются по формулам:

В₁ = 0,25 М

В₂ = 43,0Z_v

Для насаждения: Состав – 10Б, класс бонитета – Ш, тип леса березняк-брусничник, полнота 1,0

В₁ и В₂ определяется по формулам:

В₁= 0,62 М

В₂ = 75,0Z_v, где

М – запас древесины в кубических метрах на 1 га в данном возрасте;

Z_v – текущий прирост древесины в м³ в данном возрасте.

Для выполнения задания данные берутся по вариантам из таблицы 13, а расчетные данные заносятся в таблицу 12.

Таблица 12 – Расход влаги на транспирацию за вегетационный период

Возраст, лет	Запас древесины на 1 га, м3	Текущий прирост древесины на 1 га, м3	В1	В2	В3

Проанализируйте полученные данные (В₁, В₂)и ответьте на следующие вопросы:

а) как изменяется расход влаги (В) с увеличением возраста;

б) в каком возрасте общий расход (В) максимальный и чем это вызвано;

в) как меняется с возрастом расход влаги на В₁ и В₂ и чем это объясняется.

Таблица 13– К занятию 8

Вариант и состав насаждения	Возраст, лет	М	zv	Вариант и состав насаждения	Возраст, лет	М	zv
			5,4				3,0
10С			5,6	10Б			3,8
			6,7				4,0
			6,0				3,5
			3,9				3,1
			3,6				2,6
			2,6				2,1
			2,1				1,6
			2,0				1,1
			1,8				0,9
			1,6
			1,6				5,4
			1,5	10С			5,6
			1,3				6,7
			1,2				6,0
							3,9
			3,1				3,5
			4,0				2,5
			4,2				2,1
			3,7				2,1
			3,3				1,5
			2,7				1,6
			2,3				1,5
			1,8				1,5
			1,8				1,3
			0,9				1,2
			5,3				2,9
10С			5,5	10Б			3,7
			6,6				4,0
			6,0				3,9
			3,8				3,2
			3,5				2,7
			2,6				2,2
			2,0				1,6
			2,0				1,2
			1,6				0,8
			1,5
			1,6				3,0
			1,5	10Б			3,9
			1,3				4,0
			1,1				3,6
							3,2
			2,7				2,6
10Б			3,7				2,2
			3,9				1,6
			3,5				1,2
			3,0				0,9
			2,5
			2,1				5,4
			1,6	10С			5,6
			1,2				6,7
			0,9				6,0
							3,9
			3,1				3,4
10Б			4,2				2,6
			4,3				2,0
			3,9				2,0
			3,5				1,7
			2,9				1,7
			2,3				1,6
			1,9				1,4
			1,3				1,3
			1,0				1,2
			2,9				3,0
10Б			4,0	10Б			4,0
			4,2				4,1
			3,8				3,7
			3,3				3,2
			2,9				2,8
			2,4				2,2
			1,9				1,8
			1,0				1,2
			1,0				1,0
			3,0				3,6
10Б			4,0				2,6
			4,1				2,1
			3,7				2,0
			3,2				1,8
			2,7				1,6
			2,2				1,6
			1,6				1,5
			1,2				1,3
			0,8				1,2
			3,0				3,0
10Б			3,9	10Б			3,8
			4,1				4,0
			3,6				3,5
			3,2				3,1
			2,7				2,6
			2,2				2,1
			1,7				1,6
			1,2				1,1
			0,9				0,8
			3,1				2,9
10Б			3,9	10Б			3,8
			4,1				4,0
			3,6				3,5
			3,2				3,1
			2,7				2,6
			2,2				2,1
			1,7				1,6
			1,2				1,1
			0,9				0,8
			3,1				5,4
10Б			3,9	10С			5,6
			4,2				6,7
			3,6				6,0
			3,3				3,9
			2,7				3,6
			2,3				2,6
			1,7				2,1
			1,3				2,0
			0,9				1,7
							1,5
			5,4				1,5
10С			5,6				1,4
			6,7				1,2
			6,0				1,2
			3,9

Занятие 9. По данным таблицы 14 постройте график распределения мощности снежного покрова и глубины промерзания почвы. Все студенты выполняют один вариант.

Таблица14 – Мощность снежного покрова и глубина промерзания почвы в различных условиях

Расстояние от репера, м	Мощность снежного покрова, см	Глубина промерзания почвы, см	Плотность снежного покрова, т/м3
Открытое поле
			0,28
Сосновый лес
			0,20
Еловый лес
			0,22
Прогалина
			0,24
Еловый лес
			0,22
Березовый лес
			0,25
Прогалина
			0,27

1. Чем объяснить различную мощность снежного покрова в поле, на опушке, в сосновом, еловом и березовом древостоях, имеющих одинаковую сомкнутость полога и возраст?

2. Почему на поляне в еловом лесу мощность снежного покрова выше, чем на такой же поляне в березовом древостое?

3. Чем вызвана различная плотность снега в поле, в древостоях и на поляне?

4. Существует ли взаимосвязь между мощностью снежного покрова и глубиной промерзания почвы?

Занятие 10. В таблице 15 даны показатели балансы влаги в ельнике-черничнике: состава – 10Е, П класса бонитета на подзолисто-суглинистой почве в таежной зоне.

Таблица 15 – Баланс влаги в ельнике-черничнике

Возраст древостоя, лет	Задержание осадков кронами, мм	Расход на транспирацию, мм	Испарение с травяно-мохового и кустарничкового покрова, мм	Расход влаги на поверхностный и внутрипочвенный сток, мм	Суммарное испарение, мм = 2+3+4

Задание:

1. На одном чертеже вычертите пять графиков расхода влаги указанным в таблице древостоем в зависимости от изменения его возраста.

Масштаб: по оси абсцисс – осадки, 1 мм = 2 мм осадков.

Все студенты выполняют один вариант.

2. Сделайте анализ каждого графика и укажите, как изменяется с изменением возраста древостоя количество задерживаемых осадков кронами, расход воды на транспирацию, расход на испарение с напочвенного покрова и расход влаги на поверхностный и внутрипочвенный сток.

3. В какой зависимости находится суммарное испарение влаги с расходом влаги на поверхностный и внутрипочвенный сток.

Занятие 11. По данным таблицы 16 на одном чертеже вычертите три графика инфильтрации влаги в почве. Все студенты выполняют один вариант.

Масштаб: по горизонтали 1 см = 10 лет

по вертикали 1 см = 10 мм

Таблица 16 – Инфильтрация влаги в почву под дубовыми древостоями разного возраста

Показатель, мм	Возраст древостоя, лет
Осадки, достигшие поверхности почвы	171,4	167,4	162,2	163,7	155,3	161,6	154,3
Впиталось влаги в почву	168,9	144,8	147,2	148,6	149,0	135,8	119,0
Инфильтрация вглубь почвы	25,0	22,0	16,0	15,0	6,3	25,7	35,3

Ответьте на вопросы:

1. Чем объяснить различное количество впитанной влаги в почву и количество инфильтрационной влаги в глубь почвы?

2. В каком возрасте происходит резкое падение инфильтрации в почве и чем это вызвано?

Занятие 12. Составьте баланс расхода влаги по следующим данным (табл. 17):

Таблица 17 – Показатели к расчету баланса расхода влаги

Статьи расхода влаги, мм	Дубовый лес	Сосновый лес	Свежая вырубка	Чистое поле
1.Задержание влаги на кронах (Окр)
2. Транспирация древостоями (Т)
3. Испарение из почвы и транспирация покровом (Ифп)
4.Поверхностный сток (Сп)
5. Внутрипочвенный сток (Свп)
6.Грунтовый сток (Сгр)
7. Сдувание снега (Сс)
8. Расход воды на синтез фитомассы и накопление запасов воды в растениях (Ф)

Баланс влаги составьте по формуле: Ос = Окр + Т + Ифп + Сп + Свп + Сс + Ф

Ответьте на вопросы:

1.Какой древостой, сосновый или дубовый, в равных условиях больше увлажняет воздух и переводит поверхностный сток в почвенный и грунтовый?

2. Какие статьи расхода влаги изменились на свежей вырубке по сравнению с древостоем и почему?

3. Какие статьи расхода влаги в чистом поле преобладают по