научная статья по теме ДИНАМИКА УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ТЕЛЛЕРМАНОВСКОЙ ДУБРАВЕ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ТЕЛЛЕРМАНОВСКОЙ ДУБРАВЕ»

ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2008, № 6, с. 53-58

УДК 630*161.1+551.482215

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ДИНАМИКА УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ТЕЛЛЕРМАНОВСКОЙ ДУБРАВЕ*

© 2008 г. М. Г. Романовский, В. В. Мамаев, С. И. Сушков

Институт лесоведения РАН 143030 Успенское. Одинцовский р-н, Московская обл. E-mail: root@ilan.msk.ru Поступила в редакцию 29.10.2007 г.

Предложены модели динамики уровня грунтовых вод для автоморфных нагорных дубрав - с описанием ежегодного пополнения запаса ГВ с запаздыванием на 2-2.5 года (время фильтрации части осадков через 10-12 м суглинков) и для дубрав верхней поймы р. Хопер в летнюю межень с запаздыванием на 13-14 лет (время фильтрации через 60-70 м осадков коренного берега). Допускаются экзогенные воздействия на уровень ГВ: для нагорных дубрав антропогенные в связи со строительством и разрушением гидротехнических и подземных сооружений, а для поймы в связи с эпизодическим пополнением ГВ стоком из толщи осадков Окско-Донской равнины.

Лесостепь, грунтовые воды, нагорные дубравы, пойменные леса.

Колебания уровня грунтовых вод (ГВ) влияют на состояние и продуктивность лесостепных дубрав, модифицируя отпад деревьев и прирост насаждений [22, 33]. Под нагорными лесами Теллер-мановского массива ГВ лежат на глубине 8-12 м. Они доступны для дуба черешчатого и, вероятно, некоторых других видов деревьев. Их уровень испытывает значительные многолетние колебания. Различия уровня ГВ между годами их опускания и подъема достигают 3 м. Амплитуда сезонных колебаний уровня ГВ в нагорных дубравах обычно не превышает 40 см.

В пойменных дубравах сезонная динамика уровня ГВ более выражена: в верхней пойме уровень ГВ в течение сезона изменяется от 0 до 3.5 м. Изменения меженного уровня ГВ по годам достигают здесь 2 м.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Водораздельные ясеневые дубравы Теллерма-новского лесного массива [25, 33] (Грибановский район Воронежской области), располагаясь на 60-80 м выше уровня рек, функционируют лишь за счет атмосферного водного питания (авто-морфные экосистемы). Кроме влаги выпадающих осадков, они используют ГВ, представляющие собой осадки двух-трех прошлых лет, депо-

* Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (0604-49499).

нированные в доступной для корней толще моренных суглинков [6, 33].

Режим увлажнения пойменных лесов в основном определяют: высота воды в реке, расстояние от берега и приток ГВ, поступающих на правом берегу р. Хопра от нагорного массива днепровских суглинков, а на левом от широких супесчано-песчаных надпойменных террас [3, 9, 30]. Многолетние колебания меженного уровня ГВ у подошвы правобережного склона речной долины обусловлены динамикой увлажнения водораздельного нагорного плато с запаздыванием, пропорциональным времени фильтрации осадков через 60-70 м суглинков и времени горизонтального транспорта влаги сквозь пески, подстилающие морену.

Модели динамики уровня ГВ разработаны нами на основе подекадных наблюдений за системой скважин Теллермановского опытного лесничества Института лесоведения РАН (ТОЛ). В 1972-1992 гг. наблюдения вел П.И. Быстрянцев, в 1992-2004 гг. В.В. Осипов и мы [5, 22, 29, 33]. Нами использованы данные по трем скважинам в нагорных дубравах водораздельного плато (152155 м над ур. моря) и одной в верхней пойме, при верховье конуса выноса балки Крутец в 15 м от подошвы склона (88 м над ур. моря, квартал 39 ТОЛ). На водоразделе скважины располагаются: в квартале 37 на правом берегу балки, уклон 0.002 северная экспозиция, ряд наблюдений непрерывен; и в кварталах 6 и 7 на левом берегу балки, уклон <0.001, наблюдения прерваны в 1982 г. (скважины забиты мусором). Несмотря на это, данные по 6 и 7 кварталам анализируются нами, поскольку относятся к периоду усыхания дубрав и

Таблица 1. Средняя сезонная динамика глубины залегания ГВ в нагорных дубравах на высотах 152-155 м над ур. моря (кварталы 6, 7 и 37 ТОЛ) и в верхней пойме на 88 м над ур. моря (квартал 39 ТОЛ)

№ квар- Уровень ГВ по месяцам, см Скорость изменения за период, см мес-1

тала февраль апрель июль октябрь октябрь-февраль апрель-июль июль-октябрь

37 922 921 881 916 -1.5 +13.3 -11.3

6, 7* 1176 1175 1158 1172 -1 +5.7 -4.7

39 307 190 280 337 +7.5 -30 -19

Примечание. В периоды между выделенными месяцами уровень ГВ изменяется почти линейно. * Средние данные по скважинам в кварталах 6 и 7.

связаны с наблюдениями за динамикой отпада того периода в соседних древостоях [22, 33].

В 1972-1982 гг. в скважинах кварталов 6 и 7 ТОЛ уровень ГВ повышался на 0.3 м год-1. Поэтому при описании сезонной динамики в среднемесячные значения уровней ГВ в кварталах 6 и 7 введена линейная поправка ~2.5 см мес-1.

При оценках расхода ГВ по изменению их уровня мы исходили из соотношения, установленного для тяжелых суглинков [14, 27, 28]: 1.1 мм влаги на 1 см падения уровня ГВ. Для скважины, расположенной в пойме, в лессовидных суглинках, переслоенных песками, изменение уровня ГВ на 1 см соответствует расходу ~1.5 мм влаги.

При разработке модели вертикального перемещения влаги в толще водораздельных суглинков и пополнения ГВ использованы наблюдения за температурным режимом лесных почв до глубины 3.5 м и их влажностью до глубины 6-9 м [5, 16, 22, 23, 33]. Влажность почвы определяли термовесовым методом по кернам, извлеченным ручным геологическим буром.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Водораздельные дубравы. В нагорных дубравах пополнение запаса ГВ происходит за счет длительной вертикальной миграции грунтово-поч-венных вод ~50 мм год-1 [15, 33]. Через горизонт аэрации, иссушенный на глубине 3-5 м ниже влажности разрыва капилляров, грунтово-поч-венные воды медленно перемещаются под действием силы тяжести в виде пленочной влаги [8]. В период наших наблюдений на глубине 3-5 м постоянно присутствовал слой суглинков, сохранявший водный потенциал Т < -2 МПа [10, 11].

Зимой, когда верхние горизонты почвы холоднее нижних, а влага в толще 0-3 м мигрирует вверх; пополнение и нисходящая миграция влаги через горизонт аэрации прекращаются. С октября по февраль разгрузка ГВ в балки снижает уровень ГВ в среднем на 1-1.5 см в месяц. Весной, как только поверхностные слои почвы прогреваются, нисходящее перемещение влаги восстанавливается. С апреля-мая по июль ГВ поднимаются на

6-13 см в месяц. Однако во второй половине вегетации, когда, по мере исчерпания запасов влаги в верхних горизонтах почвы, деревья переходят на усиленное потребление грунтовых вод [14, 27, 28], уровень ГВ снова начинает падать со скоростью 5-11 см мес-1 (табл. 1). Падение уровня ГВ в конце вегетации не означает, однако, прекращения нисходящей миграции влаги, просто глубже 5 м новые поступления доступной влаги полностью изымаются корнями древесных растений. Потребление влаги корнями деревьев ниже горизонта аэрации превышает ее приход и вызывает интенсивное падение уровня ГВ под нагорными дубравами с середины июля по середину октября.

Осадки, "ускользнувшие" от потребления растительностью в горизонте 0-1 м, насыщенном корнями, путешествуют к ГВ ~2.5 года. Их первым зимним "портом" на этом пути служит основание корнеобитаемого слоя (глубина 1-2 м), вторым - горизонт на глубине 5-6 м, из которого происходит летняя разгрузка оставшейся влаги в ГВ. На глубине 5-6 м с осени и до весны обычно отмечается локальный максимум влажности почвы [33, рис. 3.10, с. 124]. Сюда же из гумусоакку-мулятивных горизонтов стекает углекислый газ, выделяемый при дыхании корней растений и дыхании почвенных гетеротрофов. Его концентрация на 5-6 м глубины достигает максимума только через год после завершения вегетации [16].

Динамика ГВ в нагорных дубравах удовлетворительно описывается следующей рекуррентной моделью:

Д + 1 = Д + кх(Въ - Д) - к2Р, (1)

где В - глубина ГВ: Д - в г, Д + 1 - в г + 1 году, м; Дъ - глубина подстилающего водоупорного горизонта, м; Рг - х - количество осадков, выпавших в течение вегетации (с апреля-мая по сентябрь включительно) в г - 1 году, м; к и к2 - коэффициенты, постоянные для данной ландшафтной разности и механического состава грунтов.

В г-ом году уровень ГВ за счет их разгрузки и де-сукции насаждениями понижается на величину, пропорциональную мощности слоя ГВ (к (Д - Д)), а в г + 1 году повышается на величину, пропорци-

ональную летним осадкам позапрошлого г - 1 года (АВ = -к2Р, - х), небольшая часть которых достигает ГВ. Коэффициент изменения уровня ГВ при фильтрации осадков, а также при расходе ГВ к1 = 0.1. Коэффициент отклика ГВ на выпадение Р, - х осадков к2 соответствует произведению к1 на коэффициент подъема уровня ГВ (=10) при поступлении влаги (при поступлении 1 мм ГВ поднимаются на 10-11 мм): к2 = 0.1 х 10 = 1.0. Глубина водоупорного горизонта под водораздельными дубравами Вь = 10-15 м [15, 33]. Количество осадков, выпадающих за май-сентябрь, 0.20 м (среднее за 1950-1972 гг.).

Для ГВ в кварталах 3-7 лесничества на моренных суглинках водораздела балок Крутец и Ма-лык к1 = 0.1, к2 =1, Вь = 14 м, и модель (1) получает вид:

Д + 1 = В, + 0.1(14 - В,) - Р, - 1. (2)

Коэффициент корреляции фактических определений уровня ГВ в 1972-1982 гг. в квартале 6 ТОЛ и расчетных значений составляет 0.75. Результат моделирования мало зависит от выбора исходного уровня ГВ. Так, начиная моделирование с уровня ГВ в 1953 г. в диапазоне 10-11 м, к 1995 г. получим 11 ± 0.15 м. Минимум уровня ГВ (максимум глубины) 13.4-13.6 м достигается в 1972-1976 гг. (к началу измерений уровня воды в скважинах ТОЛ).

Предложенная модель (2) позволяет также восстановить динамику уровня ГВ в годы, предшествовавшие созданию скважин и началу инструментальных измерений уровня вод (3), нужны лишь ряды по динамике осадков:

Вх - 1 = 1.11(В, + Рх - 2) - 1.56. (3)

Поскольку регулярные метеорологические наблюдения на Строяновском кордоне (квартал 30 ТОЛ) начали вести только с 1950 г., мы дополнили их данными по метеостанции Хоперского государственного природного заповедника (ХГЗ) [4] в 22 км от кордона. В 1950-1972 гг., когда опубликованные ряды метеорологических наблюдений перекрываются, коэффициенты корреляции данных ХГЗ и ТОЛ составили г = 0.89 для осадков и г = 0.98 для среднемесячной температуры воздуха

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком