Битюков Н.А.

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В БУКОВЫХ ЛЕСАХ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАВКАЗА

В среднегорной зоне, характеризующей горноклиматический курорт «Красная Поляна» и бассейн реки Мзымты, проведены геоэкологические исследования на территории лесогидрологического стационара «Аибга» (ЛГС «Аибга»), который был организован ФГУ «НИИгорлесэкол» в 1963–1965 гг. Местоположение ЛГС “Аибга” – в буковых лесах северо-западной части региона (бассейн р. Мзымты – Южный отдел Сочинского национального парка). На базе лесогидрологического стационара «Аибга» также была проведена серия наблюдений по общей программе изучения параметров среды. ЛГС «Аибга» был заложен на водоразделе рек Псоу и Мзымты на высотах от 485 до 1150 м над ур. моря, на общем склоне юго-западной экспозиции со средней крутизной 25^о. Участок его является репрезентативным для зоны буковых лесов и включает четыре водосбора площадью от 5,7 до 19,9 га. Почвенный покров представлен бурыми лесными почвами: маломощными, занимающими 22% площади, среднемощными – 50 и мощными – 28% площади. Насаждения – естественные разновозрастные буковые древостои I и Iа классов бонитета с полнотой 0,8-0,9 и запасом древесины 540-670 м³/га. Подроста под пологом леса (в материнском насаждении) – 0,7-20,0 тыс. шт./га, из них бука – до 10 тыс. шт./га.

В настоящей статье приведены результаты геоэкологических исследований в незатронутых рубками и другими хозяйственными мероприятиями буковых насаждениях в период 1963-1970 гг. Позже на ЛГС «Аибга» были проведены опытно-производственные рубки на трех из 4-х водосборов, результаты воздействия которых были исследованы в течение последующих 40 лет и итоги которых будут предложены в последующих публикациях автора.

В разновозрастных буковых насаждениях процессы возобновления, роста, развития и отпада протекают как единый взаимосвязанный процесс. Такие насаждения нельзя отнести ни к приспевающим, ни к спелым, ни к перестойным, поскольку в них на одной и той же площади одновременно присутствуют деревья всех возрастных групп. В этих насаждениях основная масса деревьев в своем индивидуальном развитии проходит через период угнетения, что сказывается на их росте и биологическом состоянии. В развитии деревьев (возрастных групп) в пределах разновозрастного букового насаждения выделены следующие фазы: подроста (до 50-60 лет), юности (50-120 лет), возмужания (100-180 лет), физической спелости (180-240 лет), старения (240 лет и старше).

Сроки сезонного развития бука зависят от высоты над уровнем моря и индивидуальных особенностей растений. Основными факторами, определяющими наступление фенофаз и их продолжительность, являются погодные условия (приток солнечной радиации, температуры воздуха и почвы, осадки).

Средняя продолжительность вегетационного периода за период наблюдений составила 205 дней (от 190 до 224 дней). Цветение и плодоношение деревьев связано с их положением в пологе насаждения, оно отсутствует у экземпляров с диаметром до 28 см, не входящими в основной полог насаждения.Плодоношение бука характеризуется крайней неравномерностью во времени и пространстве. Наиболее урожайными за 7-летний период наблюдений был 1967 г (1564 тыс.орешков на I га), а минимальный урожай - в 1968 г ( 52 тыс.шт. на I га).

Буковые леса представляют собой чрезвычайно сложные в структурном отношении насаждения, в которых складываются специфические условия среды, определяющие процессы прорастания семян, сохранность самосева, рост и развитие подроста. Для своего прорастания семена бука требуют высокой влажности почвы. Основная масса всходов появляется при температуре верхних горизонтов почвы около 10-12°.

Появление всходов бука во времени связано с началом ростовых процессов материнского насаждения. Засухи в этот период могут отрицательно сказываться на прорастании семян. Последующая сохранность всходов, по-видимому, не зависит от условий увлажнения. Рост и развитие подроста бука определяется прежде всего световыми условиями. Наилучшие световые условия для подроста создаются в случае, когда полог поступает в течение дня 20-40 кал/см² физиологически активной радиации (ФАР). При суточных величинах ФАР порядка 2-3 кал/см² буковый подрост находится в угнетенном состоянии.

Начало роста бука по диаметру связано с погодными условиями вегетационного периода. В среднем рост начинается в первой декаде мая и заканчивается в первой декаде сентября. Сезонный прирост бука по массе в пределах разновозрастного древостоя отличается значительным варьированием, почти в 2 раза превышая аналогичные показатели в однородных насаждениях. На величину прироста существенное влияние оказывает полнота и соотношение различных возрастных групп, обусловленные особенностями строения конкретных древостоев. Величина прироста стволовой древесины за период наблюдений колебались от 4,03 до 5,81 м³/га (в среднем 4,97 м³/га). Отпад за этот период составил 10,18 м³/га. Превышение в 2 раза отпада древесины над приростом объясняется краткосрочностью наблюдений. Теоретические расчеты показывают, что за 10-20-летний период величины прироста и отпада примерно уравновешены. Таким образом, буковые насаждения являются устойчивыми и им не грозит распад.

Соотношение элементов водного баланса и их режим тесно связаны с радиационным и тепловым балансами, поскольку первый представляет собой баланс вещества, а последние - энергетический баланс. Насаждения целиком участвуют в поглощении и излучении падающей на них прямой и рассеянной радиации. Географическое положение стационара определяет довольно значительную суммарную радиацию, приходящую к верхней кромке полога (в среднем 151 ккал/см² в год). Основная часть её (113,3 ккал/см²) приходится на период вегетации (апрель - октябрь). Величина радиационного баланса верхней кромки полога составляет в среднем 83,2 ккал/см² за год ( 55,0 % суммарной радиации), а за вегетацию - 71,6 ккал/см² (63,2 % суммарной радиации за это же время).

Несмотря на довольно значительный приток солнечной радиации на верхнюю кромку полога, под кроны попадает всего 21,0 ккал/см² за год, из них 8,9 ккал/см² - за вегетацию. Средняя проницаемость полога древостоя в холодное время года составляет 34 %, а в вегетацию - 8,6 %. Из этого следует, что радиационный баланс крон деревьев намного больше радиационного баланса поверхности почвы в лесу - в 7,2 раза за год, и в 13,2 - за вегетацию.

Под пологом разновозрастных буковых насаждений формируются чрезвычайно разнообразные световые режимы, определяемые прежде всего процессами их роста и развития. Важную роль в развитии нижних ярусов растительности по световым условиям выполняют "окна" в пологе древостоя, образующиеся в результате естественного отпада перестойных экземпляров бука.

Тепловой режим почв под пологом леса характеризуется положительными величинами температур и довольно плавным их изменением в течение года. Наибольшим температурным воздействиям подвергается верхний 10-см слой, где отмечены максимальные вертикальные температурные градиенты. Средняя годовая температура поверхности почвы в лесу близка к среднегодовой температуре воздуха (9,5-9,8⁰С . Большое влияние на температурный режим летом и осенью оказывают осадки. Они выравнивают температуру по глубине за счет повышения коэффициентов теплопроводности и переноса тепла гравитационной влагой. Максимальный теплопоток в почву отмечается ранней весной.

Тепловой баланс поверхности почвы под пологом буковых насаждений характеризуется очень малой приходной и расходной статьями. Наибольший приток тепла и почва наблюдается в начале и конце вегетационного периода, что обусловлено проницаемостью полога. Из поступающего за вегетацию тепла под полог леса (4,78-6,10 ккал/см²) затраты на испарение с почвы составляют основную часть (4,73-5,64 ккал/см²). Значительно меньшую долю имеет теплопоток в почву (0,14-0,35 ккал/см²). Нагревание приземного слоя воздуха в лесу происходит в основном за счет турбулентного теплообмена с кроновым пространством.

Особенности радиационного и теплового балансов под пологом буковых насаждений определяют их микроклимат. Полог леса оказывает сглаживающее влияние на температурный режим и наиболее значительно выравнивает суточный ход температуры (зимой на 10-23%, летом - на 32 - 44 %). Относительная влажность воздуха в зимний период на открытом месте выше на 4-10 %, чем под пологом; летом -наоборот, ниже на 3-9 %.

Градиентные наблюдения за температурой и влажностью воздуха в пологе насаждения показали, что температура убывает от верхнего полога насаждения к почве. Наибольшие температурные градиенты наблюдаются в нижнем полуметровом слое. В отличие от температуры, влажность с высотой убывает, причём наиболее интенсивно - также в припочвенном слое.

Водный баланс территории определяется режимом и общим количеством выпадающих осадков. Годовые суммы осадков за период наблюдений колебались в пределах 1626-2051 мм, а за вегетацию -757-1232 мм. Число дождливых дней за вегетационный период составило 68-93. Многолетними измерениями установлено, что для холодного времени года (ноябрь – март) характерны частые осадки с малыми интенсивностями (до 0,02-0,08 мм/мин) и значительной продолжительностью (5-9 часов и больше). В теплое время года (апрель-октябрь) осадки реже почти в полтора раза, но зато они значительно больше по интенсивности (до 2,0 мм/мин) и величине (до 86,2 мм). Основная часть сильных ливней приходится на лето.

Распределение осадков внутри года неравномерное – от 28 до 380 мм за месяц. В зимний период их выпадает в 1,5-2 раза больше. Максимальная интенсивность ливней 1,96 мм/мин, наибольшие из зарегистрированных количеств осадков за ливень - 120 мм.

Лесной полог трансформирует осадки во времени и по площади. Благодаря явлению перехвата в лесу наблюдается поле осадков, в котором их слои подчиняются закону нормального статистического распределения. Общий перехват всем насаждением увеличивается с ростом количества осадков за дождь. За 5-летний период наблюдений перехват изменялся в пределах от 106 до 135 мм за вегетацию (в среднем 12,5 % от выпавших осадков). Сток по стволам деревьев за сезон составил в среднем 4,5 %.

Водный режим бурых лесных почв относится к промывному типу. Изменение влажности бурых лесных почв под сомкнутыми насаждениями во времени и пространстве подчиняется закону нормального статистического распределения. Наибольшей изменчивостью запасов влаги (C_v) характеризуется горизонт А. Максимальные влагозапасы в метровом слое почвы (в среднем 470 мм) отмечены в начале вегетационного периода, а минимум (348 мм) приурочен к середине или концу лета.

Интенсивность испарения с почвы под пологом леса зависит от полноты насаждений и экспозиции склона. Максимум испарения наблюдается в весенние месяцы. Летом оно значительно колеблется в зависимости от метеорологических условий. В целом за вегетацию испарение с почвы под пологом букового древостоя невелико (79-114 мм). Испарение с почвы на открытом месте в 1,66-2,71 раза больше, чем в лесу.

Режим транспирации буковых древостоев в течение вегетационного периода следует ходу суммарной солнечной радиации, приходящей на верхнюю кромку полога. Минимальные месячные суммы отмечаются весной и осенью, максимумы - в июле и августе (до 97 мм за месяц). За отдельные вегетационные периоды транспирация колебалась от 328 до 447 мм. Тепловой баланс полога древостоя почти наполовину затрачивается на суммарное испарение, в котором на транспирацию приходится основная доля (80 %).

Средние годовые коэффициенты стока на ручьях стационара изменяются в зависимости от площади водосбора от 0,008 (при площади 5,7 га) до 0,64-0,80 (19,9 га), что определяется степенью дренирования руслом водоносных пластов, т.е. глубиной вреза ручьев. Коэффициенты склонового стока зависят от проницаемости почво-подстилающих пород, а также крутизны склонов. Соотношение различных видов стока на стационаре "Аибга" следующее: поверхностный сток составляет около 0,2 % от общего, дренажный - 4,3 %, грунтовый - 95,5 %. Средняя интенсивность инфильтрации в подпочву достигает 0,7 мм/мин.

Основная часть водного баланса склонов, занятых буковыми насаждениями за теплый период приходится на инфильтрацию (43,8 - 53,6 %) и суммарное испарение (44,6-54,7%). При этом в многоводные годы инфильтрация несколько превышает суммарное испарение, а в маловодные - наблюдается обратное соотношение. Склоновый сток в водном балансе занимает последнее место (1,4 - 2,3 %).

Изучение биологии разновозрастных буковых насаждений, их теплового и водного режимов показало, что эти насаждения являются устойчивыми и наиболее продуктивно аккумулируют факторы внешней среды. Они в максимальной степени выполняют водорегулирующую, противоэрозионную и климаторегулирующую роль в условиях зоны избыточного увлажнения Черноморского побережья Кавказа.