2020-08-05
202
Введение
Потери дождевых осадков на кронах лиственных пород являются одной из составных частей расходной части водного баланса лесных территорий, и наряду с потерями на испарение с площади листовой поверхности, определяют количество влаги, поступающей под полог лиственных древостоев, характер увлажнения грунтов и расчетные характеристики паводочного стока малых водосборов лесопокрытых территорий. В то же время, единых методов оценки предельной емкости перехвата осадков лиственными породами не существует. Опубликованные результаты эмпирических исследований выражают величину предельной емкости удержания в зависимости от массы листьев, что затрудняет использование этих результатов в расчетах элементов водного баланса лесных участков. По мнению авторов, как перехват дождевых осадков, так и их испарение физически осуществляется поверхностью листовых пластин, и корректные оценки емкости удержания можно установить на основе связей только с площадью листовой поверхности древостоев.
|
|
|
Первые известные исследования потерь осадков единичных ливней на кронах древостоев выполнены в США (Р.Э. Хортон) и Швейцарии (Д. Буглер) в конце XIX – начале XX вв. Исследования опирались на материалы параллельных наблюдений по полевым осадкомерам, установленным одновременно под средней частью крон отдельных лиственных пород и на открытых участках. В лаборатории Хортона в 1917-19 гг. определены величины максимального водоужержания на кронах 12 видов лиственных пород (клен, вяз, ива, ясень, бук, американская липа, дуб, тсуга канадская, сосна, гикори, конский каштан, яблоня), изменяющиеся от 0,5 до 2,9 мм в расчете на проекционную площадь крон. Установлено, что в первые минуты дождя на кронах удерживается от 70 до 100% выпадающих осадков (т.е. доля просочившихся осадков с момента начала дождя до момента полного водонасыщения крон деревьев составляет 25-30%). Общая модель Хортона определяет величину перехвата как разницу между осадками, просочившимися под полог леса, и влагу, удержанную на кронах и затраченную на испарение с листовой поверхности; после заполнения емкости кроны, удерживаемые осадки расходуются только на испарение, которое, в свою очередь, увеличивается с ростом скорости ветра.
На сегодняшний день известно несколько моделей водоудержания дождевых осадков на кронах древостоев за время дождя (за вычетом стволового потока воды, составляющего не более 10% суммарного перехвата). Наиболее распространены среди них модели Хортона, Мерриана, Джексона, Гэша, Фан.
Помимо описанных выше авторов, вклад в моделирование процессов перехвата осадков кронами деревьев внесли Зинке (1967), Руттер (1971) и ряд других. Современные исследователи предпринимают попытки разработки новых моделей перехвата, однако зачастую это модификации параметров моделей Гэша и Руттера (Muzylo, A., P).
|
|
|
Особенностью всех моделей является то, что они опираются на материалы эмпирических наблюдений над дождевыми осадками под кронами, а не на результаты физического моделирования по удержанию влаги на листовых пластинах. При этом сами измерения под кронами всегда следует считать условными, поскольку точка установки осадкомера под разными частями крон всегда выбирается субъективно.
Важнейшим параметром, входящим в каждую из описываемых моделей, является величина максимального удержания кронами отдельных пород древостоя (в единицах массы воды на общей площади листовой поверхности или в величинах слоя воды в расчете на проекционную площадь дерева). В всех описываемых моделях эта величина определяется как максимальное значение на основе параллельных наблюдений за осадками под кронами деревьев определенных пород и на открытых пространствах и не зависит от площади листовой поверхности. В модели Гэша, Зинке и Руттера эта величина определяется как точка перелома зависимости наблюденных сумм осадков под пологом леса и на безлесных пространствах и также не связана с характеристиками древостоев. По данным Зинке, максимальный слой удерждиваемой влаги отдельного ливня может достигать 9 мм для хвойных древостоев. По данным Thomas G., емкость удержания влаги американским кленом и желтой березой составляет 1,3-1,5 мм. Если в известных моделях величина предельного удержания влаги на кронах не зависит от бонитета лесов и степени развитости кроны, то в работе Thomas, Shannon M.A предпринята попытка установить зависимости между слоем удерживаемой кроной влаги (в пересчете на проекционную площадь) и площадью листовой поверхности (LA) анализируемой породы. Различия в потерях при перехвате осадков между Populus tremuloides (осина), Picea engelmannii (Engelmann ель) и Pinus ponderosa (сосна ponderosa), показали, что хвойные породы (ель и сосна) имеют большую величину водоудержания (12-14 мм) по сравнению с осиной (4 мм) в пересчете на проекционную площадь единичного дерева. По данным исследований установлено, что большая плотность насаждения соответствуют меньшим величинам перехвата осадков. Это может быть связано с рядом причин, в том числе с меньшей развитостью крон (меньшей площадью листовой поверхности), отсутствием «косых» дождей и неполным смачиванием крон, меньшей скоростью ветра, препятствующей промачиванию крон внутрь.
Исследования физических особенностей процесса удержания влаги на листьях и хвое относятся к концу XX в. Способ удержания влаги, зависящий от степени смачивания поверхности листьев или хвои, а также угла их наклона к горизонтальной поверхности, был описан Holder 2007. Холдер пришел к выводу, что дождевая вода удерживается в капельном виде и степень гидрофобности поверхности листа определяется краевыми углами отдельных капель. Если ранние исследования величин перехвата осадков имели своей целью установить общие закономерности удержания воды на кронах и ее последующего испарения, то современные исследования чаще направлены на изучение величин поступления осадков под полог городских лесов (Sanders (1986)). Установлдено, что городские леса перехватывают от 10 до 20 % сумм осадков за отдельные ливни. Современные исследования все чаще оперируют нахождением зависимостей между величиной перехвата осадков и площадью листовой поверхности для отдельных пород деревьев(Peng et al. (2009).
Ни одна из моделей не позволяет определить величину предельного удержания влаги на кронах на основе физического моделирования. В настоящем исследовании авторами проведен комплекс экспериментальных работ по искуственному созданию капель на листовых пластинах отдельных ветвей, определению максимальной массы удерживаемой воды и подсчету площади листовой поверхности анализируемых образцов, определению предельных размеров капель и их краевых углов и определению эмпирических зависимостей между площадью листовой поверхности отдельных пород и максимальной массой удерживаемой воды.
|
|
|
Субботин (1981), проводивший искусственное дождевание отдельных видов лиственных растений и их частей, сделал вывод, что листья морщинистые или покрытые волосками перехватывают существенно больше влаги, чем листья, имеющие гладкую поверхность либо покрытые восковым налетом. Так, 1 кг листьев черемухи, березы и осины задерживает 0.70-0.98 кг воды, листья бузины – 0.4-0.5 кг, а листья травянистых растений – не более 0.3-0.4 кг воды на 1 кг массы. Данные величины привязаны к массе листьев и достаточно условно отражают связи массы удерживаемой влаги с фактической площадью смачиваемой поверхности. Ориентировочно, приводимая А.И. Субботиным масса удержания соответствует 1.5-2.0 мм слоя осадков для черемухи, березы и осины.
Осадки не только перехватываются кронами деревьев, но и расходуются на смачивание древесины. По экспериментальным данным В.И. Лохова единица поверхности ствола задерживает в 3-5 раз больше влаги, чем равновеликая поверхность листьев. Однако основная часть полога лесных фитоценозов представлена ассимиляционным аппаратом (листья, хвоя), поверхность которого в 10-15 раз и более превышает площадь, занимаемую самим фитоценозом; поэтому доля перехвата стволом незначительна. По исследованиям Рахманова (1981), расход осадков на разовое увлажнение полога (емкостью задержания) для лиственных пород (бук, береза, осина) составляет 1-3 мм; в отдельных случаях – до 4-5 мм в лиственных насаждениях. Травянистые фитоценозы характеризуются заметно меньшей емкостью задержания. К примеру, на разовое смачивание травянистой массы высокопродуктивного луга, поверхность листьев которого в 22 раза превышала занимаемую им площадь, расходовалось только 0.68 мм влаги.
|
|
|
Несмотря на то, что емкость удержания дождевых осадков в общих чертах описана для отдельных пород деревьев, на сегодняшний день не существует оценок для целого ряда древесных пород определенных природных зон, в том числе для лесов Среднего Урала. Это обстоятельство затрудняет выполнение адекватных оценок элементов водного баланса лесных водосборов.
Целью настоящего исследования является оценка предельной емкости удержания воды на кронах лиственных древостоев и оценка связи максимального объема перехватываемых кронами дождевых осадков с площадью листовой поверхности и другими лесотаксационными характеристиками древостоев.
В настоящем исследовании авторами выполнены эмпирические оценки предельной емкости удержания влаги лиственными породами в расчете на единицу площади листовой поверхности, и приведен вариант интерпретации полученных результатов в расчетах предельной массы удержания влаги единичным деревом и слоя осадков под кронами изучаемых пород.
Материалы и методы
Исследования проводились на территории комплексного ландшафтного заказника «Предуралье», расположенного на границе Кишертского и Кунгурского районов Пермского края, на территории которого расположена учебно-научная база Пермского государственного национального исследовательского университета. Данный заказник в ботаническом плане впервые описан П.И. Кротовым в 1885 г. Создан в 1943 г. как Кунгурский заповедник; с 1952 г. – комплексный заказник. Растительность заказника относится к подзоне широколиственно-пихтово-еловых лесов, непосредственно примыкающей к подзоне Кунгурской лесостепи. На территории заказника наблюдается сочетание бореально-таежных, неморальных элементов широколиственных лесов, степных, лугово-степных, горностепных, водных и прибрежно-водных комплексов. Всего на территории заказника выделено 16 формаций растительности. В ландшафтно-типологическом отношении территория заказника «Предуралье» объединяет несколько типов местности: пойменный, надпойменно-террасовый, приречный, долинно-балочный и плакорный.
В экспериментальных работах использовано 7 пород лиственных деревьев в период максимального развития зеленой массы (конец июня 2018 г.), произрастающих во всех элементах местности, кроме пойменного и плакорного: вяз, клен, рябина, черемуха, береза, осина, липа; одна хвойная порода – лиственница (для сопоставлений). Отбор веток для проведения дождевания и определения массы влаги весовым способом производился с различных частей крон анализируемых пород деревьев. Использованы деревья возрастом от 40 до 60 лет, высотой от 16 до 20 м, проекционной площадью крон от 20 до 28 м, с каждого из которых отбиралось 10-20 ветвей для произведения экспериментальных работ. Использованы ветви с общей массой от 0.4 до 5.0 кг, отходящие от ствола дерева со всеми отростками.
Для производства измерений анализируемые ветви подвешивались через сконструированный деревянный кронштейн, закрепленный на предметной поверхности весов, на веревках. При этом весы устанавливались на выносном кронштейне, закрепленном на балконе лабораторного корпуса, над землей. При подвешивании анализируемой ветви её расположение подбиралось максимально близким к естественному положению растущей на дереве ветви (рис. 1). Определялась естественная масса ветви в сухую погоду с точностью до 5 г (приборная погрешность используемых весов). После чего производилось искусственное дождевание ветви из лейки до момента стабилизации максимальной массы, которая и фиксировалась в полевом журнале. По разнице масс сухой и смоченной ветви определялась величина максимального количества влаги, удержанной на листьях и ветвях анализируемого образца суммарно.
Рис. 1 Фото эксперимента по искусственному дождеванию и взвешиванию ветвей
С разных частей анализируемой ветви отбиралось 10 листовых пластин для дальнейших статистических подсчетов площадей, масс, длины жил и т.д. Листья укладывались на белую бумагу и сканировались, с целью сохранения первоначальной площади и структуры листа в компьютерном виде, для дальнейших подсчетов. После чего ветвь очищалась от листьев, вручную подсчитывалось их количество, а ветвь взвешивалась вновь. При этом опыты на сухих и смоченных ветвях, очищенных от листьев, показали, что водоудержание на ветвях незначительно и не превышает 5-10% от его общей массы. Непосредственная масса листьев определялась как разность масс ветви с листовыми пластинами и без них.
Несмотря на то что для измерений использованы товарные весы (III класс точности, ОКП 42 7451, ГОСТ 29329-92) с заводской погрешностью измерений +/- 5 г, погрешности измерений массы воды на листьях в момент максимального водоудержания не превышали 11.1% при средней величине 4.3%. Использование данного типа весов предопределено характером проводимых работ, а также большими массами анализируемых образцов ветвей.
Измерения геометрических размеров листовых пластин на ветвях анализируемых пород проводились путем формирования выборок из общей листовой массы анализируемых ветвей. Листовые пластины сканировались, а все измерения проводились средствами компьютерных программ. Для каждого листа в выборке измерялись его площадь, длина жил (основной и второстепенный), после чего рассчитывались статистические параметры выборки. В расчетах использовано среднее значение (норма) (табл. 1).
Таблица 1 Статистические параметры размеров листовых пластин анализируемых лиственных пород и лиственницы
| Наименование породы древостоя | Статистические параметры площади листовой пластины (хвои), см2 | ||
| Норма | Cv | Cs | |
| Береза повислая (Betula pendula) | 17.4 | 0.13 | -0.50 |
| Рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia) | 7.74 | 0.24 | 0.38 |
| Осинаобыкновенная (Populus tremula) | 23.8 | 0.21 | 0.31 |
| Вяз шершавый (Ulmus glabra) | 44.1 | 0.17 | 0.91 |
| Клен платанолистный (Acer Platanoides) | 56.3 | 0.21 | -0.73 |
| Черемуха обыкновенная (Prunus padus) | 22.1 | 0.23 | 1.50 |
| Липа мелколистная (Tilia cordata) | 32.4 | 0.30 | 0.35 |
| Лиственница (Larix) | 0.13 | 0.27 | 0.33 |
Теория
Для расчетов величин перехвата осадков кронами древостоев сегодня в мире используется ряд моделей, имеющих различную точность.
Модель Хортона (1919) определяет величину перехвата осадков как сумму потерь за время выпадения осадков (потерь на наполнение крон) и потери за время после окончания дождя (на испарение). Суммарная величина потерь определяется выражением:
, (1)
где I – потеря при перехвате осадков (мм); t – продолжительность выпадения осадков (мин.); S – максимальная емкость перехвата (мм); E – скорость испарения перехваченной воды (мм/мин.). Модель Хортона предопределила концептуальные пути развития учения о удержании дождевых осадков на кронах древостоев.
В модели Мерриама (Merriam, 1960) используется экспоненциальное уравнение, которое учитывает уменьшение объема перехвата при увеличении количества осадков за счет заполнения предельной емкости крон. Величина потерь определяется выражением:
, (2)
где I – потеря при перехвате осадков (мм); t – продолжительность выпадения осадков (мин.); S – максимальная емкость перехвата (мм); E – скорость испарения перехваченной воды (мм/мин.); P –количество осадков на открытых участках (мм).
Эмпирическая модель Джексона (Джексон, 1975) описывается уравнением вида:
, (3)
где a, b, c – эмпирические коэффициенты, косвенно учитывающие потери на испарение, площадь листовой поверхности пород и характеристики древостоев.
Модель Гэша (Гэш, 1979, 1995) – наиболее широко используемая модель перехвата осадков на сегодняшний день. Основными параметрами модели являются: величина осадков за время от начала дождя на открытой местности (PG, мм) и под пологом древостоев (Pn, мм), предельный запас воды в кронах (S, мм), доля осадков, проникших под полог леса (p), отношение среднего значения скорости испарения к средней интенсивности дождевых осадков (E/R) за расчетный момент времени, точка насыщения крон (Ps, мм). В модели Гэша принимаются следующие допущения: 1) вся крона насыщается единовременно за время ливня; 2) до начала ливня кроны являются сухими. На основе регрессионных зависимостей Pn=f(PG), построенных раздельно для периода выпадения дождевых осадков t1, при котором PG(t1)<PS, и периода t2, при котором PG(t2) превышает величину перехвата осадков кронами PS, определяется искомая величина предельного перехвата осадков кронами PS как точка пересечения указанных регрессионных зависимостей.
До момента насыщения крон соотношение между Pn и PG определяется как:
, (4)
где p – доля осадков, которые проходят через купол до насыщения купола (величина изменяется от 0 в начале выпадения дождя до 0,7-0,8 к моменту полного насыщения крон).
До насыщения предполагается, что перехваченная вода либо остается в кронах в капельном и пленочном виде, либо испаряется. После насыщения, перехваченные осадки будут как проникать под полог леса, так и испаряться. Пропуск осадков под полог леса после насыщения рассчитывается как:
. (5)
Величина предельного удержания влаги на кронах S (предельное насыщение крон) определяется как:
, (6)
где IW – количество осадков, которые испаряются за время смачивания купола:
. (7)
Использование IW может привести к переоценке испарения [22], поскольку предполагает, что крона полностью насыщается за время выпадения ливня. Фактически за время ливня кроны могут насыщаться лишь частично, и величина удерживаемой влаги оказывается меньше величины точки насыщения PS.
Модель Гэша является наиболее распространенной моделью перехвата дождевых осадков, используемой в в Северной Америке [23]. Модель Гэша количественно определяет величину перехвата In для трех фаз дождя: предварительное насыщение, полное насыщение и высушивание лесного полога после прекращения дождя. Полог может удерживать количество воды, равное S. После того, как это величина воды на кронах достигнута, последующие осадки проходят через полог леса в виде капель или теряются на испарение. Модель, однако, ограничена следующими предположениями, изложенными Гашем [3]: 1) ливни представляют собой индивидуальные события, разделенные достаточно длительными бездождными периодами, достаточными, чтобы позволить кронам полностью высохнуть; 2) метеорологические условия постоянны на протяжении ливня; 3) до максимального насыщения крон осадки под полог леса отсутствуют. Очевидно, что предположения 2 и 3 часто нарушаются во время ливня, поскольку метеорологические условия, такие как скорость ветра, интенсивность осадков и дефицит точки росы, могут изменяться, а скорости ветра могут существенно меняться и сотрясать кроны, вызывая падение капель во время смачивания. Тем не менее, модель Гэша оказалась достаточно надежной в прогнозировании потерь при перехвате дождевых осадков [14]. Кроме того, в модели Гэша суммы осадков под пологом леса определяются эмпирически, путем установки осадкомерных приборов под кронами. Это привносит субъективность в результаты измерений, поскольку распределение проникающей под крону влаги весьма изменчиво по мере удаления от ствола дерева и требует применения специализированных интегральных установок взамен точечным измерителям осадков.
Модель Фан (Фан, 2007) описывает перехват осадков (I, мм) за время ливня от нулевого значения до достижения величины предельного водонасыщения крон древостоя (S, мм), зависящего от пород древостоя, площади листовой поверхности, полноты насаждения (Fan SX, 2007). Модель описывается уравнением:
, (8)
где Р – осадки, выпадающие на открытой местности (мм), S – максимальный слой удержания влаги кронами деревьев на единицу площади (мм), β – индивидуальный для участка древостоя эмпирический коэффициент, отражающий однородность площади листовой поверхности отдельных пород, возрастной, породный состав и бонитет участка леса, α –коэффициент полноты древостоя (коэффициент, отражающий отношение проекционной площади крон к площади лесопокрытой территории). Величина предельного водонасыщения крон устанавливается как точка перелома зависимости потерь на перехват кронами от суммы выпадающих осадков за время единичного ливня In=f(P): при сумме осадков P>51,5 мм величина потерь In стабилизируется на уровне 19,4 мм на 1 га площади, покрытой красной китайской сосной. Предельная величина перехвата In соответствует максимальной удерживающей способности крон S. Для каждого вида пород величина S устанавливается индивидуально. Модель Фэн не учитывает потери влаги на испарение с листовой поверхности, в связи с чем величины потерь оказываются завышены на 20-50% по сравнению с наблюденными (Shujun Chen, 2011).
Модели Гэша и Фан следует считать наиболее современными способами расчета перехвата дождевых осадков кронами древостоев. По данным Shujun Chen, 2011, при фактическом перехвате осадков единичного ливня в размере 33,2% от суммы осадков, расчеты по модели Гэша дают величину перехвата на уровне 35,9%, а по модели Фэн – 53,6%.
Как отмечалось выше, во всех моделях величина предельного удержания влаги определяется путем эмпирических наблюдений над дождевыми осадками под кронами древесных пород и на открытых пространствах. Ни одна из моделей не оперирует объективными величинами массы капель на листовых пластинах и площади листовой поверхности, которые удалось получить авторам настоящего исследования путем искусственного дождевания ветвей, их взвешивания и последующего подсчета площадей листьев.
Результаты и обсуждение
На основании опытов установлены зависимости между площадью листовой поверхности анализируемых пород (LA, м2) и максимальной массой водоудержания (рис. 2). Для расчета площади листовой поверхности вручную подсчитывалось количество листьев на анализируемой ветви, после чего формировалась выборка из 50 отдельных листьев с разных частей ветви, для которых рассчитывалась средняя площадь листа в анализируемой выборке (для этого выполнялось масштабное сканирование листьев и подсчет производился в графических программах, с погрешностями не более 2 мм2). Статистическая погрешность определения площади листовой поверхности на ветви при этом не превышала 3%.
Как видно, зависимости характеризуются хорошим качеством (коэффициенты корреляции более 0.9 во всех случаях), и группируются в отдельные пучки (рис. 2). Анализ полученных зависимостей позволил сделать предположение о том, что удельное водоудержание (первый множитель, показывающей массу воды, приводящейся на 1 м2 листовой поверхности) определяется типом жилкования листьев анализируемых пород. Для листьев, имеющих перисто-сетчатое жилкование, удержание больше, чем для перисто-краевого типа жилкования.
Рис. 2 Зависимость максимальной массы удерживаемой вводы (г) от площади листовой поверхности анализируемой породы (LA, м2)
Для подтверждения данного предположения, на листовых пластинах анализируемых выборок средствами компьютерных программ (AutoCAD 2007), выполнены измерения длины жил. Результаты измерений и промежуточных расчетов представлены в табл. 2. На основе сведений о суммарной длине видимых жил и «нормальной» (средней по репрезентативной выборке) площади листа определены средние для выборок величины плотности жил и установлена зависимость между плотностью жил и удельным удержанием влаги для заданной породы. Зависимость (рис. 3) характеризуется хорошим качеством (коэффициент корреляции 0.89). В ходе измерений установлено, что количество мелких жил каждого пера равно количеству перьев на листе. В данную зависимость не вошла осина. Низкие величины удельного водоудержания на листьях осины обыкновенной объясняются не типом жилкования, а тем, что черешки листьев осины сплюснутые с боков в верхней части, длинные, поэтому листья легко колеблются при движении воздуха и капли дождя сбиваются с них при малейших колебаниях листа.
Таблица 2 Количественные характеристики жилкования листьев выборок анализируемых лиственных пород
| Порода | Средняя площадь листа в выборке, см2 | Тип жилкования | Количество основных жил | Количество второстепенных жил | Длина оси, см | Суммарная длина осн. жил (без осевой), см | Средняя длина осн. жилы, см | Суммарная длина второстепенных жил, см | Плотность жил, см/см2 | Плотность жил (с учетом осевой), см/см2 | Площадь пространства между крупными жилами, см2 | Расстояние между жилами, см | Величина удельного водоудержания, г/м2 |
| Береза повислая (Betula pendula) | 19,4 | Перисто-краевое | 12 | 96 | 6,8 | 24,6 | 2,05 | 37,9 | 3,22 | 3,57 | 1,62 | 0,79 | 103 |
| Рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia) | 7,64 | Перисто-сетчатое | 26 | 3 | 6 | 14,0 | 0,54 | 0,82 | 1,94 | 2,72 | 0,29 | 0,55 | 53,0 |
| Осинаобыкновенная (Populus tremula) | 22,8 | Перисто-краевое | 7 | 140 | 5,3 | 16,7 | 2,39 | 95,6 | 4,92 | 5,16 | 3,26 | 1,37 | 27,0 |
| Вяз шершавый (Ulmus glabra) | 58,2 | Перисто-сетчатое | 26 | 500 | 10,3 | 93,7 | 3,60 | 155 | 4,28 | 4,46 | 2,24 | 0,62 | 183 |
| Клен платанолистный (Acer Platanoides) | 53,6 | Пальчато-краевое | 5 | 29 | 6,8 | 23,4 | 4,68 | 33,2 | 1,06 | 1,18 | 10,7 | 2,29 | 93,0 |
| Черемуха обыкновенная (Prunus padus) | 34,5 | Перисто-сетчатое | 26 | 500 | 9,7 | 54,3 | 2,09 | 159 | 6,18 | 6,46 | 1,33 | 0,64 | 200 |
| Липа мелколистная (Tilia cordata) | 37,9 | Перисто-краевое | 10 | 60 | 8,6 | 24,7 | 2,47 | 46,0 | 1,87 | 2,09 | 3,79 | 1,53 | 78,0 |
Рис. 3 Зависимость величины удельного водоудержания на листовой поверхности лиственных пород от плотности жил «нормального» листа в анализируемой выборке
Древесные породы рассматриваемой территории относятся к фенотипу весенне-летне-осенне-зеленых с периодом зимне-весеннего покоя. Вегетация длится с начала лета до осени. На рассматриваемой территории – со второй декады мая до первой декады октября. Максимального развития зеленая масса лиственных древостоев достигает к концу первой декады июля. В этот период площадь листовой поверхности максимальна; этот период соответствует периоду наибольшей частоты дождевых осадков. Оценочные величины зеленой массы и площади листовой поверхности в расчетных зависимостях (Уткин и др. 2008) представлены для периода их максимального развития.
Поскольку при использовании эмпирических результатов, по величинам максимального перехвата дождевых осадков кронами лиственных древостоев, наибольшее значение имеет величина слоя осадков, не поступающая под полог леса по сравнению с открытыми участками, важное значение имеет определение биометрических показателей хвойных древостоев и отдельных деревьев:
- масса листвы на 1 га (F1, т/га);
- площадь листовой поверхности (суммарная площадь односторонней поверхности хвои или листьев) (LA, га);
- количество и средние размеры листьев и хвоинок.
Учитывается класс бонитета лесов, запас стволовой древесины, степень сомкнутости древостоев.
Величины количества фитомассы и запаса стволовой древесины устанавливаются на основании таблиц хода роста, таблиц биологической продуктивности полных древостоев (Швиденко и др. 2008), результатов полевых лесотаксационных обследований, с использованием экспериментальных данных (Уткин и др. 2008) по площадям поверхности лесных растений, а также космических снимков и крупномасштабных карт. Класс бонитета лесов определен на основании полевых исследований (сведений по высоте и возрасту древостоя) по таблицам Орлова.
Индекс листовой поверхности (LAI, га/га) определен с использованием баз данных и эмпирических зависимостей, выявленных Уткиным А.И. и др. (табл. 3), на основе величины фитомассы (F1, т/га) лиственных пород как LAI =f(F1).
Общая площадь листовой поверхности лесопокрытого участка (LA, га) определяется как:
, (9)
где S – площадь участка леса (га), k – полнота насаждения (в долях от единицы).
Используя биометрические показатели лиственных деревьев, для которых проведены экспериментальные работы, а также полученных эмпирических зависимостей, выполнена оценка суммарных величин максимального удержания дождевых осадков на кронах в виде массы удержания (кг) и величины слоя осадков в расчете на проекционную площадь кроны (м2) (табл. 3). Данная интерпретация результатов экспериментальных работ может быть использована при оценке величин потерь дождевых осадков при расчетах паводочного стока малых водосборов лесной зоны генетическими методами.
Таблица 3 Расчетная масса максимально возможного удержания дождевых вод на кронах лесообразующих пород (лиственных II класса бонитета, возраст пород – 40 лет и лиственницы II класса бонитета, возраст пород – 80 лет, сомкнутость древостоя 0,8)
| Порода | F1, т/га (в т.ч. древе- сина кроны) | LAI, м2/м2 | Sпроекц., м2 | LA, м2 | m, кг | h перехвата, мм |
| Береза повислая (Betula pendula) | 19.7 | 29.1 | 28.0 | 815 | 77.4 | 2.8 |
| Осина обыкновенная (Populus tremula) | 15.0 | 19.7 | 25.0 | 494 | 13.3 | 0.5 |
| Вяз шершавый (Ulmus glabra) | 11.7 | 21.4 | 25.0 | 535 | 107 | 4.3 |
| Клен платанолистный (Acer Platanoides) | 29.2 | 19.5 | 28.0 | 546 | 51.9 | 1.9 |
| Липа мелколистная (Tilia cordata) | 11.7 | 21.4 | 25.0 | 535 | 41.8 | 1.7 |
| Лиственница (Larix) | 25.0 | 14.5 | 25 | 361 | 147 | 5.9 |
примечания: оценки выполнены для пород, по которым имеются сведения о зеленой массе, приходящейся на 1 га, и установлены зависимости индекса LIA от величины зеленой массы; по оценкам, выполненным методом Н.И. Казимирова (Горошев Б.И. и др., 1980), величина F1 для березы получена равной 14.5 т/га.
Выводы
На основании серии экспериментов по искусственному дождеванию лиственных пород деревьев установлены предельные величины удельного удержания влаги на листовых пластинах в ходе дождя. Удельная масса удержания в расчете на 1 м2 листовой поверхности определяется характером поверхности листовой пластины и, прежде всего, типом жилкования. Для листьев, имеющих перисто-сетчатое жилкование (вяз, черемуха), удержание в 2-3 раза больше (180-200 г/м2), чем для листьев перисто-краевого типа жилкования (береза, осина; 27-100 г/м2). Общая масса удержания определяется площадью листовой поверхности в момент выпадения дождя, различной для разных пород деревьев, возрастом и высотой древостоев.
В ходе экспериментов площадь листовой поверхности определялась для «нормальной» листовой пластины в репрезентативной выборке (для выборки определялись статистические параметры площади листа: норма, коэффициенты вариации и асимметрии). Количество листьев на опытной ветви определялось путем ручного подсчета. Статистические погрешности определения суммарной площади при этом не превышали 11%. Погрешности определения массы удерживаемой влаги составляли 4.3%. Способы оценки площади листовой поверхности лесообразующих пород достаточно подробно описаны в литературе, что позволяет, используя полученные эмпирические зависимости, рассчитать массу удержания дождя на достаточно крупных участках леса.
Ввиду того что в гидрометеорологии оперируют величинами слоя осадков, для оценки суммарных величин перехвата дождя предельная емкость удержания для лиственных деревьев на территории заказника «Предуралье» пересчитана в величину слоя осадков на проекционную площадь кроны. Для вяза и черемухи получены наибольшие величины перехвата дождя – 3.9-4.3 мм; для липы; клена и березы – 1.7-2.8 мм; для других пород – менее 1 мм.
Полученные величины могут быть использованы при расчете элементов водного баланса участков лиственных и смешанных лесов, максимальных ливневых расходов воды с лесных водосборов. Кроме того, принимая во внимание тот факт, что дождевые осадки, удержанные кронами лиственных пород, расходуются только на испарение, данные зависимости могут быть использованы для оценки месячных сумм жидких осадков в виде поправок к суточным величинам дождевых осадков.
Сопоставление полученных экспериментальных оценок с данными наблюдений под кронами лиственных пород не производилось. По мнению авторов, точечные измерения сумм осадков посредством осадкомеров или плювиографов, установленных под кронами, окажутся малоэффективными ввиду неоднородной плотности листвы в разных участках кроны. Точный учет сумм осадков, поступающих на проекционную площадь кроны, возможен путем суммарного сбора влаги посредством экспериментальных установок, требующих отдельных разработок.
Список литературы
Бабич Н.А., Залывская О.С., Травникова Г.И. Интродуценты в зеленом строительстве северных городов. – Архангельск: Арханг. гос. техн. ун-т, 2008. 144 с.
Горышина Т.К. Экология растений М.: Высшая школа, 1979. 368 с.
Грошев Б.И., Синицын С.Г., Мороз П.И., Сеперович И.П. Лесотаксационный справочник. М.: Лесная промышленность, 1980. 288 с.
Елагин И.Н. Сезонное развитие сосновых лесов. – Новосибирск, 1976. 230 с.
Иваненко Б.И. Фенология древесных и кустарниковых пород. М.: Наука, 1962. 183 с.
Кищенко И.Т., Вантенкова И.В. Сезонный рост лиственных лесообразующих видов в таежной зоне России (на примере Карелии). – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2013. 94 с.
Молчанов А.А., Смирнов В.В. Методика изучения прироста древесных растений. – М.: Наука, 1967. 95 с.
Рахманов В.В. Лесная гидрология: Обзор // Итоги науки и техники. Сер. Лесоведение и лесоводство. М., 1981. 181 с.
Сабинин Д.А. Физиология развития растений. – М., 1963. 196 с.
Субботин А.И. О систематических ошибках измерений и однородности многолетних гидрометеорологических данных // Водные ресурсы. 1981. № 5, с. 20-28.
Тихонов П.Р., Демидова Н.А., Кондратьева Н.Д., Дуркина Т.М. Дендрологический сад Северного научно-исследовательского института лесного хозяйства. – Архангельск, ОАО «ИПП «Правда Севера», 2006. 20 с.
Уткин А.И., Ермолова Л.С., Замолодчиков Д.Г. Конверсионные коэффициенты для определения площади листовой поверхности насаждений основных лесообразующих пород России // Лесоведение. 1997. №3. С. 74-78.
Уткин А.И., Ермолова Л.С., Уткина И.А. Площадь поверхности лесных растений: сущность, параметры, использование. М.: Наука, 2008. 290 с.
Федоров Ал.А., Кирпичников М.Э., Артюшенко З.Т. Атлас по описательной морфологии высших растений. – М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1956. 303 с.
Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г., Нильссон С., Булуй Ю.И. Таблицы и модели хода роста и продуктивности насаждений основных лесообразующих пород Северной Евразии. Нормативно-справочные материалы / Федеральное агентство лесного хозяйства, Междунар. институт прикладного системного анализа. Москва, 2008. 886 с.
Шенников А.П. Введение в геоботанику. – Л.: Изд-во ЛУ им. А.А. Жданова, 1964. 447 с.
R.E. Horton, “Rainfall Interception,” Monthly Weather Review, Vol. 47, No. 9, 1919, pp. 603-623.
Buhler, Dr. A.—Swiss Central Bureau for Forest Research Investigation. Proceedings, vol. 1. Zurich, 1891. (Ger.) Contains detailed results of Adiisbeig and other Swiss stations
J. H. C. Gash, C. R. Lloyd and G. Lachaud, “Estimating Sparse Forest Rainfall Interception with an Analytical Model,” Journal of Hydrology, Vol. 170, No. 1-4, 1995, pp. 79-86. doi:10.1016/0022-1694(95)02697-N
Thomas G. Pypker, Catherine S. Tarasoff, Hong-Suk Koh,. Assessing the Efficacy of Two Indirect Methods for Quantifying Canopy Variables Associated with the Interception Loss of Rainfall in Temperate Hardwood Forests Open Journal of Modern Hydrology, 2012, р.29-40
Thomas, Shannon M.A., (Geography and Environmental Studies) DIFFERENCES IN RAINFALL INTERCEPTION LOSSES FOR THREE TREE SPECIES COMMON TO COLORADO: Populus tremuloides, Picea engelmannii, AND Pinus ponderosa., Colorado College, 2013: р.1-57
[14]
J. H. C. Gash, C. R. Lloyd and G. Lachaud, “Estimating Sparse Forest Rainfall Interception with an Analytical Model,” Journal of Hydrology, Vol. 170, No. 1-4, 1995, pp. 79-86. doi:10.1016/0022-1694(95)02697-N
10
W. Klaassen, F. Bosveld and E. de Water, “Water Storage and Evaporation as Constituents of Rainfall Interception,” Journal of Hydrology, Vol. 212-213, 1998, pp. 36-50. doi:10.1016/S0022-1694(98)00200-5
12
T. E. Link, M. H. Unsworth and D. Marks, “The Dynam-ics of Rainfall Interception by a Seasonal Temperate Rain- forest,” Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 124, No. 3-4, 2004, pp. 171-191. doi:10.1016/j.agrformet.2004.01.010
13
M. Herbst, P. T. W. Rosier, D. D. McNeil, R. J. Harding and D. J. Gowing, “Seasonal Variability of Interception Evaporation from the Canopy of a Mixed Deciduous Forest,” Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 148, No. 11, 2008, pp. 1655-1667. doi:10.1016/j.agrformet.2008.05.011
[22]
T. E. Link, G. N. Flerchinger, M. H. Unsworth and D. Marks, “Simulation of Water and Energy Fluxes in an Old-Growth Seasonal Temperate Rain Forest Using the Simultaneous Heat and Water (SHAW) Model,” Journal of Hydrometeorology, Vol. 5, No. 3, 2004, pp. 443-457. doi:10.1175/1525-7541(2004)005<0443:SOWAEF>2.0.CO;2
Zinke, P.J. (1967). Forest interception studies in the United States. In Sopper, W.E., and
Lull, H.W. (Eds.), Forest Hydrology. Pergamon Press, Oxford, England.
Rutter, A.J., K.A. Kershaw, P.C. Robins, and A.J. Morton. (1971). A predictive model of
rainfall interception in forests, 1. Derivation of the model from observations in a
plantation of Corsican pine. Agricultural Meteorology 9: 367-384.
Muzylo, A., P. Llorens, F. Valente, J.J. Keizer, F. Domingo, and J.H.C. Gash. (2009). A
review of rainfall interception modelling. Journal of Hydrology 370: 191-206.
Holder, C.D. (2007). Leaf water repellency of species in Guatemala and Colorado (USA)
and its significance to forest hydrology studies. Journal of Hydrology 336(1):
147-154.
Holder, C.D. (2013) Effects of leaf hydrophobicity and water droplet retention on canopy
storage capacity. Ecohydrology 6: 483-490.
Sanders, R.A. (1986). Urban Vegetation impacts on the hydrology of Dayton, Ohio.
Urban Ecology 9: 361-376.
Peng, H., Z. Chuanyan, W. Shen, Z. Xu, and Z. Feng. (2000). Modeling canopy
interception of Picea crassifolia forest in Qilian Mountains using Quickbird
satellite data. Geoscience and Remote Sensing (IGARSS) 4: IV-370-IV373.
Shujun Chen,Cungen Chen,Chris B. Zou, Elaine Stebler, Shuoxin Zhang Lin Hou, Dexiang Wang. Application of Gash analytical model and parameterized Fan model to estimate canopy interception of a Chinese red pine forest. Journal of Forest Research Received: 24 September 2011. Article No:364 р. 335-344
Fan SX, Cheng YC, Wang ZF, Bai QJ (2007) New model of forest canopy interception to rainfall on watershed stored-full runoff theory. J Nanjing For Univ (Nat Sci Ed) 31:93–96
