Моделирование влагонасыщения атмосферными осадками корнеобитаемого слоя в сомкнутых насаждениях сосны

Известно [62, 64, 74, 180, 237, 259], что влагонасыщение КС массивных насаждений практически целиком обеспечивают вертикальные атмосферные осадки. Горизонтальные дают 3-9 мм (в расчетах принято 4 мм эффективной влаги за холодный период). Принос со стороны и вынос снега присущ лишь опушкам и не влияет на водный баланс таких насаждений. Поверхностный сток в них либо отсутствует, либо (на бугристых песках) носит характер узколокального перераспределения влаги [84, 148, 180, 254, 305], утилизируемой в пределах элементарного лесного массива, поэтому влагонасыщение (ВРГ) КС в сосняках можно представить в виде уравнения

ВН = Ос- Икр — Ипчв — От, (18)

где Ос - вертикальные осадки, Икр и Ипчв - физическое испарение влаги осадков с крон и с поверхности почвы, От - вертикальный отток влаги за пределы КС (2-метрового слоя).

Годичные запасы почвенной влаги, формирующиеся в насаждениях сосны, определяются в основном колебаниями годовой суммы осадков. Параметры коэффициента ее вариации (С, %) на юге ЕТР (прилож. 4) аппроксимируются линейным уравнением

С = 46,38 - 0,0540с (г=-0,96, Я = 92,1%, Р = 5,5%), (19)

где Ос - норма осадков, мм/год.

В пределах района моделирования вычисленные значения С составляют (по изолиниям осадков) 300 мм/год - около 30%, 400 мм/год - 25, 500 мм/год - 19 и 600 мм/год - 14%.

Испарение с крон осадков вегетационного периода учтено в размере 16-30%, холодного (ноябрь - март) и части теплого - за период до начала и после окончания вегетации - 20-25% [62, 180, 247, 254, 259, 327]. Оно увеличивается пропорционально запасу хвои в насаждениях (в принятом ряду от 7,5 до 25,0 т/га) и влагоудерживающей емкости крон [60] (табл. 2) и определяется с помощью функций:

Фи.к.о.в.г,. = 0,768JVe +11,09 (г = 0,99, R= 98,78%, Р = 0,3%), (20)

Фи._к.о.х._п. = 0,274Хв +18,25 (г = 0,99, R = 98,78%, Р = 0,3%), (21) где Ф_и._к.о.в.п и Ф_м.к.₀._хи - физическое испарение с крон осадков вегетационного и холодного периодов (% от их сумм), Хв - запас сырой хвои в насаждении, т/га.

Таблица 2

Физическое испарение влаги осадков с крон сосновых насаждений на юге ЕТР

Физическое испарение влаги из почвы, покрытой слоем лесной подстилки, в сомкнутых насаждениях мало варьирует и принято в размере 24% от суммы осадков за теплый период [62].

Влагонасыщение КС рассчитано с помощью уравнений:

ВН_Х.п. = Ос_{х п} + Гм — Ф_и.к.о.х.п ~ Гс_о.х.пл (22)

ВНт.п. ~ ОСв.п. ~ Фи.к.о.в.п ~ Фи.п.о.в.п Гс_{о в п}, (23)

где Ос_{х п} - осадки холодного периода (за ноябрь - март + осадки за октябрь и апрель, выпавшие за дни до начала и после окончания вегетационного периода), Ос_вп - осадки вегетационного периода (со среднесуточной температурой воздуха > 5°С), Гм - горизонтальные осадки (4 мм), Гс_охп_ и Гс_овп, - гравитационный (вертикальный) сток влаги за пределы 2-метрового слоя почвогрунта осадков холодного и вегетационного периодов.

Гравитационный сток влаги холодного периода рассчитан по разнице между поступлением ее за этот период и продуктивной влагоемкостью КС (прилож. 5, гр. 7-9), осадков вегетационного периода (прилож. 6, гр. 11-13) - по разнице между поступлением и расходом влаги на транспирацию насаждений в первые два месяца с учетом дефицита насыщения КС в холодный период, а продуктивный расход влаги (см. прилож. 6, гр. 10) определен по коэффициенту транспирационной активности (см. 2.5.4), увеличенному в 1,5 раза (как рекомендовано [237] для влажных лет).

Расчетные данные (см. прилож. 5) свидетельствуют о том, что под сомкнутыми насаждениями сосны с запасом хвои 7,5-15,0 т/га даже на границе сухой степи и полупустыни в наиболее влажные годы осадки холодного периода могут промачивать более чем 2-метровую толщу рыхлых и связных песков и пополнять ГВ. А в районах с годовой нормой осадков 400 мм и более такое явление происходит и в средние по увлажнению годы. То есть облесенные песчаные массивы выполняют влагоконсервирующую функцию практически во всем диапазоне географических условий.

Вероятность сквозного промачивания осадками 2-метрового слоя почвогрунта в июле-сентябре в полнотных насаждениях не велика из-за активной десукции и образования большого дефицита влажности почвы (см. прилож. 6, 7). Тем не менее, во влажные годы на песках и легких супесях оно может происходить уже начиная с северных районов сухой степи [210].

Эффективное влагонасыщение КС определено по произведению запасов продуктивной влаги за гидрологический год (ГГ) (прилож. 8) и коэффициента использования их сосной (К_испвл) в зависимости от характера почвогрунта (определен по функции (12) - прилож. 9.

Все расчеты выполнены для средних, острозасушливых и влажных лет на 95%-ом уровне вероятности выпадения осадков соответствующей величины (т. е. в интервале ±25). Минимальные и максимальные суммы осадков определены по удвоенному коэффициенту вариации (С, %) их годовой нормы.

Регрессионный анализ данных прилож. 9 дал следующие функции расчета эффективного влагонасыщения {Эвн, мм) 2-мет-рового слоя почвогрунта (ризосферы) в сомкнутых насаждениях сосны:

Эвн_мин, = 0,55(9с + 1,22/л - 1,43Хв - 99 {Rm = 0,98, Р = 0,5%), (24)

Эвн_сред. = 0,477Ос + 2,5Гл-2,26Хв +27,1 {Rm = 0,96, Р = 0,4%), (25) Эвн_Л1акс, = 0,39Ос + 4,88/л - 2,9Ав + 129,8 {Rm = 0,91, Р = 0,1%), (26) где Rm - коэффициент множественной корреляции.

Данные прилож. 9 свидетельствует о значительных (часто многократных) географических, эдафических и ценотических различиях в запасе эффективной почвенной влаги в насаждениях сосны на юге Русской равнины и больших колебаниях его по годам. Сильнее всего величина Эвн КС обусловлена годовой нормой осадков (зоной). При этом теснота их связи нарастает от аномально влажных лет (г = 0,657, R = 43,13%) к острозасушливым (г = 0,997, R = 95,5%). В средние годы она оценивается на уровне 80%. Влагоемкость КС увеличивает свое влияние на Эвн в обратном направлении. В годы острых засух оно составляет всего 2-3%, во влажные может увеличиваться до 47, а в средние составляет 13,3%. Это свидетельствует о том, что при малом количестве осадков (в засушливые годы и в засушливых районах) значение почвогрунта (его состава, строения) как фактора лесообра-зования существенно уменьшается.

Рост охвоенности насаждений на 2-7% (в среднем на 5,3%) снижает величину Эвн КС и тем сильнее, чем больше осадков. То есть эффективность изреживания сосняков (рубок ухода) для улучшения доступа влаги в почву будет наименьшей как раз в засушливые годы и в засушливых районах.

Функции (24)-(26) можно использовать для расчета вероятных значений Эвн КС во всем диапазоне условий юга Русской равнины, а (25) и для определения Эвн КС за любой год. Для этого норму осадков следует заменить их фактической суммой за ГГ.