CC BY
25
11. Fridland, V. M. Struktura pochvennogo pokrova [Tekst] / V. M. Fridland. - M.: Izd-vo Mysl', 1972. - 416 s.
12. Scherba, T. Je. Osobennosti mezo- i mikroneodnorodnostej pochvennogo pokrova uchast-ka Privolzhskoj orositel'noj sistemy [Tekst] // Vestnik Moskovskogo un-ta. Ser. 17. Pochvovedenie. -2012. - № 2. - S. 3-6.
E-mail: [email protected]
УДК 631.6.02
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЛОС В ФОРМИРОВАНИИ И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ВОДОСБОРАХ
EFFICIENCY OF PROTECTIVE FOREST BELTS IN FORMATION AND REDISTRIBUTION OF SNOW COVER AT WATERSHEDS
А.И. Узолин1, кандидат сельскохозяйственных наук А.В. Кулик2, кандидат сельскохозяйственных наук
A.I. Uzolin1, A.V. Kulik2
1Клетская научно-исследовательская агролесомелиоративная опытная станция - филиал ФНЦ агроэкологии РАН, ст. Клетская, Волгоградская обл.
2ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград
Scientific-research agroforest melioration experimental station Kletsky -branch of FSBSI «Federal Scientific Center of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Science», Kletskaya, Volgograd area 2Federal Research Centre of Agroecology, amelioration and protective afforestation RAS,
Volgograd
На формирование поверхностного стока талых вод в большей степени влияют глубина промерзания почвы и ее влажность, величина снегозапасов перед снеготаянием. Снижение глубины промерзания возможно путем регулирования отложения снега по поверхности водосбора и его перераспределения в агролесоландшафте. В статье рассмотрены особенности накопления снегозапасов под влиянием трехрядных лесополос продуваемой и плотной конструкций, расположенных на склонах различных экспозиций. Приведена подробная характеристика погодных условий в течение зимы 2017-2018 гг., дан анализ многолетней метельной активности по данным метеостанции г. Серафимовича. Определена эффективность расположения лесополос по отношению к господствующим метельным ветрам. Установлено, что при преобладании метелей северо-северо-западного, юго-западного и восточно-юго-восточного направлений больше снега накопилось под влиянием лесополос, расположенных на северо-восточном склоне. При общем количестве выпавших осадков за зиму 2017-2018 гг. 65,2 мм в виде снега и 45,7 мм дождя средневзвешенные величины количества снегозапасов в агролесоландшафте на этом склоне составили 60,4-71,6 мм. Накопление снега в самих лесонасаждениях улучшает условия местопроизрастания, позволяя сформировать более устойчивые насаждения в засушливом климате, а равномерное распределение снега по поверхности поля обеспечивает постепенное таяние его весной, предотвращая формирование поверхностного стока талых вод и снижая смыв почв.
The freezing depth of the soil and its moisture, the amount of snow reserves before snow-melt, influence the formation of the surface runoff of melted waters. Reducing the freezing depth is possible by regulating the deposition of snow over the watersheds surface and its redistribution in the agro-forest landscape. The features of snow reserves accumulation under the influence of three-row forest belts of blown and dense structures located on the slopes of various exposures are considered in the article. A detailed description of the weather conditions during the winter of 2017-2018 is given, an analysis of long-term blizzard activity according to the meteorological station of Serafimovich is given. The effectiveness of the forest belts location in relation to the pre-
vailing blizzard winds is determined. It was found that with the prevalence of snowstorms in the north-north-west, south-west and east-south-east directions, more snow accumulated under the influence of forest belts located on the northeast slope. At the total of precipitations in the winter of 2017-2018 of 65.2 mm in the form of snow and 45.7 mm of rain, the average weighted quantities of snow stock in the agroforestry landscape on this slope were 60.4-71.6 mm. The accumulation of snow in the forest belts themselves improves the conditions for site growth, allowing the formation of more stable forest planting in arid climates, and the uniform distribution of snow over the field surface provides a gradual melting it in the spring, preventing the formation of a surface meltwater runoff and reducing the washout of soils.
Ключевые слова: метель, снегоперенос, снегоотложение, защитные лесные полосы, роза метельных ветров.
Key words: blizzard, snow transfer, snow deposition, protective forest belts, rose of blizzard winds.
Введение. Наряду с влажностью почвы и величиной снегозапасов перед снеготаянием, глубина промерзания является решающим лимитирующим фактором в образовании стока талых вод и формирования смыва [1]. Чем меньше мощность снежного покрова при устойчивых низких температурах, тем больше вероятность увеличения глубины промерзания. Для предотвращения развития эрозионных процессов необходимо обеспечить равномерное снегоотложение по всей поверхности водосбора. В свою очередь скопление снежных масс в верхней части склона и их отсутствие или небольшое количество в средней его части в период снеготаяния приводят к угрозе смыва почв и потере почвенного плодородия. Ранней весной солнечная радиация и повышение температуры воздуха способствуют таянию снега, который на средней части склона сходит быстрее, где мощность его, как правило, невелика, в верхних горизонтах почвенного покрова влажность увеличивается, а сход снега с водораздела (при формировании ледяного экрана особенно) усиливает поверхностный сток и эрозионные процессы в целом.
Для осуществления прогнозирования формирования поверхностного стока талых вод необходимо знать особенности отложения снега в агролесоландшафте перед снеготаянием. Важная роль при этом принадлежит защитным лесным насаждениям, которые в зависимости от конструкции и расположения на водосборе по-разному влияют на снегонакопление. Целью наших исследований являлось изучение эффективности защитных лесных полос в формировании и распределении снега на склонах в агро-лесоландшафтах.
Материалы и методы. Объектами исследования являлись лесополосы плотной и продуваемой конструкции, расположенные на склонах восточной и северо-восточной экспозиций ООО «Донская Нива» Клетского района Волгоградской области. Породный состав представлен робинией лжеакацией (Robinia pseudoacacia), ясенем зеленым (Fraxinus lanceolata) и смородиной золотистой (Ribes aureum). В конце 2017 г. перед залеганием снежного покрова агрофон на на северо-восточном склоне был представлен стерней подсолнечника, а на восточном - озимой пшеницей.
Для определения эффективности защитных лесных полос в формировании и перераспределении снега по водосбору проанализировали многолетнюю метельную активность на объекте, определили сохранность защитных лесных насаждений, провели снегомерные измерения. Изучение характера метелей, их повторяемости, преобладающих направлений и скоростей ветра проводилось по данным метеостанции г. Серафимовича. Анализ материалов основывался на 16 румбовой розе ветров. Для упрощения статистической обработки метеоинформации ряд ученых рекомендует
ИЗВЕСТИЯ"
№ 2 (50), 2018
уменьшать количество румбов до 8. Основываясь на утверждении И.Г. Гутермана [7] о том, что методика климатической обработки ветров группировкой их по 8 румбам обеспечивает меньшую точность в расчетах, мы опирались на 16 румбов.
А.К. Дюнин отмечает, что при метелях с минимальной скоростью 3 м/с (на уровне флюгера) начинается снегоперенос [8]. Другие авторы [4, 5] определяют значения -4-5 м/с, иногда и более, зависящие от плотности снежного покрова. Если моделировать перенос снежных частиц, то необходимо опираться на минимальное значение скорости метели, чтобы исключить ошибки, так как свежевыпавшие снежинки в морозную погоду при скорости 3 м/с будут переноситься ветром не только по воздуху, но и по поверхности земли [8, 10, 11]. При анализе влияния лесонасаждений на характер снегоотложения на водосборе нами учитывались метели со скоростью ветра 3 и более м/с. На их основе определена вероятность появления метелей разных направлений и построена роза метельных ветров, которая характеризует преобладающее направление снегопереноса.
Для изучения закономерностей отложения снега под защитой лесных полос через поля перпендикулярно лесонасаждениям зимой 2018 г. проведены снегомерные съемки, в результате которых получены данные о характере залегания снежного покрова в поле в верхнем и нижнем шлейфах, а также в самой лесополосе. Мощность снежного покрова определялась снегомерной рейкой в трехкратной повторности: в поле -через каждые 2 м, в шлейфах и в лесной полосе - через 1 м. Плотность снега замерялась снегомером ВС-43 также в трехкратной повторности в поле, в верхнем и нижнем шлейфах, в лесополосе.
Характеристика защитных лесных полос определялась по методикам лесной таксации [9, 3]. Основными таксационными показателями являлись возраст и конструкция лесонасаждений, породный состав, средняя высота и диаметр древостоя.
Результаты и обсуждение. Для определения эффективности снегозадержания защитными лесными насаждениями на склоновых землях в первую очередь необходимо определить правильность расположения лесополос в агроландшафте по направлению к метельным ветрам. Для этого собрали и проанализировали многолетние данные по количеству, скорости и направлению метельных ветров за зимние периоды 2005-2017 гг. Определили вероятность появления метелей со скоростью ветра 3 и более м/с (рисунок 1).
Рисунок 1 - Вероятность появления метелей различных направлений, % (по данным метеостанции г. Серафимовича за 2005-2017 гг.)
На рисунке 1 четко выделяются направления метелей, имеющие наибольшую вероятность. Так, метельные ветры восточного и восточно-юго-восточного направлений появляются с вероятностью 11,7 и 11,7 %, юго-западного - 10,9 %, северосеверо-западного - 9,0 %.
Защитные лесные полосы, расположенные на склоне северо-восточной экспозиции, проложены в направлении северо-запад - юго-восток. По отношению к ним метельные ветры восточно-юго-восточного направления входят в лесополосу под углом 22,5о, восточного - 45о, юго-западного - 90о. Насаждения, расположенные на склоне восточной экспозиции, ориентированы с севера на юг. Восточные метели проходят через них под углом 90о, восточно-юго-восточные - 67,5о, юго-западного - 45о. Согласно теории дальности ветроломного влияния лесополос Е.А. Гаршинева [6], считается допустимым угол отклонения 30-45о от перпендикулярного. Такое расположение по отношению к ветровому потоку можно считать эффективным. Таким образом, лесополосы на северовосточном склоне должны эффективно задерживать снег и накапливать его в поле при метелях восточного и юго-западного направлений, а при восточно-юго-восточных -перераспределять его вдоль лесополосы, что может в свою очередь способствовать сдуванию снежного покрова и оголению поверхности. При снижении температуры воздуха последнее приведет к увеличению глубины промерзания и повышению риска возникновения поверхностного стока талых вод или вымерзанию озимых культур. Лесополосы на склоне восточной экспозиции перераспределяют снег при метелях всех вышеуказанных направлений лучше, потому что ветровые потоки преобладающих направлений проходят через лесополосу не более чем под углом в 45о от перпендикулярного.
Защитные лесные полосы, расположенные на северо-восточном склоне, 44х-летнего возраста, трехрядные. Состоят из двух рядов робинии лжеакации (Robinia pseudoacacia) и одного ряда смородины золотистой (Ribes aureum) (по верхней опушке). Средняя высота насаждения 9 м при среднем диаметре ствола 20-25 см, IV класса бонитета. Лесополосы на восточном склоне представляют собой 35-летние насаждения. Они состоят из двух рядов ясеня зеленого (Fraxinus lanceolata) и одного ряда смородины золотистой (Ribes aureum). Средняя высота деревьев 7 м, средний диаметр ствола 18-20 см, IV класса бонитета. Рассмотренные защитные лесополосы плотной конструкции, продуваемая достигалась вырубкой кустарника.
Для изучения роли защитных лесных полос в накоплении снега в поле и его переотложении по водосбору проведен анализ метеорологических данных характера метелей, снегомерные наблюдения, определена эффективность расположения лесонасаждений на водосборе относительно преобладающих направлений метельных ветров.
Зима 2017-2018 гг. началась поздно и сильно затянулась. Первый снег (8,3 мм) выпал 20 декабря 2017 г. Температура воздуха за это время опускалась не ниже -6 оС. К концу третьей декады декабря отрицательные значения сохранялись, лишь 28-29 числа месяца поднимались до 0 оС. За третью декаду осадков в виде снега выпало 16,9 мм. В начале января было тепло от 0 до -7 оС. До 19 числа выпало 7,5 мм дождя, после чего начался снег, и до конца месяца выпало еще 15,3 мм. При этом температура воздуха с 13 января держалась от -10 до -19 оС. В конце месяца (30 и 31 числа) наблюдалось потепление до 0 оС, а в первой декаде февраля до +2 оС с одновременным выпадением дождя (28,4 мм), а после чего наступило похолодание, при котором к концу месяца температура опускалась до -23 оС. За февраль зафиксировано 13,4 мм осадков в виде снега. Первая декада марта отличалась низкими температурами (до -15 оС) и количеством снега 11,3 мм. 8 марта наблюдалась короткая оттепель до +2 оС с дождем (8,8 мм). Такой характер выпадения осадков и динамика температуры способствовали уплотнению снежного покрова и формированию ледяной корки в лесных полосах.
В целом за зиму 2017-2018 гг. выпало 65,2 мм осадков в виде снега и 45,7 мм дождя. Большое влияние на характер отложения в агролесоландшафте имело преобладающее направление ветра при метелях. За зиму зафиксировано десять метелей, шесть из них северо-западного направления, при которых выпало 30,4 мм снега; при юго-западной - 12,5 мм, восточной - 6,4 мм, западной - 4,4 мм, юго-восточной - 4,3 мм. Отрицательная температура воздуха и устойчивый снежный покров наблюдались до конца марта, а череда оттепелей способствовала уплотнению снега как на полях, так и в лесополосах.
В начале весны (11 марта 2018 г.) для определения характера снегоотложения перед весенним снеготаянием были проложены снегомерные профили через лесополосы. По их результатам установлены величины снегозапасов (таблица 1), так как они являются одним из лимитирующих факторов формирования поверхностного стока талых вод [2].
Таблица 1 - Величины снегозапасов в агролесоландшафтах под влиянием лесополос
плотной и продуваемой конструкций на склонах северо-восточной и восточной _экспозиций, мм_
Элемент агролесоландшафта Экспозиция склона
северо-восточная восточная
лесополоса плотной конструкции лесополоса продуваемой конструкции лесополоса плотной конструкции лесополоса продуваемой конструкции
Поле 58,8 53,3 39,2 35,4
Верхний шлейф 119,5 87,4 98,2 86,5
Лесополоса 111,5 75,3 111,1 91,3
Нижний шлейф 85,5 63,7 75,1 62,8
Средневзвешенное значение снегозапасов в агролесоландшафте 71,6 60,4 64,7 51,7
Максимальное средневзвешенное значение снегозапасов в агроландшафте под воздействием лесополосы плотной конструкции, расположенной на склоне северовосточной экспозиции (71,6 мм). Разница с лесонасаждением такой же конструкции на восточном склоне составляет 6,9 мм. В полевой части различие между ними составляет 19,6 мм, в зоне верхнего шлейфа - 21,3 мм, а нижнего - 10,4 мм, в насаждении - 0,4 мм.
Преобладающее направление метелей зимой 2017-2018 гг. - северо-восточное. При нем расположение на склоне изучаемых лесополос удовлетворяет условиям [6] эффективной дальности их ветроломного влияния, поэтому по отношению к ветровым потокам при метелях лесонасаждения расположены практически в одинаковых условиях. Агрофоном на северо-восточном склоне был подсолнечник. После его уборки (в третьей декаде декабря) на поле осталась стерня высотой до 80 см, которая в свою очередь способствовала накоплению снега в полевой части (58,8 мм). На склоне восточной экспозиции выращивалась озимая пшеница. Ее высота значительно ниже, поэтому величина снегозапасов здесь составила 39,2 мм.
Под влиянием лесополос продуваемой конструкции снега на 8,7 мм больше отложилось на склоне северо-восточной экспозиции. При этом в поле стерня подсолнечника накопила 53,3 мм снега, а озимая пшеница - 35,4 мм. В верхнем шлейфе величина снегозапасов практически одинаковая, но в самой лесной полосе разница составила 16,0 мм. Так, в лесонасаждении на склоне восточной экспозиции снега накопилось больше, что можно объяснить следующим: стерня подсолнечника способствовала его
задержанию, а из-за небольшой высоты озимой пшеницы часть снега сдувалась в лесонасаждение, скорость ветрового потока при прохождении через него снижалась, что способствовало снегоотложению.
Заключение. На эффективность защитных лесных насаждений и перераспределение снега в агролесоландшафте большое влияние оказывает размещение лесополос на водосборе по отношению к господствующим направлениям метелей. При этом необходимо учитывать характер и количество выпадения осадков, периоды оттепелей (в течение которых происходит уплотнение снежного покрова, и он становится менее подвержен переносу), ветровой режим при метелях, параметры лесополос и агрофона. Сложившиеся погодные условия зимы 2017-2018 гг. способствовали большему накоплению снега в агролесоландшафте на склоне северо-восточной экспозиции. Этому также способствовали более эффективное расположение лесополос относительно направления господствующих метелей и агрофон, сформировавшийся к началу зимы. Накопление снега в насаждении является дополнительным источником влаги для деревьев и кустарников.
Библиографический список
1. Барабанов, А.Т. Оценка стокорегулирующей роли противоэрозионных приемов с позиции закона лимитирующих факторов стока талых вод [Текст] / А.Т. Барбанов // Научно-агрономический журнал. - 2017. -Т. 1.- №2-1(101). -С. 10-13.
2. Барабанов, А.Т. Роль стокорегулирующих лесополос в регулировании снегоотложе-ния и промерзания почв в Европейской части РФ [Текст] / А.Т. Барабанов, А.В. Кулик // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2017. - №2(46). - С. 85-90.
3. Бабошко, О.И. Таблицы хода роста робинии лжеакации в смешанных по составу лесонасаждениях Доно-Донецкого лесомелиоративного района [Текст] : рекомендации / О.И. Бабошко, В.В. Танюкевич. - Новочеркасск, 2015. - 16 с.
4. Бычкова, В.И. Краткосрочный численный прогноз метелей [Текст] / В.И. Бычкова, К.Г. Рубинштейн // Труды гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. - 2012. - №347. - С. 126-143.
5. Бычкова, В.И. Численное моделирование возникновения и развития снежной метели при помощи модели WRF-ARW [Текст] / В.И. Бычкова, В.Л. Петров, К.Г. Рубинштейн // Труды Гидрометцентра России. - №353. - С. 46-62.
6. Гаршинев, Е.А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация. Экспериментальная оценка, расчет, проектирование [Текст] / Е.А. Гаршинев. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2002. - 220 с.
7. Гутерман, И.Г. Распределение ветра над северным полушарием [Текст] / И.Г. Гутер-ман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 246 с.
8. Дюнин, А.К. В царстве снега [Текст] / А.К. Дюнин. - М.: Наука, 1983. - 161 с.
9. Мартынов, А.Н. Основы лесного хозяйства и таксация леса [Текст] : учеб. пособие / А Н. Мартынов [и др.]. - СПб.: ООО Изд-во «Лань», 2008. - 327 с.
10. Jeffrey S. Deems. Quantifying scale relationships in snow distributions. - Disserta-tion...Dr.(Phil.). - Colorado: Colorado State University, 2007. - 134 p.
11. Yang J., Yau M.K., Fang X., Pomeroy J.W. A triple-moment blowing snow-atmospheric model and its application in computing the seasonal wintertime snow mass budget / Hydrology and Earth System Sciences. - №14. - 2010. - pp. 1063-1079.
Reference
1. Barabanov, A. T. Ocenka stokoreguliruyuschej roli protivojerozionnyh priemov s pozicii zakona limitiruyuschih faktorov stoka talyh vod [Tekst] / A. T. Barbanov // Nauchno-agronomicheskij zhurnal. - 2017. - T. 1. - №2-1(101). - S. 10-13.
2. Barabanov, A. T. Rol' stokoreguliruyuschih lesopolos v regulirovanii snegootlozheniya i promerzaniya pochv v Evropejskoj chasti RF [Tekst] / A. T. Barabanov, A. V. Kulik // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -2017. - №2(46). - S. 85-90.
3. Baboshko, O. I. Tablicy hoda rosta robinii lzheakacii v smeshannyh po sostavu lesonasa-zhdeniyah Dono-Doneckogo lesomeliorativnogo rajona [Tekst] : rekomendacii / O. I. Baboshko, V. V. Tanyukevich. - Novocherkassk, 2015. - 16 s.
4. Bychkova, V. I. Kratkosrochnyj chislennyj prognoz metelej [Tekst] / V. I. Bychkova, K. G. Rubinshtejn // Trudy gidrometeorologicheskogo nauchno-issledovatel'skogo centra Rossijskoj Fed-eracii. - 2012. - №347. - S. 126-143.
5. Bychkova, V. I. Chislennoe modelirovanie vozniknoveniya i razvitiya snezhnoj meteli pri pomoschi modeli WRF-ARW [Tekst] / V. I. Bychkova, V. L. Petrov, K. G. Rubinshtejn // Trudy Gidrometcentra Rossii. - №353. - S. 46-62.
6. Garshinev, E. A. Jerozionno-gidrologicheskij process i lesomelioraciya. Jeksperimental'naya ocenka, raschet, proektirovanie [Tekst] / E. A. Garshinev. - Volgograd: VNIALMI, 2002. - 220 s.
7. Guterman, I. G. Raspredelenie vetra nad severnym polushariem [Tekst] / I. G. Guterman. -L.: Gidrometeoizdat, 1965. - 246 s.
8. Dyunin, A. K. V carstve snega [Tekst] / A. K. Dyunin. - M.: Nauka, 1983. - 161 s.
9. Martynov, A. N. Osnovy lesnogo hozyajstva i taksaciya lesa [Tekst] : ucheb. posobie / A. N. Martynov [i dr.]. - SPb.: OOO Izd-vo "Lan"', 2008. - 327 s.
10. Jeffrey S. Deems. Quantifying scale relationships in snow distributions. - Disserta-tion...Dr.(Phil.). - Colorado: Colorado State University, 2007. - 134 p.
11. Yang J., Yau M.K., Fang X., Pomeroy J.W. A triple-moment blowing snow-atmospheric model and its application in computing the seasonal wintertime snow mass budget / Hydrology and Earth System Sciences. - №14. - 2010. - P. 1063-1079.
E-mail: [email protected]
УДК 519.237.8
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ОЦЕНОК СОСТОЯНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЛОС
RECOGNITION METHOD FOR CALCULATION OF EVALUATIONS THE STATE OF SHELTERBELTS
К.А. Олейникова, аспирант X.A. Oleynikova
ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград
Federal research centre of agroecology, comlex melioration and protective afforestation RAS,
Volgograd
Рассмотрена возможность применения метода распознавания образов, в частности алгоритма распознавания, основанного на вычислении оценок для определения состояния полезащитных лесных полос. В качестве объекта исследования выбраны полезащитные лесные полосы Михайловского района Волгоградской области. Для определения таксационных характеристик методом круговых реласкопических площадок заложены пять пробных площадей для ясеня зеленого и дуба черешчатого. Натурные измерения проводились согласно лесоустроительной инструкции. По полученным таксационным характеристикам лесных полос была сформирована матрица наблюдений. В качестве признаков были взяты средняя высота, средний диаметр, полнота, бонитет, запас, категории состояния насаждений. Однако количество показателей, характеризующих состояние данного объекта исследования, не является определяющим и может меняться. Значения признаков в матрице были стандартизированы для определения эталонного образа и интегрального показателя уровня развития (di) полезащитных полос. В результате были получены средние значения интегрального показателя уровня развития ясеня зеленого и дуба черешчатого. Применение интегрального показателя уровня развития при моделировании прогноза состояния полезащитных лесных полос позволит объективно оценивать состояние и продуктивность древесных пород в различных агроэкосистемах, в том числе с учетом временных факторов.
