CC BY
27
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 502.057: 004.67
ЗАВИСИМОСТЬ ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСОВ
ОТ ЗАПАСА СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ЛЕСНЫХ УЧАСТКАХ
УФИМСКОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
И. К. Хабиров, д-р биол. наук, профессор; Р. Ф. Мустафин, канд. с.-х. наук; А. М. Искандарова; А. Р. Раянова, аспирант,
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», ул. 50-летия Октября, 34, г. Уфа, Россия, 450001 E-mail: [email protected]. mustafin- [email protected]
Аннотация. В условиях Уфимского района Республики Башкортостан были проведены работы по исследованию запасов снежного покрова на лесных участках. В ходе исследований была выполнена снегомерная съемка, полученные данные обработаны в геоинформационных системах. Наблюдения за показателями высоты снежного покрова на лесных участках представлены за 2015-2016 года с октября по апрель. Определена высота, плотность и структура снежного покрова. По полученным данным определен запас воды, содержащийся в снежном покрове, за каждый исследуемый месяц. Составлена сводная таблица по результатам полевых и камеральных работ. С использованием ГИС-технологии произведена оцифровка топографической карты ландшафтов лесных участков и близлежащей территории, затем на нее нанесены результаты исследований. Установлено, что продуктивность лесов зависит от запасов снежного покрова, выявлено усиленное произрастание сосновых насаждений. Авиационная гамма-съемка и применение геоинформационных технологий имеют важное значение в определении снегонакопления и почвенной влаги на лесных участках.
Ключевые слова: лесные участки, лес, запас снежного покрова, запасы воды, полевые работы, камеральные работы, ГИС-технологии, Уфимский район.
Введение. Одной из важнейших характеристик ландшафта лесных территорий в зимний период являются такие характеристики снегового покрова, как его мощность и плотность. По мнению А.А. Молчанова [1], основным ключевым фактором являются исследования запасов снега на сток, а также накопления запасов внутрипочвенной влаги в зависимости от состава насаждений различной плотности. Отмечается определенная зависимость данных показателей от глубины промерзания грунта и запаса содержащейся в снегу влаги. Для более детального исследования снегового запаса большие возможности могут предоставить геоинформационные технологии. Так, исследования, проведенные с помощью авиационной гамма-съемки в Республике Башкортостан в 2016 и 2017 годах, позволили оценить точную толщину снежного покрова в труднодоступных и горных районах. Методика позволила в кратчайшие сроки произвести обработку данных снегомерной съемки и получить более точные результаты. Следовательно, использование геоинформационных технологий
в исследовании снегового запаса лесных территорий является актуальным.
В качестве объекта исследования были выбраны различные ландшафты лесных участков территории Республики Башкортостан, характеризующиеся разным уровнем снежного покрова.
Целью исследования было выявление закономерностей формирования снежного покрова и определение запасов снега на лесных территориях Уфимского района Республики Башкортостан с использованием геоинформационной съемки.
Методика. В 2016 году в Республике Башкортостан, во время подготовки к весеннему половодью, была проведена авиационная гамма-съемка для наиболее точного прогнозирования прохождения половодья, получения данных о запасах воды, а также для наиболее эффективного проведения работ по регулированию стока рек бассейна р. Белая гидротехническими сооружениями [2, 3, 4]. Водосборную площадь р. Белая поделили на 4 кольца облёта общей протяженностью 2200 км.
Маршрут охватил водосборные площади реки Уфа (от истока до створа Павловского гидроузла), реки Нугуш (от истока до створа Нугушского гидроузла), рек Сим и Инзер, а также реки Белая (от истока до створа Юмагу-зинского гидроузла). Маршруты облёта были сформированы таким образом, чтобы охватить горно-лесные зоны республики, где формируются основные запасы воды в снеге, и количество гидрологических створов Башгидромета является недостаточным.
Наблюдения за снежным покровом состояли из ежедневных проверок изменения (динамики) снежного покрова и периодических снегосъемок для определения снегонакопления и запаса воды на элементах природного ландшафта (поле, лес, балки, овраги).
При ежедневных наблюдениях за снежным покровом определялись:
- степень обеспечения окрестности станции снежным покровом;
- характер залегания снежного покрова на местности;
- структура снега;
- высота снежного покрова на метеорологической площадке или на выбранном участке вблизи станции.
При снегосъемках на каждом выбранном маршруте определялись:
- высота снежного покрова (средняя из установленного числа измерений);
- плотность снега (средняя из установленного числа измерений);
- структура снежного покрова (наличие прослоек льда, воды и снега, насыщенного водой);
- характер залегания снежного покрова на маршруте;
- степень покрытия снегом маршрута;
- состояние поверхности почвы под снегом (мерзлая, талая).
Определение основных характеристик снежного покрова на элементах ландшафта производилась на выбранных и закрепленных на местности снегомерных маршрутах [4]. Маршруты составлялись характерными для
окружающей местности, в нашем случае маршруты соответствовали условиям формирования снежного покрова леса.
В лесных районах и в местности с ровным рельефом, на небольших полях, располагающихся среди лесов, выбирали полевой маршрут длиной 1000 м. Лесной маршрут прокладывали по наиболее характерным для данного района участкам леса в виде прямой длиной 500 м. Если в лесу преобладали хвойные породы деревьев, то маршрут проходил среди хвойных деревьев; если преобладали лиственные породы - среди лиственных. Начало лесного маршрута выбирали не ближе чем в 100 м от края леса. При малых размерах лесного участка прокладывали две линии общей протяженностью 500 м; первая начиналась на расстоянии 100 м от края леса, а вторая - параллельно первой на расстоянии 25-50 м от нее вглубь леса.
Измерение толщины снега в труднодоступных местах в снегомерных постах вручную на метеостанциях Башгидромета не позволяли определить в точности запасы снегового покрова, погрешности составляли от 0,22 м до 0,31 м. Авиационная гамма-съемка определила точную толщину снежного покрова в ровных рельефах местности, а также в труднодоступных горных районах. Применение гамма-съемки позволило в точности до мм определить толщину слоя снега. Обработка материалов программным продуктом Мар1п£э 10.5 позволила убедиться в полной достоверности результатов определения плотности снегового покрова, запасов воды [5].
Результаты. Нами установлено, что сезонные осадки в городе Уфе за 10 лет составляют 517 мм, из них весной - 18,4%, летом -33,6%, осенью - 28,0%, зимой 20,0%. За период с 1 сентября 2015 года по 30 апреля 2016 года было проведено 176 наблюдений за высотой снежного покрова. Средняя высота составила 21,8 см, а максимальная высота - 46 см (данный показатель был 04.03.16). Изменение высоты снежного покрова лесных участков с октября по апрель представлено в таблице 1.
Таблица 1
Высота снежного покрова на лесных территориях за период с 1.10.15 г. по 12.04.16 г. в г. Уфа
Месяц Ср. знач. снежного покрова, см Макс. знач. снежного покрова, см Количество наблюдений снежного покрова
Октябрь 1,7 3 9
Ноябрь 3,8 9 28
Декабрь 10,3 21 32
Январь 29,9 39 32
Февраль 41,9 45 29
Март 34,4 46 32
Апрель 2,9 13 10
В результате анализа зависимости продуктивности лесов от запасов снежного покрова можно отметить усиленное произрастание сосновых насаждений. Наименьшие накопление запасов снега наблюдается на местности с ровным рельефом. С повышением температуры атмосферного воздуха (средняя -1,1 до 4,9 0С), которая наступает ранее, чем в горной местности, происходит увеличение плотности снегового покрова [6].
Общий запас сосновых насаждений составляет более 3,2 млн. м3, в том числе в смешанных лесах - 1,2 млн.м3. Наиболее продуктивными являются горная местность либо возвышенности, на которых сосредоточено 746 тыс. м3 сосновой древесины. Это объясняется тем, что на высотах снеговые запасы значительнее и более благоприятные условия произрастания. Все это позволяет сделать вывод о том, что в низинах, в поймах рек, в местах с высоким уровнем грунтовых вод, на высоте менее 200 м сосновые насаждения характеризуются высокой продуктивностью.
Наиболее продуктивными являются западные и юго-восточные склоны, что объясняется более подходящими условиями для роста древостоев: более теплыми, чем северные и северо-восточные; более увлажненными, чем южные направления ландшафтов [7, 8].
Мы не проводили измерения по определению массы и объема снега, а изучили, ка-
кую плотность мог бы иметь снег в зависимости от температуры атмосферного воздуха [9, 10]. Пушистый легкий снег, выпавший в относительно морозную погоду, с температурой воздуха около -10C, имеет плотность порядка 100 кг/м3. В последней декаде осени и в начале зимы удельный вес снега, лежащего на горизонтальных и слабо наклонных поверхностях, обычно составляет 160±40 кг/м3. В моменты продолжительных оттепелей удельный вес снега существенно начинает расти (снег «садится», как весной), достигая иногда значений в 700 кг/м3. Именно поэтому в более теплых районах плотность снега всегда больше, чем в холодных северных местностях. К середине зимы снег уплотняется под действием солнца, ветра и от давления верхних слоев сугробов на нижние слои. Удельный вес становится равным 280±70 кг/м3. К концу зимы, под действием более интенсивного солнца и февральских ветров, плотность снежного наста может стать равной 400±100 кг/м3, иногда достигая 600 кг/м3. Весной, перед обильным таянием удельный вес «мокрого» снега может быть 750±100 кг/м3, приближаясь к плотности льда — 917 кг/м3 [11].
Согласно нашим исследованиям, вес снегового покрова в г. Уфе в среднем составляет около 500 кг/м3. Результаты исследования приведены в таблице 2.
Таблица 2
Плотность снегового покрова на территории лесных участков, зависимая от усредненной температуры атмосферного воздуха
Месяц Температура атмосферного воздуха, °С Плотность снегового покрова, кг/м3
Октябрь -2,2 160
Ноябрь -2,6 170
Декабрь -5,5 200
Январь -11,7 280
Февраль -4,6 400
Март -1,1 750
Апрель до 12.04 +4,9 900
Результаты расчета запаса воды, содержащейся в снежном покрове за каждый исследуемый месяц, представлены в таблице 3.
Таблица 3
Сводные результаты полевых и камеральных работ по исследованию снежного покрова _на территории лесных участков_
Месяц Температура атмосферного воздуха, °С Среднее значение снежного покрова, см Плотность снегового покрова, кг/м3 Запасы воды, кг/м3
Октябрь -2,2 1,7 160 17
Ноябрь -2,6 3,8 170 64,6
Декабрь -5,5 10,3 200 206
Январь -11,7 29,9 280 837,2
Февраль -4,6 41,9 400 1676
Март -1,1 34,4 750 2505
Апрель до 12.04 +4,9 2,9 900 261
Среднее значение -2,26 17,84 408,57 795,26
Далее, используя программное обеспечение MapInfo 10.5, произвели оцифровку топографической карты неизвестного масштаба, которая была привязана в проекции UTM WGS 84 для облегчения переноса данных с GPS.
После оцифровки картографические данные экспортировали в ArcGis для дальнейшей обработки. На первом этапе производили интерполяцию методом Натурального соседства (Natural neighbor), по результатам которой составляли обзорную карту. С помощью инструмента 3D Analys строили профили маршрутов. На втором этапе, на основе полученных данных интерполяции, составили карту углов наклона и экспозиции склонов, а также TIN-модель карты.
Выводы. В результате исследования выявлено, что продуктивность лесов зависит от запасов влаги почвы по сезонам года, что отразилось в росте и развитии сосновых насаждений. Анализ запасов влаги, снежного покрова с применением различных методик исследований позволил осуществить не только мониторинг ландшафта, но и факторы влагонакоп-ления и регулирования водных режимов. Использование ГИС-технологий значительно упрощает анализ материалов снегомерной съемки, и позволяет представить полученные данные в наиболее наглядной форме. Таким образом, снегомерная съемка лесных участков крайне важна для исследования как геоморфологических, так и метеорологических процессов, а также определения продуктивности лесов.
Литература
1. Молчанов А. А. Гидрологическая роль леса. М. : Изд-во АН СССР, 1960. 468 с.
2. Загитова Л. Р. Особенности влияния метеорологических факторов на сток в бассейне реки Белой // Межведомственный сборник материалов, посвященных Всемирному дню водных ресурсов. Отдел водных ресурсов по Республике Башкортостан Камского бассейнового водного управления. Уфа, 2011. С. 87-89.
З.Загитова Л. Р. Климатические и почвенно-геоботанические условия формирования стока в бассейне р. Белой // Аграрная наука в инновационном развитии АПК : материалы междунар. науч.-практич. конф., посвящ. 85-летию Башкирского государственного аграрного университета, в рамках XXV Междунар. специализир. выставки «Агро-комплекс-2015». Башкирский государственный аграрный университет, 2015. С. 210-214.
4. Мустафин Р. Ф. Состояние р. Яманъелга в районе куста нефтедобывающих скважин // Межведомственный сборник материалов, посвященный Всемирному дню водных ресурсов. Уфа, 2013. С. 34-36.
5. Калинин Н. А., Шихов А. Н., Свиязов Е. М. Моделирование процессов снегонакопления и снеготаяния на водосборе Воткинского водохранилища с использованием модели WRF-ARW // Метеорология и гидрология. 2015. № 11. С. 57-68.
6. Пьянков С. В., Шихов А. Н. Исследование динамики процессов снеготаяния методами геоинформационного моделирования (на примере территории Пермского края) // Вестник Удмуртского университета. Серия биология. Науки о Земле. 2013. № 6-4. С. 123-131.
7. Шикломанов И. А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток. Л., Гидрометеоиздат, 1989. 334 с.
8. Ryzhkov I. B., Arslanov A. A., Mustafin R. F. Quantitative consideration of tree-shrub vegetation in slope-stability analysis // Springer Science+Business Media New York. 2014. P. 145-146.
9. Flemming G. Wald und Wasser in weltweiter Uberschau // Wiss, Z. T. U. 17. Dresden,1968. Р. 16-58.
10. Leiton L. Precipitations and Forests / Leiton L and Rodda // Procttdings of the Joint FAO / USSR. International symposium on Forest Influeces and Watershed Management. FAOUN. USSR, Moscow. 1970. Р. 37-48.
11. Baumgarther A. Einfluss energetischer Faktoren auf Klima, Produktion und Wassrumsalz in bewalden Einzugsgebieten // XV JUFRO Congress, Proceedings. USA.
DEPENDENCE OF FOREST PRODUCTIVITY ON SNOW COVER STOCK IN FOREST AREAS OF UFIMSKY DISTRICT OF BASHKORTOSTAN REPUBLIC
I. K. Khabirov, Dr. Biol. Sci., Professor; R. F. Mustafin, Cand. Agr. Sci.;
A. M. Iskandarova; A. R. Rayanova, Post-Graduate Student,
Bashkirian State Agrarian University,
34, Ul. 50-letiya Oktyabrya, Ufa, Russia, 450001
E-mail: [email protected], mustafin- [email protected]
ABSTRACT
Reserves of snow cover stock in forest areas in the conditions of Ufimsky District were investigated. During the research a snow measuring survey was carried on, the data obtained were processed with geographic information systems. There were presented the monitoring of snow cover depth indicators in forest areas for 2015 - 2016 years (from October to April). Height, density and structure of snow cover were determined. On the data obtained supply of water reserve contained in snow cover for each
month under study has been established. There has been compiled a summary table of the results of field and chamber study. Then digitization of topographic maps of forest area landscapes and territories near-by had been carried out with the help of GIS technology, afterwards it was filled with the results of the research. It was established that forest productivity depended on snow cover stock, an enhanced growth of pine plantations was revealed. One of modern technologies for evaluation of snow accumulation and soil moisture in forest areas - aerial gamma-survey and GIS technologies - play an important role.
Key words: forest land, forest, stock of snow cover, water equivalent,field operation, field data quality control, GIS tehnology, Ufimskii region.
References
1. Molchanov A. A. Gidrologicheskaya rol' lesa (Hydrological role of forests), Moscow, Izd-vo AN SSSR, 1960, 468 p.
2. Zagitova L. R. Osobennosti vliyaniya meteorologicheskikh faktorov na stok v basseine reki Beloi (The peculiarities of the influence of meteorological factors on runoff in the Belaya river basin), Mezhve-domstvennyi sbornik materialov, posvyashchennykh Vsemirnomu dnyu vodnykh resursov, Otdel vodnykh resursov po Res-publike Bashkortostan Kamskogo basseinovogo vodnogo upravleniya, Ufa, 2011, pp. 87-89.
3. Zagitova L. R. Klimaticheskie i pochvenno-geobotanicheskie usloviya formirovaniya stoka v basseine r. Beloi (Climatic and soil-geobotanical conditions of runoff formation in the basin of the Belaya river), Agrarnaya nauka v innovatsion-nom razvitii APK, materialy mezhdunar. nauch.-praktich. konf., posvyashch. 85-letiyu Bashkirskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, v ramkakh XXV Mezhdunar. spetsializir. vystavki «Agro-kompleks-2015», Bashkirskii gosudar-stvennyi agrarnyi universitet, 2015, pp. 210-214.
4. Mustafin R. F. Sostoyanie r. Yaman"elga v raione kusta neftedobyvayushchikh skvazhin (State Amunyela in the heart of the Bush oil wells), Mezhvedomstvennyi sbornik materialov, posvyashchennyi Vsemirnomu dnyu vodnykh resursov, Ufa, 2013, pp. 34-36.
5. Kalinin N. A., Shikhov A. N., Sviyazov E. M. Modelirovanie protsessov snegonakopleniya i snegotayaniya na vodosbore Votkinskogo vodokhranilishcha s ispol'zovaniem modeli WRF-ARW (Modeling of processes of snow accumulation and snowmelt in the catchment of the Votkinsk reservoir using the model WRF-ARW), Meteorologiya i gidrologiya, 2015, No. 11, pp. 57-68.
6. P'yankov S. V., Shikhov A. N. Issledovanie dinamiki protsessov snegotayaniya metodami geoinformatsionnogo modelirovaniya (na primere territorii Permskogo kraya) (Study of the dynamics of the snowmelt processes by methods of geoinformation modeling (on example of Perm krai)), Vestnik Udmurtskogo universiteta. Seriya biologiya. Nauki o Zemle, 2013, No. 6-4, pp. 123-131.
7. Shiklomanov I. A. Vliyanie khozyaistvennoi deyatel'nosti na rechnoi stok (Impact of economic activity on river runoff), Leningrad, Gidrometeoizdat, 1989, 334 p.
8. Ryzhkov I. B., Arslanov A. A., Mustafin R. F. Quantitative consideration of tree-shrub vegetation in slope-stability analysis, Springer Science+Business Media New York, 2014, pp. 145-146.
9. Flemming G. Wald und Wasser in weltweiter Uberschau, Wiss, Z. T. U. 17, Dresden,1968, pp. 16-58.
10. Leiton L. Precipitations and Forests, Leiton L and Rodda, Procttdings of the Joint FAO / USSR, International symposium on Forest Influeces and Watershed Management, FAOUN. USSR, Moscow, 1970, pp. 37-48.
11. Baumgarther A. Einfluss energetischer Faktoren auf Klima, Produktion und Wassrumsalz in bewalden Einzugsgebieten, XV JUFRO Congress, Proceedings, USA.
