Поверхностный сток в различных лесорастительных зонах европейской части Российской Федерации

В оспроизводство водных ресурсов и их качество в большой степени зависят от стока по земной поверхности (поверхностного) и стока в почвенной толще (почвенного). В связи с этим закономерны принятие и реализация федерального проекта «Оздоровление Волги» [1]. Волга и её притоки – основной естественный водный ресурс европейской части нашей страны, в связи с чем необходимо уделять большое внимание этому природному объекту. Однако в данном федеральном проекте главное внимание уделяется очистке Волги от химически загрязненных сточных вод, спускаемых в реку промышленными предприятиями. При этом упускаются из виду твёрдые продукты поверхностного стока, приводящие к обмелению Волги и её притоков, а также стоки с удобряемых сельскохозяйственных полей.

Более 30 лет назад старшим научным сотрудником кандидатом с.-х. наук В.А. Мельчановым были разработаны Рекомендации по использованию лесных насаждений для очистки вод [2] и получен патент на изобретение «Способ биологической очистки стоковых вод с сельскохозяйственных полей» [3]. Эти документы были подготовлены на основе долговременных научных исследований В.А. Мельчанова в СССР (1964–1988) и в Республике Куба (1972–1986). Однако в нашей стране патент В.А. Мельчанова до сих пор не реализован в отличие от Республики Кубы, где под руководством автора патента была решена проблема с обеспечением населения чистой питьевой водой.

Цель работы – напомнить о существовании патента В.А. Мельчанова, актуального и в настоящее время; дать предложения по использованию его с целью оздоровления бассейна Волги, а также изложить ранее не опубликованные данные экспериментальных исследований поверхностного и почвенного стоков с лесных и полевых водосборов, что позволило разработать вышеуказанные документы.

Объекты и методы исследования

Исследования объёма поверхностного стока и его компонентов проводили в 1964–1988 гг. на водосборах с использованием методик А.В. Побе-динского [4], Ю.А. Лазарева и др. [5], А.А. Молчанова [6]. Изучение стокоочищающей роли лесных насаждений осуществляли в Московской (зона хвойно-широколиственных лесов) и Горьковской (северная лесостепь) областях на комбинированных водосборах (полевая и лесная части) со среднегодовым количеством осадков 460–680 мм/год. В лесной и полевой частях этих водосборов, оборудованных плотинами и самописцами «Валдай», в течение года учитывали объёмы выпадающих осадков и поверхностного стока. Дополнительно с помощью дождемеров определяли количество жидких осадков, задерживаемых кронами деревьев; в зимнее время твёрдые осадки учитывали путём снегомерной съёмки. Дождемеры на лесном участке размещали под кронами деревьев разных пород, чтобы оценить влияние состава и строения насаждений (одно- и двухъярусные с подростом и подлеском) на задержание осадков кронами деревьев, а также в прогалинах и на полянах, всего 6 вариантов в 3-кратной повторности. Устанавливали время наполнения этих дождемеров до объема 2 л и путем сравнения с результатами, полученными на полянах и прогалинах, определяли количество задержанных кронами осадков [6]. В одноярусных, двухъярусных, чистых и смешанных насаждениях устанавливали по 3 дождемера, а на полянах и в прогалинах – по 2.

Учёты количества осадков под кронами выполняли не менее двух раз в день в течение периода наблюдений за весенним стоком на водосборах – в среднем 24–29 сут.

Полевые и лесные части водосборов на всех объектах были разграничены специальными устройствами (профилями), исключающими смешение стекающих с водосборов вод. Уровень воды на гидрометрических створах измеряли с помощью самописцев «Валдай» [9]. По специальным таблицам на основе кривой уровня воды, регистрируемой самописцем, устанавливали объём стока. Одновременно определяли площадь весеннего затопления водами лесных земель путем закладки профилей, перпендикулярных тальвегу. В весенний период на водосборах измеряли максимальные запасы снега и расходы воды, протекающей через плотины [9]. Пробы воды для химических анализов отбирали ежедневно из струи, вытекающей через водослив плотины. Для определения твёрдых фракций стока использовали цилиндры объёмом 10 л, из которых путём фильтрования воды выделяли и взвешивали твёрдые фракции. Кислотность почвы, количество азота и фосфора в воде определяли в течение суток после отбора пробы по известной методике [10].

На лесных и полевых частях водосборов закладывали почвенные разрезы и проводили их описание. На лесных участках описание осуществляли с учётом пустот, образовавшихся при отмирании корней древесных и кустарниковых растений. На лесных водосборах отбирали образцы почвы для определения ее физических и химических свойств, плотности, влажности и порозности. Кроме того, отдельно вырезали монолиты размером 200x500 мл для определения количества агрегатов диаметром 1–10 мл в соответствии с ГОСТ 27593–88 [7]. Остальные образцы объёмом 100 см3 отбирали из гумусового (с глубины 8–10 см) и иллювиального (с глубины 25–30 см) горизонтов в 5-кратной повторности. Эти образцы высушивали до постоянной массы при температуре 105 °С [7] и взвешивали с точностью 0,001 г. Экспериментально установлено, что такая точность измерения необходима, чтобы установить достоверность различия при 5-кратной повторности образцов, взятых из одного горизонта. Кроме того, под пологом древостоя лесных участков в 5-кратной повторности в случайном порядке закладывали учётные площадки размером 1x1 м2 для определения влагоёмкости лесной подстилки и учёта (в граммах) твёрдого стока минерального, т. е. неорганического, состава.

В Московской обл. исследования осуществляли на полевых угодьях совхоза «Костровский» и в лесных насаждениях объединения «Истралес-хоз» (в бассейне притоков верхней Волги), где в Истринском районе сотрудниками ВНИИЛМ был заложен стационар «Дубки», состоящий из двух частей – поля и леса [4]. Полевая часть водосбора расположена на границе с елово-лиственным насаждением сложно-широкотравного типа леса IV класса возраста [5]. На этом объекте, как и на других, описанных ниже, подбирали лесные насаждения оптимальной структуры и состава, эффективно выполняющие своё многофункциональное назначение [8]. Состав такого насаждения на указанном объекте – 5Е3Ос1Д1Б, полнота – 0,8, запас – 208 м3/га, почва дерново-среднеподзолистая, среднесуглинистая на покровном суглинке. Площадь полевой части данного водосбора – 1,6 га. Лесная (нижняя) часть, которая затапливается талыми водами, текущими с поля в лес, составляет 750 м2, или 4,6 % полевой. В каждой части водосбора построены по две плотины. Верхняя часть водосбора используется в сельскохозяйственном производстве, а в нижней части по выположенным тальвегам произрастает указанное насаждение.

В Горьковской обл. исследования проводили на водосборах № 1 и № 4 в Городецком районе (защитные леса правого берега Волги в среднем течении в зоне северной границы лесостепи) на территории колхоза «Волжский». Стационар был заложен В.А. Мельчановым в 1968 г. Рельеф участка слабоволнистый, уклон местности – 2,5°. Почвы, дерново-подзолистые супесчаные с прослойками глины, сформировались на водно-ледниковых связнопесчаных безвалунных и бескар-бонатных отложениях без признаков оглеения.

Площадь водосбора № 1 составляла 8,1 га. В его нижней части в типе леса ельник сложный мелкотравный [5] произрастал древостой IV класса возраста с полнотой 0,7. Состав – 6Е2С1Ос1Б с редким подростом ели, класс бонитета – I, запас древесины – 250 м3/га. Площадь сплошного затопления лесной части талыми водами – 760 м2, что соответствует 9,4 % полевой части водосбора.

Площадь водосбора № 4 составляла 20 га, из них лесная часть – 0,35 га. Здесь произрастал сосняк сложный IV класса возраста, состав – 9С1Б, класс бонитета – I, полнота – 0,7, запас древесины – 290 м3/га. Площадь сплошного затопления лесной части талыми весенними водами – 650 м2, что соответствует 0,3% полевой части водосбора.

Результаты исследования и их обсуждение

На лесной части стационара «Дубки» в Московской обл. на глубине 7–17 см плотность почвы в разрезах колебалась от 0,88±0,02 до 1,08±0,03 г/см3. На этом участке не было заметно никаких признаков антропогенного воздействия, что обусловило на вышеуказанной глубине высокую порозность почвы – 60–68%.

На полевой части водосбора плотность почвы на такой же глубине была достоверно выше – от 1,32±0,2 до 1,41±0,03 г/см3, а пороз-ность значительно ниже – 34–27 %. Наблюдения за сельскохозяйственными работами показали, что повышенная плотность и низкая порозность почвы обусловлены широким применением колёсных тракторов. По данным наших исследований, они сильнее, чем гусеничные, уплотняют почву, в результате чего сильно снижается её порозность. Кроме того, исследования показали, что на лесном участке, вследствие невысокой плотности почвы, доля почвенных агрегатов диаметром 1–10 мм, определённых на монолитах с учётом «методики [11], на 22–26 % выше, чем на полевом участке. Таким образом, из-за разрушения агрегатов диаметром 1–10 мм при применении колёсных тракторов объем твердого стока на полевых участках намного выше по сравнению с лесным участком. В итоге это приводит к обмелению рек там, где нет защитных лесных насаждений. Приведённые выше данные совпадают с имеющимися показателями для лесостепи и степи [12], что актуально для областей среднего и нижнего течения Волги.

Данные по поверхностному стоку, полученные на стационаре «Дубки» в Московской обл., приводятся в табл. 1 и 2.

Из приведенных в табл. 1 данных следует, что древостой переводит около 26 м3 (33,2 %) поверхностного стока в почвенный. При этом объём твёрдого стока в лесу на 47,7 % меньше, чем на полевом участке. Лес в нижней части этого водосбора задерживает значительную часть жидкого и твёрдого стоков вследствие более низкой плотности и более высокой порозности почвы (60–68%) по сравнению с полевым участком. Кроме того, лесная часть водосбора задерживала химические вещества, особенно эффективно – соединения фосфора (см. табл. 2).

В табл. 3 и 4 приводятся результаты исследования влияния насаждений на весенний сток и его очистку на водосборах Городецкого лесхоза Горьковской обл.

На этих водосборах обращает на себя внимание довольно высокий процент содержания

Таблица 1. Влияние категорий участков на объем весеннего стока и задержание его твердых фракций на стационаре «Дубки» Московской обл.

Категория участка	Объем весеннего стока, м3/га [6]	Доля задержания весеннего стока, %	Величина твердого стока, кг/га [2]	Доля задержания твердого стока, %
Поле	77,5	-	4,6	-
Лес	51,8	33,2	2,2	47,7

Таблица 2. Влияние категорий участков на очистку стока от химических элементов на стационаре «Дубки»

Химический элемент	Концентрация, мг/л (числитель), и вынос, кг/га (знаменатель), химических элементов в разных частях водосбора		Доля задержания химических элементов лесом, %
	поле	лес
NH 4	0,39/0,19	0,12/0,04	69,3/78,0
NO3	6,1/2,93	3,0/1,91	49,1/35,0
P 2 O 5	0,009/0,005	0,001/0,001	88,0/80,0

Таблица 3. Влияние категорий участков на объем весеннего стока и задержание его твердых фракций в Горьковской обл.

Категория участка	Объем весеннего стока, м3/га [6]	Доля задержания весеннего стока лесом, %	Величина твердого стока, кг/га [2]	Доля задержания твердого стока лесом, %
Водосбор 1
Поле	76,4	-	21,8	-
Лес	56,6	26,1	15,9	27,0
Водосбор 4
Поле	29,1	-	34,4	-
Лес	20,1	30,6	20,1	41,5

Таблица 4. Влияние категорий участков на очистку стока от химических элементов в Горьковской обл.

Химический элемент	Концентрация, мг/л (числитель), и вынос, кг/га (знаменатель), химических элементов в разных частях водосбора		Доля задержания химических
	поле	лес	элементов лесом, %

Водосбор 1

NH4	0,93/1,0	0,68/0,77	25,8/23,2
NO3	1,01/1,09	0,63/0,87	37,6/20,2
P 2 O 5	0,07/0,08	0,04/0,03	42,8/38,4

Водосбор 4

NH 4	4,63/6,11	3,61/4,75	22,0/22,2
NO3	1,91/2,26	1,57/1,69	17,8/25,2
P 2 O 5	0,26/0,40	0,14/0,17	46,1/56,0

загрязняющих химических веществ в стоках с поля. О загрязненном стоке воды с сельскохозяйственных полей в нижнем течении Волги (Волгоградская и Астраханская области) упоминалось и ранее [12]. Примечательно, что такой высокий уровень загрязнения сохраняется в воде Волги спустя 23 года после проведения наших исследований [13]. Как видно из табл. 4, лесные насаждения водосборов в Городецком районе Горьковской обл. (среднее течение Волги), как и в Московской обл., эффективно задерживали остатки фосфорных удобрений (38,4–56,0 %), находящиеся в поверхностном стоке.

Таким образом, данные табл. 1 и 3 свидетельствуют, что лесные насаждения в нижней части водосборов обеспечивают перевод 26–33 % поверхностного стока в почвенный, благодаря чему стоковые воды существенно очищаются от загрязняющих химических веществ и твёрдой фракции стока. В исследуемых насаждениях, по данным учётных площадок, благодаря кольма-тирующим свойствам лесной подстилки задерживается 27–47 % твердого стока. В некоторых случаях благодаря указанным свойствам лесная подстилка задерживает твёрдые соединения кальция [14].

Исследования почвенного покрова на описанных водосборах выявили существенные отличия химических и физических свойств лесных почв от полевых. Лесные почвы характеризуются более высокой обменной способностью, большей порозностью и меньшей плотностью, что способствует переводу части поверхностного стока в почвенный. На полевых почвах из-за отсутствия лесной подстилки этого, как правило, не происходит. Верхние горизонты лесных почв характеризуются высоким содержанием гумуса, общего азота и фосфатов, а количество ценных водопрочных агрегатов диаметром 1–10 мм в 1,5–2 раза выше, чем на почвах полей. Кроме того, лесная подстилка толщиной 1–2 см обладает высокой влагоём-костью, порозностью (в том числе из-за наличия пустот, образовавшихся в результате отмирания корней деревьев и кустарников), незначительной массой. Она защищает почву от прямых ударов дождевых капель в отличие от поля, поэтому под пологом леса плотность почвы не увеличивается, а водопроницаемость поверхности лесных почв в этом случае в 2–3 раза больше, чем полевых. При выпадении жидких осадков и таянии снега сток с полей гораздо выше, чем под пологом леса, так как из-за низкой порозности почвы вода в неё меньше впитывается и в значительно большей степени стекает в водоёмы, тем самым их загрязняя.

Как известно, вокруг водоемов, пахотных и орошаемых земель, на склонах оврагов создают защитные лесные насаждения. Эти посадки не только накапливают влагу, но и способствуют очищению поверхностного стока. При проектировании лесных насаждений, очищающих поверхностный сток, первостепенное внимание следует уделять лесистости водосборов, чтобы процент изымаемых сельскохозяйственных земель был минимальным, но в то же время достаточным для создания надежной защиты водных источников. С этой целью нами был разработан и защищен патент [3]. Цель изобретения – снижение доли изъятия сельскохозяйственных полей под лесные насаждения при сохранении высокой степени очистки стоковых вод от биогенных веществ. В табл. 5 приводится рассчитанная по этому методу доля площади лесов, необходимая для полного перевода поверхностного стока в почвенный, благодаря чему достигается полная очистка загрязнённых вод с полей.

Доля изымаемых сельскохозяйственных земель для обеспечения нужной лесистости, по данным табл. 5, колеблется в пределах 0,9–13,8 %. В зависимости от целей создаваемых полезащитных лесных насаждений колебания доли изъятия этих земель могут быть менее значительны. Этот вывод частично совпадает с имеющимися данными В.И. Кожухова и А.Н. Топчиева, которые считают, что для создания агролесных ландшафтов в лесостепи европейской части РФ следует изымать 2,0–2,5 % равнинных пахотных земель, а в степной зоне – 3–4 % [15].

Из данных табл. 5 видно, что и на супесчаных, и на суглинистых почвах в составе лесных насаждений должно быть не менее 50% хвойных пород. Корреляционный анализ наших данных показал, что с увеличением доли участия хвойных пород в составе достоверно увеличивается количество осадков, задержанных кронами. Коэффициент корреляции составил 0,71±0,04. Именно 50 %-е участие хвойных пород способствует снижению объёма стока в естественных насаждениях на комбинированных водосборах, обеспечивает задержание твердых фракций и очистку от загрязняющих химических веществ, поступающих с сельскохозяйственных полей в искусственные водоёмы, озёра и реки. По результатам многолетних исследований установлено, что

Таблица 5. Доля площади лесов разного состава на водосборах для перевода поверхностного стока в почвенный и полного задержания его химических элементов

Состав насаждения, почва	Площадь леса (м2, числитель) и ее доля (%, знаменатель) на 1 га сельскохозяйственной земли для перевода поверхностного стока в почвенный, полной задержки твёрдого стока и химических элементов
	Поверхностный сток	Твёрдый сток	Р 2 О 5	NO3	NH 4	Cl
6Е2С1Ос1Б, супесчаная	260/2,6	230/2,3	170/1,7	180/1,8	250/2,5	170/1,7
9С1Б, супесчаная	240/2,4	90/0,9	90/0,9	330/3,3	180/1,8	90/0,9
5Е3Ос1Д1Б, суглинистая	1380/13,8	980/9,8	530/5,3	1280/12,8	540/5,4	Не определено

в насаждениях указанного состава кроны деревьев задерживают от 32 до 44 % жидких и твёрдых осадков [16].

Насаждения приведённых в табл. 5 составов формируют под своим пологом хвойно-лиственную лесную подстилку, которая, по нашим данным на учётных площадках, накапливает от 3,2 до 6 мм влаги. Указанные защитные свойства лесных насаждений наблюдаются только там, где не проводятся сплошнолесосечные и другие рубки с применением агрегатной техники, которые, по нашим данным, существенно увеличивают плотность почвы, разрушают водопрочные агрегаты, что приводит к выносу твёрдых фракций неурегулированного поверхностного стока при резком возрастании его объема [17]. В конечном итоге это вызывает обмеление Волги в верхнем и частично в среднем её течении (Тверская, Ярославская, Костромская, Нижегородская области и Татарстан).

Таким образом, в результате наших исследований установлено, что в областях, где протекает Волга, необходимо создавать хвойно-лиственные насаждения оптимального состава с участием лиственных пород не более 50 %. В среднем и нижнем течении Волги (Татарстан, Самарская, Саратовская, Волгоградская и Астраханская области) на сельскохозяйственных землях необходимо выращивать насаждения с участием сосны обыкновенной не менее 50 % с включением в состав берёзы повислой, дуба черешчатого, кленов остролистного и татарского и других лиственных пород. В подлесок следует вводить кустарники-аборигены, соответствующие условиям произрастания.

Результаты наших исследований были апробированы на Кубе. По предложению В.А. Мельча-нова и др. [9], защитные полосы в нижних частях водосборов создавали из эвкалипта гигантского Eucalyptus gigantes H. и сосны карибской Pinus cariba H. Например, в провинции Пинар-дель-Рио на водосборах в нижней части сельскохозяйственного поля создавалась защитная лесная полоса, размеры которой рассчитывали исходя из определенного соотношения ее площади и площади поля, указанного в патенте. На расстоянии 40–50 м от этой полосы размещали водохранилище, куда стекала вода почвенного и поверхностного стоков, которая по мере его наполнения выкачивалась по трубопроводам и поступала потребителям. Таким образом была решена проблема обеспечения населения чистой питьевой водой.

В нашей стране и за рубежом существует мнение, что в настоящее время мероприятия, связанные с созданием защитных полос и строительством в некоторых случаях плотин для регулирования сброса воды и ее очистки, экономически не эффективны. Однако, как указывает Н.А. Моисеев, расчёт эффекта в рамках одной отрасли в ряде случаев не только не дает должного представления об эффективности осуществленных мероприятий, но и принижает роль лесного хозяйства в экономике страны [18]. Народно-хозяйственный эффект, по его мнению, нужно определять с учётом межотраслевых экономических эффектов.

Выводы

Установлено, что в зоне хвойно-широколиственных лесов и северной лесостепи хвойно-лиственное насаждение переводит большее количество (на 26–33 %) поверхностного стока в почвенный, чем сельскохозяйственное поле. Вследствие этого пополняется объем естественных водоёмов с улучшением качества воды. Количество твёрдых фракций поверхностного стока при его прохождении через хвойно-лиственное насаждение на 27,0–47,7 % меньше по сравнению с сельскохозяйственным полем. В конечном счете стоковые воды с сельскохозяйственных полей вызывают заиление водоемов из-за попадания в них твердых фракций. Количество загрязняющих соединений азота в стоковой воде сельскохозяйственных полей на 23–78 % выше, чем в стоковой воде из-под полога хвойно-лиственного леса.

Для регулирования поверхностного стока, перевода его части в почвенный, задержания твердых фракций предлагается формировать насаждения в нижней части водосборов с участием в составе не менее 50 % хвойных пород.

Рекомендуется использовать актуальный патент на изобретение, что позволит определить минимальную долю изъятия сельскохозяйственных земель для создания защитных лесных полос, способных осуществить полное задержание твердых фракций и загрязняющих химических веществ поверхностного стока.