Предсказание общих изменений природы степей

Одновременно с участием в разрешении конкретных проблем проектирования лесных полос и всего сопутствующего им комплекса технических и агрономических мероприятий географам необходимо бросить взгляд в будущее и попытаться предсказать последствия - более широких и косвенных влияний этих мероприятий на ход отдельных составляющих физико-географического процесса.

Осуществляемое преобразование природы степей затрагивает так много ее компонентов и благодаря невиданному своему масштабу содержит так много элементов новизны, что никакие точные прогнозы в настоящее время невозможны. Это обстоятельство, однако, не дает нам права уклоняться от определения хотя бы порядка тех количественных показателей, которые будут характеризовать физико-географическую среду степной зоны на отдельных этапах осуществления плана.

Для получения возможно точных предвычислений придется идти путем постепенного приближения, с каждым годом внося поправки на основе уже сказавшихся результатов осуществления плана. Нет сомнений, что с каждым пересчетом оправдываем ость результатов будет повышаться.

Одним из наиболее важных объектов предвычислений является колебание уровня рек, бассейны которых лежат в области полезащитного лесонасаждения. Особенно существенное значение имеет предвычисление весеннего половодья, а для малых рек — также ливневых паводков.

Чтобы вычислить вероятность того или иного события, в данном случае пикового расхода реки, необходимо или знать теоретически закон распределения переменной величины, или иметь весьма длинный ряд наблюдений, позволяющий вывести этот закон методами математической статистики.

Сложность и множественность факторов, влияющих на ход паводка, пока не позволяют построить теоретическую формулу обеспеченности того или иного расхода. Что касается рядов наблюдений гидрометрических станций, то они, во-первых, для большей части рек слишком коротки, во-вторых, теряют в настоящее время свое значение, так как по мере выполнения плана лесонасаждения и регулирования стока с каждым годом будут меняться те физико-географические условия, которые определяли кривые расхода рек в прошлом.

М. А. Великановым (1949) сделаны первые шаги в разработке метода предвычислений снеговых половодий на основании рядов не гидрологических, а влияющих на режим рек менее сложных метеорологических факторов. В качестве таковых избраны два, наиболее тесно связанных с ходом половодья: величина снегозапасов и длительность снеготаяния.

В условиях стабильности атмосферного процесса эти факторы имеют то преимущество, что по ним накоплены относительно длинные ряды наблюдений, причем для числа пунктов метеосети значительно большего, чем число пунктов гидросети.

При изменении физико-географических условий наблюдения по снегозапасам не полностью обесценятся, гак как имеющиеся данные опытных станций о влиянии лесных полос и других методов снегозадержания на величину запасов снега позволяют внести поправку в данные других станций, пока лишенных лесозащиты.

Снегозапасы являются важнейшей приходной статьей водного баланса и должны предвычисляться не только как фактор, влияющий на речной сток, но прежде всего как фактор, влияющий на урожай. Поэтому методы предварительного расчета снегозапасов должны разрабатываться в первую очередь.

Во избежание недоразумений следует подчеркнуть, что речь может идти не о прогнозировании количества снега, которое выпадет, например, в 1965 г. (это было бы совершенно нереально), а о вычислении вероятности того, что его количество будет тем или иным в зависимости от не поддающихся предвидению условий погоды, а это позволит судить о состоянии лесных полос и других средств снегозадержания.

Второй фактор, влияющий на ход половодий, - длительность снеготаяния — в свою очередь определяется ходом весенней температуры и скорости ветра в приземном слое. Температура в меньшей степени, а скорость ветра в большей также будут изменяться по мере роста лесных полос. Первые прогнозы половодий, очевидно, могут быть сделаны на основе старых рядов, собранных метеостанциями за длительный период времени.

Но по мере роста посаженных деревьев сами исходные метеорологические элементы — температура и сила ветра — будут меняться. Таким образом, предвычисление гидрологических элементов, и в частности весенних половодий, может производиться лишь одновременно и по мере предвычислений климатических элементов. При этом предвычисления должны составляться не в средних годовых показателях, а динамически, в форме предполагаемых кривых годового хода.

Возможность прогноза ожидаемых изменений климата в результате увеличения площади лесов ограничивается слабой изученностью проблемы взаимодействия между атмосферой и подстилающей поверхностью. Очевидно, в этом направлении должны быть сосредоточены усилия климатологов.

Формирование погод над снежным покровом протекает иначе, чем над обнаженной землей, причем влияние снега на теплые, холодные и местные трансформируемые массы воздуха различно (Фельдман, 1948). Увеличение площади, занятой лесами, и вообще перестройка водного баланса не могут не повлиять на количество осадков.

Тот факт, что попытки установления связи между лесистостью и осадками дали сбивчивые или отрицательные результаты с коэффициентами корреляции, близкими к нулю, отнюдь не опровергает это положение (Степанов, 1938) . Он показывает только, что пары, поступающие в атмосферу вследствие увеличения транспирации лесом, могут выпасть дождями не обязательно над лесом же, но в равной мере и над соседними безлесными пространствами. Именно такого результата и следовало ожидать, если учесть, что речь идет о зоне западного переноса, в которой господствуют длительно действующие и захватывающие громадные пространства воздушные течения.

Процесс внутреннего влагооборота слишком крупномасштабен, чтобы можно было надеяться получить высокую корреляцию между лесистостью отдельных районов и влажностью климата. Именно поэтому серьезные попытки мелиорации климата возможны лишь при наличии двух предпосылок: во-первых, планового социалистического хозяйства, во-вторых, территории, соразмерной с площадью континента.

В связи с этим приобретает большой интерес проблема водного баланса атмосферы, поднятая в последней работе В.В. Цинзерлинга (1948). До последнего времени сравнительно хорошей изученности водного баланса суши противостояло почти полное отсутствие количественных данных о водном балансе атмосферы. Между тем прогресс советской науки и техники, не отстающий от возрастания мощи народного хозяйства СССР, позволяет отбросить старое представление, согласно которому содержание и движение атмосферной влаги лежат вне человеческой власти.

В свете решения проблемы преобразования природы степей становится реальной задача ’’прибрать к рукам” водные запасы атмосферы. В работе В. Б. Цинзерлинга как раз и делается попытка подойти к ним по-хозяйски и поставить их в ряд с полезными ископаемыми, которыми богата наша страна, а для этого в первую очередь оконтурить ’’месторождения” и подсчитать их запасы.

Результат подсчетов виден в диаграмме водного баланса атмосферы (рис. 5, А).

Рис. 5. Диаграмма водного баланса Европейской части СССР, км³: А - в настоящее время; Б - при полном развитии лесных полос; а - принос влаги с океана; в — осадки; в—а — внутренние осадки; с — речной сток; d — испарение; е — атмосферный сток в Азиатскую часть СССР

Средняя многолетняя величина внешних осадков (а), поступающих с океана, не зависит от хозяйственной деятельности человека и в пределах значительных периодов времени остается неизменной. Зато непосредственным результатом лесонасаждения и противоэрозионных мероприятий будет сокращение стока (с), значительная часть которого переключится в канал испарения (d). Часть добавочно испарившейся влаги вновь выпадет в пределах Восточно-Европейской равнины, т.е. пойдет на увеличение внутренних осадков (в-a), часть сойдет атмосферным стоком (е) в Сибирь и Среднюю Азию.

Дополнительные внутренние осадки вновь разойдутся по каналам стока и испарения, так что реки в конечном счете получат почти столько же воды, сколько и раньше; увеличение же количества влаги, потребляемой растениями, произойдет за счет повышения коэффициента влагооборота. Речной сток уменьшится только в самой западной части нашей степной полосы, так как она не будет получать добавочной влаги из еще более западных областей, лежащих за рубежом (если и там не будут осуществлены соответствующие мелиоративные работы).

Влага, приносимая с Атлантического океана в степную и лесостепную зоны Восточно-Европейской равнины, в настоящее время в основной массе сбрасывается в южные моря реками, текущими в меридиональном направлении (отработавшая вода). На долю каждого следующего, расположенного далее на восток бассейна достается все меньше осадков (рис. 6, А). Ограничение поверхностного стока заставит значительно большие массы воды возвращаться в атмосферу и участвовать во внутреннем влагообороте (активная вода). Значительные объемы влаги будут последовательно передаваться в засушливые восточные бассейны (рис. 6, Б).

Рис. 6. Схема влагооборота области полезащитного лесонасаждения: А - в настоящее время; Б - при полном развитии лесных полос

Расчет нового водного баланса атмосферы, который установится после того, как лесные полосы, посаженные на площади 61 490 км², достигнут полного роста, является одной из труднейших задач, стоящих перед советскими географами и геофизиками. Для получения достаточно обоснованных цифр потребуются длительные усилия коллектива специалистов различного профиля. В настоящее время можно лишь наметить направление, в котором должно пойти исследование.

Если учесть повышение испарения не только самими лесными полосами, но и межполосными полями (в результате снегозадержания) и отнести его к площади только лесных полос, то окажется, что лес на занимаемой им площади даст добавочный слой испарения в 300-400 мм (Рутковский, 1948).

Примем из осторожности меньшую цифру. Ее надо умножить на 3 — коэффициент влагооборота летних месяцев (по В .В. Цинзерлингу). Добавочное количество воды трижды успеет выпасть дождем (в основном уже не на лесные площади) и вновь испариться до того, как будет сброшено в море или вынесено господствующими ветрами в Азию. Это добавочное количество:

Вся территория, на которой должны быть созданы лесные полосы, - составляет около 1,5 млн. км². Таким образом, добавочное испарение эквивалентно слою воды:

Добавочное испарение частично увеличит местные осадки в пределах Восточно-Европейской равнины, частично присоединится к атмосферному стоку. Если принять в первом приближении, что соотношение между этими статьями расхода останется прежним, то можно рассчитать все статьи нового водного баланса атмосферы (рис. 5, Б).

Сравнивая диаграммы рис. 5, А и 5, Б, можно составить представление о порядке тех изменений влагооборота, которых можно ожидать в результате преобразования природы степей. Наибольший интерес представляет относительное увеличение суммарных осадков на 7%.

Что касается абсолютной величины осадков, то она несомненно будет ниже, чем приведенная цифра в 515 мм (см. рис. 5, Б), так как исходные расчеты В. Б. Цинзерлинга, на которых основано приведенное выше вычисление, сделаны для всей Восточно-Европейской равнины, для которой средняя годовая сумма осадков равна 480 мм. Это значительно выше, чем средняя для степной и лесостепной зон (400-450 мм). С учетом этой разницы можно предполагать, что лесные полосы вызовут среднее (во времени и пространстве) увеличение осадков порядка 30 мм в год.

В приведенном расчете сделана попытка учесть увеличение количества осадков в результате насаждения лесных полос. Однако в том же направлении будут действовать и другие противоэрозионные мероприятия: валы, пруды, крестование и т. п. Можно думать, что их вклад в мелиорацию климата будет значителен.

Однако в пределах зоны лесонасаждения можно ожидать увеличения осадков не только в результате повышения испарения. Задержание снега на полях, как уже отмечалось, в состоянии изменить тип зимних и весенних погод, привести к понижению температуры и при определенных свойствах воздушных масс к конденсации добавочных количеств влаги, которые в прежних условиях были бы удержаны атмосферой.

Воздействие лесных полос на температуру приземных слоев атмосферы будет сложным и противоречивым. Результат его трудно предсказать без более детальных исследований.

На испарение 1 г воды при температуре 20° затрачивается 585 калорий. На испарение 55, 2 км³ воды - 585 х 55 Д х 10¹² = 323 X 10¹⁴ ккал.

Если предположить, что все необходимое тепло будет взято на пространстве собственно лесных полос, то это составит 53 ккал/см² х год, т.е. около 25% средней величины поглощаемой радиации в степной и лесостепной зонах. (Новейшие данные по радиации приведены в работе Т. Г. Берлянд, 1948). Такое предположение, однако, заведомо неверно, так как благодаря хорошему перемешиванию воздуха в относительно узких и продуваемых полосах расход тепла и понижение температуры будут частично распространяться на межполосные пространства.

Если разложить этот расход на всю мелиорируемую территорию, то получится незначительная величина: 0,76 ккал/см² х год, или около 1% поглощаемой радиации. Истинное количество тепла, поглощаемого в год с единицы площади, лежит, очевидно, где-то между этими крайними цифрами. Оно достигает максимума в самих полосах и постепенно уменьшается к середине полей.

Изменение теплового баланса в сторону увеличения затрат на испарение, в основном приходящееся на часы наибольшего зноя, по принципу Ле-Шателье будет влиять умеряющим образом на само испарение, что явится положительным фактором для растительности, транспирационной режим которой близ полудня бывает весьма напряженным.

Наконец, потери тепла на испарение скажутся и на величине осадков, так как неравномерная температура лесных полос и межполосных полей вызовет усиление конвекции и будет способствовать выпадению грозовых осадков и вообще нарушению антициклонального режима, который летом нередко надолго устанавливается в степи.

Одновременно с поглощением части' теплоты увеличение испарения оказывает и обратное действие: повышение содержания паров в воздухе усиливает так называемый парниковый эффект, т.е. уменьшает проницаемость атмосферы для длинноволнового излучения Земли, препятствуя ее охлаждению.

Кроме того, часть энергии, затраченной на испарение, при конденсации испарившейся влаги поступает в атмосферу, а оттуда путем обратной длинноволновой радиации может быть возвращена в почву. Выяснить, как повлияют противоречивые изменения статей теплового баланса на его сальдо, является задачей будущего.

Анализ ожидаемых изменений в ходе почвообразовательного процесса выходит за рамки настоящей статьи. В общих словах все же можно высказать предположение, что под лесными полосами будет наблюдаться деградация черноземов, а в полях, избавленных от ускоренной денудации, будет происходить интенсивное возрождение смытых почв путем восстановления разрушенного гумусного горизонта и углубления культурного пахотного слоя. Прогноз этого процесса является прогнозом плодородия почвы и потому имеет большое экономическое значение.

В отдаленной перспективе можно предвидеть некоторый сдвиг Почвенных зон к югу. Что касается засоления, то, как уже отмечалось, правильное проектирование водного баланса почвы должно предусматривать разумное увеличение грунтового стока за счет поверхностного. В этом случае можно ожидать не засоления, а, наоборот, более полного и глубокого промывания почв и выноса растворимых солей.

Весьма специфической и сложной областью природных взаимосвязей, которые должны быть заранее предусмотрены и от которых в немалой степени зависит успех лесонасаждения, являются связи между растительностью и фауной.

Уже неоднократно наблюдались случаи, когда молодые лесные насаждения часто через несколько лет после посадки поражались и даже совсем уничтожались несметными полчищами насекомых-вредителей. При этом иногда выступали на сцену насекомые, считавшиеся неопасными в старых лесных районах (Полезащитные лесные полосы, 1937, статья Анисимова; Мельниченко, 1949).

Причины этого явления могли быть различными: или климат оказывался исключительно благоприятным для вредителей в такой местности, куда они не могли до этого проникнуть из-за отсутствия свойственной им пищи, или молодые деревца были ослаблены непривычными условиями, или чаще всего на новом месте вредители не встречали обычных врагов, сдерживавших их размножение на родине.

Одним из эффективных методов борьбы с вредными насекомыми является биологический метод - разведение насекомоядных птиц и млекопитающих, а также других насекомых и бактерий, паразитирующих на вредителях. Пользование' этим методом требует глубокого проникновения в трофические связи животного мира и проведения широких мероприятий по акклиматизации инсектофагов.

Вместе с посевом семян деревьев должен производиться и "посев” охраняющей фауны. Среди населения, особенно среди детей, должна проводиться широкая разъяснительная кампания по охране насекомоядных птиц и истреблению хищников. В лесных полосах должны предусматриваться куртины кустов, благоприятных для гнездования. Кустарники, однако, не должны занимать все пространство под пологом леса, чтобы не создавать непродуваемого нижнего яруса, обусловливающего неравномерное скопление снега.

Одновременно с биологическими должны применяться химические, микроклиматические, агротехнические (опахивание) и прочие меры охраны насаждений. Большую роль предстоит сыграть авиации, специальные лесосанитарные отряды которой несомненно придется придать наиболее крупным лесозащитным станциям. Функции их могут быть совмещены с функциями пожарной охраны лесов.

Насколько неожиданной может быть реакция фауны на создание лесных полос, можно судить по следующему примеру. На Северном Кавказе подросшие лесозащитные полосы стали аккумуляторами кустиков перекати-поле, которые осенью наметались на наветренных опушках валами, доходящими до крон деревьев. Скопления перекати-поле уничтожали продуваемость полос и в свою очередь становились аккумуляторами громадных сугробов снега.

Почва под валом покрывалась слоем семян, высыпавшихся из слагающих его сорняков. Теплое убежище, снабженное неограниченным запасом пищи, было быстро оценено полевками и другими грызунами. Раньше они в большом количестве погибали зимой в степи от морозов и бескормицы, а теперь, благоденствуя в как бы нарочно созданных для них питомниках, размножились до невероятных количеств. Летом они выселялись на поле и наносили большой вред урожаю.

Неожиданный и нежелательный побочный продукт лесонасаждения возник в данном случае от незнания и недоучета связей, существующих в природе. С бедствием, очевидно, нетрудно бороться: достаточно организовать уборку перекати-поле; эти растения к тому же могут быть использованы в качестве топлива, столь ценного в степи. Однако в будущем мы должны прилагать максимум усилий к предсказанию появления таких ’’побочных продуктов”, что позволит сэкономить не один миллион рублей.

Опыты предвидения всех возможных последствий планируемых мероприятий явятся для географов серьезнейшим экзаменом понимания взаимосвязей, существующих в физико-географической среде.