Роль воды в жизни леса. Вода играет важную роль в жизни древесных и кустарниковых пород, она растворяет минеральные вещества почвы, участвует в фотосинтезе, транспирации, является составной частью клетки. Основная часть влаги поглощается растениями из почвы. Вместе с водой растения потребляют минеральные питательные вещества, необходимые для жизни леса. Отдавая влагу через листовую поверхность, деревья регулируют свой температурный режим. Вода входит в состав клеток и тканей животных и растений, почвы, атмосферы, в зависимости от состояния и концентрации изменяет температуру воздуха и почвы, делает доступными для растений питательные вещества, ослабляет солнечную радиацию, усиливает или замедляет процессы роста и развития леса.
Виды осадков и их влияние на лес. В природе вода находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. На долю Мирового океана приходится около 94% общих запасов влаги. Остальные 6% составляют льды, снега и пресная вода в реках, озерах, почве и атмосфере.
Основные источники влаги в лесу -- снег и дождь. Большая часть осадков стекает поверхностным стоком в реки, озера, моря, частично задерживаясь на поверхности почвы и растительности, а затем испаряется в атмосферу.
Влага, поглощенная корнями растений, используется на фотосинтез и транспирацию. Атмосферные осадки, которые проникают в глубь до водоупорного слоя, образуют горизонт грунтовых вод и стекают внутрипочвенным стоком в реки. Снег -- источник снабжения растений водой. Снежный покров предохраняет молодые растения от низких температур и механических повреждений, а почву от промерзания, обеспечивая тем самым проникновение талых вод в почву. Но зимние осадки могут оказывать на лес и отрицательное действие, вызывая снеголом к снеговал. Снег, задерживаясь на кронах, ломает сучья и вершины. От снеголома страдают главным образом молодые хвойные деревья (сосна, кедр) в возрасте жердняка. Снеговал бывает значителен при большой густоте древостоя и сомкнутости полога. Лиственные породы меньше повреждаются снеговалом, так как сбрасывают на зиму листья и имеют гибкие ветви. Выращивая смешанные хвойно-лиственные насаждения, своевременно изреживая перегущенные молодняки, осушая переувлажненные почвы, можно значительно снизить снеговал и снеголом.
Кроме дождя и снега, источниками влаги являются град, морось, ледяной дождь, роса, иней, изморозь, ожеледь.
Град-- ледяные ядра или кристаллы диаметром 0,5--2 см -- часто сопровождает ливневые дожди и вызывает градобой. От него нередко погибают посевы и посадки леса, обивается кора у деревьев.
Морось -- осадки, выпадающие из слоистых облаков или тумана в виде мелких капелек. Скорость их передвижения очень мала и незаметна на глаз. Проникая всюду, морось смачивает закрытые части кроны дерева, нижние части листьев и ветвей. Мелкие капельки мороси с растворенными в них частицами минеральных веществ -- дополнительное внекорневое питание леса через листья.
Ледяной дождь -- мелкие ледяные шарики диаметром 1-- 3 мм. Они образуются в результате замерзания капелек дождя при прохождении их через более холодные слои воздуха.
Ночью в редком лесу поверхность почвы остывает. Приземной слой воздуха охлаждается. Еще интенсивнее охлаждаются растения и листья деревьев. Если температура приземного слоя понизится н станет ниже точки росы, начинается конденсация водяных паров, и на шероховатой поверхности травянистой растительности и кронах деревьев образуется роса. Если конденсация происходит при отрицательной температуре, образуется иней -- мелкие ледяные кристаллики. Интенсивность образования росы и инея зависит от скорости движения ветра, влажности воздуха, температуры окружающего воздуха и других физических и метеорологических факторов. В течение ночи слой оседающей росы достигает 0,5 мм. Это дополнительная влага для растений. При конденсации паров выделяется скрытая теплота парообразования. Эта теплота препятствует дальнейшему охлаждению приземного слоя воздуха, предупреждая заморозки, наносящие большой ущерб лесокультурному делу.
Изморозь появляется на хвое, листве деревьев, кустарниковых и травянистых растениях. После сильных морозов деревья и кустарники сильно охлаждены. При резком повышении температуры воздуха на промерзших ветвях и хвое деревьев образуется значительная масса длинных ледяных игл, нитей, пластин чатых или призматических кристаллов. Изморозь служит дополнительным источником влаги для леса. В образовавшихся кристалликах льда оседает значительное количество аммиака и других нужных для растений веществ, которые при таянии попадают в почву. Однако изморозь может играть и отрицательную роль, когда ветви деревьев или их вершины обламываются под *ее тяжестью.
Ожеледь -- слой льда на поверхности ветвей и стволов. Образуется при резкой смене морозов оттепелью с дождливой погодой. На ветви, покрытые инеем, попадает влага и превращается в лед. Ожеледью чаще повреждаются насаждения с разомкнутым пологом.
Кроме того, страдают породы с негибкими ветвями (осина, сосна). В течение ночи на небольшом дереве сосны в возрасте 10--15 лет образуется до 180 кг льда. Ветви и вершины, не выдерживая тяжести льда, отламываются. Чтобы предупредить ожеледь, с наветренной стороны создают плотные опушки из устойчивых лиственных пород; формируют смешанные насаждения; повышают сомкнутость древесного полога, особенно на первых этапах жизни насаждений (20--40 лет).
Водный баланс. Распределение осадков в лесу -- водный баланс, т. е. соотношение выпавших осадков и суммы испарившейся влаги и стока, определяют по формуле Г. Н. Высоцкого:
0 = А+С+И+Т,
где О -- общее количество осадков, выпадающих на поверхность суши; А -- поверхностный сток (составляет 15--35% общего количества осадков в зависимости от склона, характера выпадающих осадков и насаждения); С -- подземный сток (15--35%); И -- физическое испарение с кроны и почвы (15--50%); Т -- транспирация, физиологическое испарение (20--40%).
Вода, потребляемая лесом. Вода, являясь наилучшим растворителем и обладая большой теплоемкостью, входит в состав клеток и тканей животных и растений. В молодых растениях ее количество достигает 90--95% их массы. В зависимости от концентрации воды в тканях растений меняется количество поглощаемой углекислоты. В стволах деревьев консервируется 0,5% энергии, 0,04% воды и 22,4% углекислоты. Максимальная ассимиляция происходит при оптимальном содержании влаги. На дыхание растений уходит 0,9% энергии, 0,08% воды и 45% углекислоты. Большая потеря воды растениями, ее недостаток отрицательно сказываются на фотосинтезе всех растений. Благодаря способности к фотосинтезу и ассимиляции растения занимают определяющее место в круговороте веществ в природе.
Зеленые мхи содержат 8--500, сфагновые -- до 3000% влаги. В насаждениях с запасом древесины 500 м3/га вода составляет 200--250 т, а с древесиной ветвей и корней 700 м3/га -- 360 т. .Для образования единицы сухого вещества дерево транспирирует огромные количества воды.
Сильно транспирирующие древесные породы -- береза, ясень, бук и сосна; слабо транспирирующие -- граб, клен остролистный, дуб и ель. Береза в составе хвойного леса, в условиях Валдая например, транспирирует за вегетационный период влаги столько, сколько ее имеется в слое, равном 131 мм, сосна-- 153, ель--137 мм. Это меньше, чем расход воды луговой и полевой растительностью, так как поверхность листьев у трав значительно превышает листовую поверхность деревьев. Для производства 1 кг растительной массы разные растения в неодинаковых условиях расходуют на транспирацию от 150--200 до 800--1000 м3 воды.
Транспирацию леса следует рассматривать как один из важнейших процессов его жизнедеятельности. Этот процесс то ослабляется, то усиливается у деревьев и в целом у лесного полога в зависимости от возрастной структуры леса, его типа, характера почвы и обеспеченности их влагой, уровня грунтовых вод, метеорологических условий, массы листьев и их расположения и многих других факторов.
Отношение древесных пород к влаге. Древесные породы по- разному относятся к влажности почвы и воздуха. Одни из них произрастают только в теплых районах с большой влажностью воздуха (бук), другие могут выдерживать сухой климат (дуб).
Обеспеченность древесных пород влагой зависит от количества осадков и температуры воздуха. Чем выше температура воздуха, тем интенсивнее испарение с поверхности почвы и больше потребность растений во влаге.
У древесных пород, которые произрастают при недостатке влаги в почве и воздухе, корневая система обычно сильно разветвлена, листья или хвоя покрыты кожицей (сосна, дуб, можжевельник). У некоторых растений (саксаул) листья редуцированы в чешуйки.
На состав и характер древесной растительности большое влияние оказывает разный режим влажности. Например, в горных районах Северного Кавказа, Закавказья и Карпат влажные северные и западные склоны заняты буком, а более сухие южные и восточные -- дубом; на Урале западные склоны заняты елью, восточные -- сосной.
Многие древесные породы плохо реагируют как на недостаток, так и на избыток влаги. Временное затопление переносят дуб, тополь, ива. На увлажненных почвах растут сосны обыкновенная и кедровая сибирская, береза пушистая. Не переносят переувлажнения дуб пушистый, береза бородавчатая и др. Избыточное увлажнение часто приводит к заболачиванию лесов.
Потребность и требовательность к влаге. Количество влаги, необходимое для нормальной жизнедеятельности растения, называют потребностью. Под требовательностью понимают способность растений удовлетворять свою потребность при той или иной влажности почвы. Требовательность древесных и кустарниковых пород к влаге характеризуется шкалами П. С. Погреб- няка и А. Л. Бельгарда.
Шкала требовательности древесных пород к влаге (по А. Л. Бельгарду):
ксерофиты -- сосна обыкновенная, гледичия, белая акация, айлант, дуб пушистый, сосна крымская, тамарикс, можжевельник виргинский;
мезоксерофиты -- берест, роза собачья, крушина слабительная, миндаль степной, вишня степная, терн;
ксеромезофиты -- дуб черешчатый, берест, груша, ясень обыкновенный, яблоня;
мезофиты -- граб, ель лещина, ильм, липа обыкновенная, клен остролистный, гордовина, бересклеты бородавчатый и европейский, сосна веймутоваг лиственница сибирская, клен ложноплатановый;
мезогигрофиты -- тополя черный и белый, осина, береза пушистая, вяз, крушина ломкая, бузина черная, калина;
гигрофиты -- ивы белая, ломкая и серая, ольха черная, черемуха, ясень обыкновенный.
Характеризуя отдельные древесные породы по требовательности к влаге, следует иметь в виду, что некоторые из них имеют широкий ареал и могут быть как ксерофитом, так и мезофитом.
Требовательность древесных растений к влаге учитывается при проектировании лесных питомников, промышленных плантаций, облесении водоемов и т. д.
Испарение влаги с поверхности растений и почвы. Кронами деревьев задерживается значительная доля выпадающих осадков, которые под действием тепловой энергии и движения воздухапревращаются в парообразное состояние и уходят в атмосферу. Теневыносливые породы с густооблиственной кроной, а также хвойные задерживают больше осадков, чем светолюбивые, породы с ажурной кроной. Пихта задерживает в 5 раз больше осадков, чем лиственница. Если на открытых площадях выпадает 500 мм осадков и 100% их достигает почвы, то сосновые насаждения задерживают 35%, буковые -- 40, еловые -- 60, пихтовые--80%.
Значительная часть выпадающих осадков проникает под полог леса, достигает поверхности почвы и испаряется, поступая обратно в атмосферу. При этом испаряется и влага, задерживающаяся в результате различных причин на поверхности почвы и поднимающаяся по капиллярам почвы. Эту влагу транспири- руют напочвенные растения, забирая ее из различных почвенных горизонтов. Интенсивность испарения с поверхности почвы зависит от многих факторов---типа леса, полноты, формы, видового разнообразия напочвенных трав, кустарников и взаимосвязанных с ними влажности воздуха, ветра, солнечной радиации. Кроме того, на испарение с поверхности почвы под пологом леса влияют механический состав почвы, температура и глубина залегания грунтовых вод. В целом почва под пологом леса испаряет влаги меньше, чем почва открытой местности. Это происходит в результате ослабленного ровного движения воздуха в лесу у поверхности почвы, которое возникает благодаря более низким температурам воздуха и почвы летом. Меньшему испарению способствует и рыхлость почвы, изрытой червями, кротами, личинками насекомых.
Поверхностный сток влаги и перемещение снега. Величина и характер поверхностного стока определяются состоянием поверхности почвы, суммой и интенсивностью выпадающих дождевых осадков. Часть выпадающих осадков стекает или сдувается с поверхности почвы, занятой лесом, и попадает в овраги, ручьи, реки, а затем в моря и океаны. Лес переводит 80--100% поверхностного стока во внутрипочвенный и грунтовый при условии, что почва не достигла 100%-ной влагоемкости. Количество и скорость стока зависит от продолжительности и интенсивности дождя, уклона местности, структуры лесной подстилки и других факторов.
Большое значение при формировании поверхностного стока имеют водно-физические свойства почв: инфильтрация, влаго- емкость, объемная плотность, механический состав.
Поверхностный сток в лесу выражен значительно слабее, чем на открытой местности. Под кронами часть воды проходит в почву и мало испаряется с ее поверхности. Это объясняется рыхлостью лесной подстилки, особенно в хвойном лесу, густой сетью корневых разветвлений, пронизывающих почву и способствующих проникновению влаги в почву. В весеннее время снег в лесу тает медленнее, чем в поле.
Полог леса и стволы деревьев снижают скорость снеготаяния и ветра в лесу, задерживая значительную часть прямой и солнечной радиации. Интенсивность снеготаяния наибольшая в разомкнутых и низкополнотных древостоях, причем в березняках и осинниках выше, чем в чистых сосняках. Самая низкая интенсивность снеготаяния наблюдается в смешанных сосново-еловых древостоях, а особенно в сосняках с густым еловым ярусом. Следовательно, влияние леса на таяние снега зависит от густоты древостоя, высоты деревьев и положения деревьев относительно друг друга.
Весенние снегозапасы на вырубках выше на 25%, чем под пологом леса (темнохвойные насаждения). Снегозапасы в лиственных молодняках близки к снегозапасам на вырубках. Интенсивность снеготаяния в лесу по сравнению с вырубкой в 1,5-- 2 раза ниже. Излишек влаги, который не успевает поглотить верхний слой почвы, медленно перемещается по склону вниз. Встречаясь с мелкими взрыхлениями, стволами деревьев, выступающими корнями и гниющим древесным отпадом, он переходит во внутрипочвенный сток. Вместе с тем поверхностный сток уносит с собой плодородную почву и тем интенсивнее, чем реже древостой, достигая максимальных размеров на горных вырубках.
В зависимости от типа леса поверхностный сток воды разный. В сосновом сухом бору на сухих крупнозернистых песках, подстилаемых грунтом с легким механическим составом и маломощной лесной подстилкой, поверхностный сток слабее, чем в сосняках, растущих на суглинистых почвах, подстилаемых покровными суглинками или глинами.
Почвенная влага. В почву просачиваются от 1,5 до 6% выпадающих осадков в год. По наблюдениям Г. Н. Высоцкого, в 25-летнем кленово-ясеневом насаждении влажность почвы была выше там, где поверхность ее более закрыта кронами деревьев. Наименьшая влажность почвы на глубине 0,1--0,5 м оказалась под нераспаханной целиной, затем она возрастала под полем, лесом и черным паром. Наибольшая влажность, а значит, наименьшее иссушение почвы отмечаются после обработки ее под черный пар, так как почвенные капилляры закрыты.
В лесу концентрация влаги в почве и ее распределение иные* чем в обработанном и нетронутом поле. Верхний горизонт почвы может быть влажнее, хотя и иссушается сильнее. Корнеобитаемый слой почвы беднее влагой в результате высасывания ее корнями деревьев и кустарников. В степной зоне лес служит накопителем и хранителем влаги благодаря большому скоплению ее в зимнее время. И хотя лес много расходует влаги, все- таки ее остается больше в глубоких слоях лесной почвы, чем в степи.
Запасы почвенной влаги пополняются в результате инфильтрации дождевой и талой воды. Время преимущественного расходования влаги из почвы разделяется на два периода: весенне-летний, характеризующийся наиболее интенсивным испарением; (2--4 мм в сутки), и летне-осенний (0,5--2 мм в сутки). Влажность почвы влияет на ее промерзание и оттаивание. Замерзает почва при температуре ниже 0°С. Это объясняется тем, что почвенная влага представляет собой раствор различных солей к кислот: чем больше концентрация раствора, тем ниже температура замерзания почвы. Содержание раствора зависит от механического состава почвы и растительности, произрастающей на ней. Рельеф местности также влияет на влажность почв. ?1а возвышениях почва промерзает сильнее, чем во впадинах, где собирается много снега.
Грунтовые воды. Часть воды, проникшей в почву в результате- перенасыщения верхних слоев под действием своей массы, уходит вглубь и пополняет запас грунтовых вод. Накапливаются они в песчаном каменистом или супесчаном грунте, лежащем на водонепроницаемых глинистых и гранитных пластах материнской породы. Грунтовые воды пополняются преимущественно в весеннее и осеннее время при снеготаянии и интенсивном выпадении осадков. Грунтовая вода, медленно передвигаясь по насыщенным горизонтам, находит выходы на поверхность почвы в виде родников, которые стекают в ручьи, реки, озера и другие водоемы. Поэтому лесные реки всегда полноводнее. Грунтовые воды поднимаются также по капиллярам и заполняют влагой верхние горизонты почвы, в которых развиваются корневые системы деревьев и кустарников. Уровень грунтовых вод под лесом держится ниже, чем на соседних безлесных участках местности. Объясняется это расходом влаги на транспирацию.
В отдельных случаях состояние уровня грунтовых вод в лесу может повышаться или быть одинаковым с уровнем воды на безлесных площадях. Так, на песчаных почвах не отмечается заметной разницы между уровнями грунтовых вод в лесу и вне леса, а колебания их по сезонам года могут быть одинаковыми, что также зависит от выпадающих осадков. В равнинных районах средней и северной полосы европейской части СССР уровень грунтовых вод в лесу находится так же высоко, как и на открытой местности.
Грунтовые воды по-разному расположены в различных типах леса. Например, в сосновом бору они залегают на глубине 2,8--3,5 м, летом их уровень незначительно понижается (на 10 см); при залегании в черничном бору грунтовые воды находятся на глубине 1,4--1,7 м, их уровень понижается на 0,5 м. В еловых насаждениях уровень грунтовых вод снижается заметнее, чем в сосновых, на 20--30 см, так как ель транспирирует влагу интенсивнее и задерживает кронами больше осадков, чем сосна.
Вырубка леса влияет на уровень грунтовых вод. На севере страны часто наблюдается поднятие грунтовых вод после рубки леса и пожаров, что приводит к заболачиванию. Это явление отмечается и в равнинных лесах, произрастающих на слабодренированных почвах, где слаб отток грунтовых вод или его совсем нет. Пополнение грунтовых вод за счет осадков приводит к выходу застойной влаги на поверхность. Тогда деревья, кустарники и напочвенные растения плохо растут, суховершинят и погибают. Плохо переносят постоянный избыток влаги в почве бук, пихта, ель, ясень и др. Успешно растут на почвах, насыщенных проточной водой, болотный кипарис, туя, ветла, сосна, ольха черная и др.
Засухи сопровождаются понижением уровня грунтовых вод, который продолжает снижаться еще в течение 1--2 лет после года засухи. На 2-й и 3-й год после засухи в лесу наблюдаются преждевременное усыхание листьев, особенно на кустарниках, слабый прирост по высоте и диаметру, суховершинность деревьев, а в некоторых случаях массовое усыхание.
Лес и чистота воды. Лес оказывает положительное влияние на чистоту стоковой воды, поступающей в водоемы с водосборных площадей. Лесные насаждения уменьшают щелочность, жесткость, улучшают органолептические свойства воды (прозрачность, цвет, запах и т. д.). Чтобы вырастить богатый урожай, уберечь его от вредителей и сорняков, употребляют все больше минеральных удобрений и химикатов. Часть их с талыми и ливневыми водами попадает в водоемы, и тогда эти вещества становятся опасными. Иногда в воду сбрасывают отходы промышленных предприятий.
Лес -- эффективное препятствие, останавливающее и очищающее загрязненные воды. Пока вода проходит по почвогрунту, она фильтруется, химически вредные вещества вступают в реакцию с элементами почвы и нейтрализуются. Установлено, что количество кишечных палочек вдвое меньше в 1 л воды, прошедшей через лесную полосу шириной 30--45 м, а число бактерий в 1 см3 воды, прошедшей через овражно-балочную, полезащитную и лесную полосы, сокращается в 26 раз. Наиболее существенным показателем загрязнения воды является содержание в ней аммиака. После лесной полосы оно составляет 0,16 мг/л, а до нее -- 0,24 мг/л. Фильтрующий эффект лесополосы зависит от ее ширины.
Насаждения влияют на чистоту и качество воды. Вода, поступающая с безлесной площади, имеет также высокую цветность и жесткость, которые резко снижаются после прохождения через сосновое насаждение, улучшается и прозрачность воды.
Лес изменяет химический состав воды. Атмосферная влага, проникая сквозь древесный полог, обогащается минеральными веществами, качество и количество которых зависят от состава, возраста, полноты насаждения. Количество химических элементов в осадках, проникающих сквозь древесный полог, выше, чем в осадках, выпадающих на безлесный участок. Атмосферные осадки, проникающие через насаждения ясеня, содержат больше химических элементов, чем осадки, проникающие через полог дубового насаждения. Вода, соприкасаясь с лесной почвой, приобретает определенный химический состав. В зависимости от способов рубки леса и очистки лесосек качество воды будет разное. Порубочные остатки, оставленные на перегнивание или сожженные на лесосеке, неодинаково влияют на содержание примесей в почвенной влаге.
Деление лесов по их гидрологическому значению. Лес влияет на количество влаги и характер ее распределения. Над лесом воздух всегда влажный, конденсация водяных паров больше. Водорегулирующая роль лесов зависит от лесистости водосбора и размещения в нем лесных массивов. При равномерном распределении лесов по водосборному бассейну с увеличением лесистости до 40% поверхностный сток уменьшается, при дальнейшем увеличении лесистости сток почти не увеличивается.
В. В. Докучаев -- один из первых русских ученых-почвоведов -- оценил роль леса как гидрологического фактора и научно обосновал значение лесо» разведения в засушливых степных районах, улучшающего водный режим почв и повышающего урожайность сельскохозяйственных культур.
Г. Н. Высоцкий выдвинул гипотезу, по которой транспирируемая северными лесами влага в огромных количествах переносится в южные районы и увлажняет их.
П. С. Погребняк пришел к выводу о том, что лес увлажняет климат и почву, высушивает болота и подпочву. Действительно, в степных районах лес -- увлажнитель, на севере -- осушитель.
Леса выполняют водоохранную и водорегулирующую роль, снижают паводки и предупреждают наводнения. Реки, протекающие среди лесных массивов, круглый год имеют достаточное количество воды, в то время как реки безлесных районов весной выходят из берегов, а летом часто пересыхают. В степных условиях лес является собирателем и накопителем влаги на полях. Лесные массивы и полосы в степях повышают влажность атмосферы и почвы, задерживают снег на полях, способствуют пополнению грунтовых вод, закрепляют почвы, приостанавливают черные бури. В горных условиях лес предохраняет склоны от разрушения потоками воды. В весеннее время снег в лесу тает медленнее. Образовавшаяся влага проникает в почву и пополняет грунтовые воды, а грунтовые воды, в свою очередь, являются источником равномерного пополнения водой горных рек и озер.
М. Е. Ткаченко разделил все леса в зависимости от их назначения и роли на 4 категории: водоохранные, водорегулирующие, защитные и водоохранно-защитные.
Водоохранные леса обеспечивают непрерывное и равномерное поступление воды в реки, озера и другие водоемы и предохраняют естественные и искусственные водоемы от загрязнения и засорения.
Водорегулирующие леса предотвращают наводнение и заболачивание и содействуют лучшему дренажу почв.
Защитные леса предохраняют почву от обвалов, размыва и смыва (водной и ветровой эрозии) и защищают поля и населенные пункты от неблагоприятных последствий атмосферных осадков.
Водоохранно-защитные леса выполняют одновременно и водоохранные, и защитные функции.
Разделение лесов по их роли и назначению носит условный характер, так как леса выполняют все перечисленные функции. Дробные деления лесов по их водоохранному значению даны Б. Д. Жилкиным, И. В. Тюриным и др.
Как часто мы задумываемся над тем, какую роль в нашей жизни играют леса? Что представляет собой лес? Какие экологические функции он выполняет? В этой статье попробуем ответить на эти и многие другие вопросы, связанные с лесом как природной экосистемой.
Лес представляет сочетание древесной, кустарниковой и травянистой растительности, произрастающей на твёрдой поверхности планеты, включая животных, микроорганизмов и других составляющих природной среды (почвы, водоёмы и реки, воздушная оболочка) биологически взаимосвязанных между собой. Главными свойствами лесов служат площадь и запасы древесины на корню. Леса произрастают на всех материках, кроме Антарктиды и занимают около 31% поверхности суши. Общая площадь лесного фонда планеты составляет 4 млрд. гектаров, а запасы древесины на корню 527 203 млн. м3.
Рис.1 Карта лесной растительности планеты
Лес – это сложноорганизованная саморегулирующаяся экосистема, в которой постоянно осуществляется круговорот веществ (азота, фосфора, кислорода, воды и др.) и потоков энергии между всеми типами и формами организмов. Все растения приспособлены друг другу, а также к животным организмам, и наоборот, все животные организмы приспособлены к растительным организмам. Они не могут существовать друг без друга. Каждый участок леса имеет выраженную пространственную структуру (вертикальную и горизонтальную), которая включает большое количество взрослых деревьев, кустарников, травянистых растений, подрост основной и сопутствующей породы, а так же мхи и лишайники.
Рис. 2 Вертикальная структура леса
Вертикальная структура леса характеризуется распределением различных форм растений по высоте, а горизонтальная отражает распределение разных видов растений в горизонтальной плоскости. Наряду с большим количеством растений, в лесу огромное количество различных видов без(с)позвоночных, миллионы почвенных организмов, многочисленны насекомые, птицы и звери. Все они вместе образуют экологическую систему, в которой каждое растение и животное выполняет конкретную экологическую функцию, участвуя в круговороте различных химических элементов.
Под воздействием внешних экологических факторов (свет, температура, влага, ветер, течения, различные формы разумной человеческой деятельности и др.) происходят те или иные изменения в лесной экосистеме, которые, как правило, не носят резкого и разрушающего характера, и не приводит к нарушению равновесия в экосистеме. Однако сильно возрастающее воздействие неразумной человеческой деятельности всё чаще и чаще приводит к нарушению экологического равновесия, что выражается в резких и катастрофических изменениях и последствиях. Так, летом 2008 г. на территории Западной Украины в районе гор Карпат, произошло крупнейшее наводнение из-за многочисленных осадков. В результате было затоплено около 40 тыс. домов, размыто почти 700 км дорог, разрушено более трёх сотен мостов .
Одной из причин масштабного наводнения называется вырубка лесов на склонах Карпатских гор, когда на протяжении почти 40 лет была вырублена значительная часть лесного покрова .
Рис.3 Наводнение в районе Карпат, 2008 г. (Западная Украина)
Рис.4 Вырубка лесов в Карпатах
Дело в том, что лес выполняет важную водорегулирующую роль, которая заключается в замедлении поверхностного стока талых и дождевых вод, переводя часть его в землю, уменьшая тем самым разрушительную силу паводков и половодий и, питая тем самым подземные воды. При выпадении дождя кроны и стволы деревьев задерживают часть влаги, что позволяет воде впитываться в лесную подстилку постепенно, а не стихийно. Лесная подстилка удерживает влагу и со временем отдаёт её рекам и подземным водам, а ещё часть влаги используется для питания растений. На открытом участке (например, вырубка) дождевая вода целиком попадает на поверхность земли и не успевает впитываться, так как водопроницаемость лесной подстилки выше, чем на открытом участке, что приводит к стоку большей части воды с поверхности в западину или поверхностный водоток (ручей, река). Иногда открытый участок не пропускает воду вообще и та полностью стекает, образуя мощный поток воды. Немаловажную роль играет лес в распределении зимних осадков и при таянии весной. На открытых участках снежный покров закрепляется немного позже по сравнению с лесом из-за частых оттепелей и распределяется неравномерно по причине дующих ветров. В лесах снег распределяется равномерно, что связано с изменением ветрового режима в приземном слое. В целом на открытых участках снега накапливается больше чем в лесу. Весной под воздействием мощного потока солнечного излучения происходит снеготаяние, которое зависит не только от этого фактора. Различные типы растительности и рельеф играют немаловажную роль в этом процессе. На открытый участок приходит 100% солнечного излучения, а под полог любого древостоя только часть, поэтому снег тает в лесах медленнее. Например, на вырубках снег тает 7-25 дней, а в елово-пихтовом лесу 32-51 день .
Отечественный лесовед Молчанов Александр Алексеевич установил, что коэффициент весеннего стока резко уменьшается с увеличением лесистости (с 0,6-0,9 на безлесой холмистости территории до коэффициента 0,09-0,38 при лесистости 40%) .
При вырубке леса происходит удаление древесного полога и почва утрачивает свойство водопроницаемости, что приводит к нарушению водного режима водотоков, при этом увеличивается поверхностный сток и усиливается процесс разрушения почв. Таким образом, лес выполняет важную роль по регулированию равномерного поступления воды в водотоки, участвует в круговороте воды, препятствует разрушению почв.
Не менее важная по значению свойство растительности связанна с климатообразованием планеты. Лес влияет на такие климатические факторы, как ветер, температуру, влажность и др. Благодаря ветру происходит опыление растений, распространение плодов и семян, усиливается процесс испарения влаги с поверхности листа, а лес в свою очередь уменьшает скорость ветра в приземном слое воздуха, регулируя температуру и влажность. Наличие насаждений изменяет тепловой режим и на прилегающих территориях. Летом более холодный воздух зелёного массива вытесняет более тёплый и лёгкий воздух прилегающей территории, понижая температуру воздуха на этих участках. Степень понижения температуры воздуха зависит от породы насаждения (от прозрачности кроны, отражающей способности листьев, высоты и возраста), от густоты посадки и ряда других характеристик. Крупнолистные деревья являются лучшими защитниками от тепловой энергии. Так, например, осина пропускает через свою листву в 10 раз больше энергии, чем боярышник. В лесу влажность воздуха увеличивается, так как испаряющая поверхность листьев деревьев и кустарников, стеблей трав в 20 и более раз больше площади почвы, занимаемой этими растениями. За год гектар леса испаряет в воздух 1-3,5 тыс. т влаги, что составляет 20-70% атмосферных осадков. Например, увеличение лесистости на 10% может привести к возрастанию суммы годовых осадков на 10-15% . Кроме того, с поверхности листьев испаряется около 90% поступающей воды и лишь 10% идёт на питание растений. Влажность воздуха в средней полосе в лесу или парке летом на 16-36% бывает выше, чем в городском дворе. Зелёные насаждения способствуют и увеличению влажности воздуха на прилегающих открытых территориях.
Рис. 5 Климатические пояса планеты.
Лес принимает деятельное участие в газообмене, в первую очередь, поглощая углекислый газ и выделяя в атмосферу кислород. Это природное явление получило название фотосинтез. Так, гектар леса поглощает в час 8 кг углекислоты (H2CO3), которые выделяют 200 человек. Степень поглощения углекислоты и выделения кислорода сильно зависит от породы насаждений. Так, тополь берлинский в 7 раз, дуб черешчатый в 4,5 раза, липа крупнолистная – в 2,5 раза, а сосна обыкновенная в 1,6 раза эффективнее по газообмену ели обыкновенной.
Рис. 6 Фотосинтез растений
Существенная роль принадлежит лесу и в очистке атмосферы от пыли. Растения скапливают на поверхностях листьев, ветках и стволах пылевые частицы. При этом действие накопления в сильной степени определяется не только температурой, влажностью и скоростью ветра, но и породой насаждений. Так, хвойные породы в 30 раз, а берёза в 2,5 раза больше задерживает пыли, чем осина. Запылённость городских и пригородных парков в 1,5-4 раза ниже, чем в промышленной зоне. Измерения показали, что запылённость воздуха под деревьями на 20-40% ниже, чем на открытых рядом расположенных площадках. За деятельный период жизнедеятельности растения одно взрослое дерево выводит из воздуха: каштан конский – 16 кг, клён остролистый – 28 кг, тополь канадский – 34 кг пыли.
Лес также участвует в очистке воздуха от газообразных примесей. Более холодный воздух, создающий вертикальные потоки, и меньшие скорости ветра в районе зелёных насаждений, способствуют перемещению газообразных примесей в верхние слои атмосферы. Это приводит к уменьшению их количества в зоне зелёных насаждений на 15-60%. Разные породы деревьев обладают разной устойчивостью к атмосферным загрязнениям при сохранении своей способности улавливать из атмосферы ядовитые примеси. Так, белая акация улавливает из атмосферы соединения серы и фенола, не сильно повреждая при этом свою листву. Из(с)следования показали, что сернистый газ сильно повреждает растительность.
Вблизи химических комбинатов поверхность листьев у липы, берёзы и дуба бывает сожжена на 75-100%, а рябины – на 25-65%. Нестойкими породами деревьев к атмосферным загрязнениям являются: каштан конский, клён остролистый, ель и сосна обыкновенные, рябина, сирень, акация жёлтая и др. Наиболее стойкими являются: осокорь, белая акация, тополь крупнолистный, клён пенсильванский, плющ обыкновенный.
Растения выделяют биологически активные вещества (фитонциды), которые обладают высокой физиологической деятельностью при небольших количествах по отношению к определённым группам живых организмов. Биологически активные вещества убивают болезнетворные бактерии или задерживают развитие микроорганизмов. Эффективность биологически активных веществ различных растений неодинакова. Так, кедр атласский через 3 мин выделений вызывает гибель бактерий, черёмуха обыкновенная – через 5 мин, смородина чёрная – через 10 мин, лавр благородный – через 15 мин.
Велико участие лесных территорий и в снижении уровня шума от транспортных магистралей и предприятий. Кроны лиственных деревьев поглощают 26% падающей звуковой энергии, а отражают и рассеивают 74%. Два ряда липы способны уменьшить уровень шума в 2,5-6 раз в зависимости от ширины полосы посадки без листвы и в 7,7-13 раз, когда растения были с листвой. Степень звукоизоляции зависит от породы, высоты и схемы посадки деревьев и кустарников. Шум на высоте человеческого роста на застроенной высокими домами улице лишенной зелёных насаждений в 5 раз превышает на этой же улице, обсаженной деревьями за счёт отражения шума движущегося транспорта от стен зданий.
Таким образом, лес играет важную роль на планете по поддержанию благоприятных условий существования всех живых организмов, в том числе и человека. Лес как природная экосистема участвует в климатообразовании и осадкообразовании, поддерживает газовый состав атмосферы, даёт дом и пищу для многих видов и форм растений и животных. Однако на сегодняшний день существует серьёзная проблема сохранения лесов.
Основная часть лесных экосистем приходится на такие страны как Россия (809 млн. га), Бразилия (520 млн. га), Канада (310 млн. га), США (304 млн. га), Китай (207 млн. га), Демократическая республика Конго (154 млн. га) .
Причем наиболее ценными для поддержания экологического равновесия на планете являются таёжные и тропические леса. Тропические леса обладают достаточно высоким биологическим разнообразием, которые содержат до 70-80% всех известных науке животных и растений. По оценке Госдепартамента США потери лесов ежегодно составляют равными четырём площадям Швейцарии (41 284 км²) .
Для того, чтобы представить масштабы вырубки лесов эту площадь можно ещё сравнить с территорией Московской области (44 379 км²). Главными причинами сокращения лесов являются неконтролируемая вырубка леса под сельскохозяйственные угодья – 65-70% и лесозаготовка – 19% (рис.7, 8, 9).
Рис.7 Участок леса, ранее расчищенный под плантации, Индонезия
Рис. 8 Выжигание джунглей для освобождения земли под посевные поля, южная Мексика
Рис. 9 Незаконная вырубка Розового дерева на острове Мадагаскар в Национальном парке Масоала
Большинство тропических стран уже сейчас утратили более половины своих естественных лесов. Например, на Филиппинах вырублено около 80% лесов, в Центральной Америке площадь лесов сократилась на 60%. В таких тропических странах как Индонезия, Таиланд, Малайзия, Бангладеш, Китай, Шри-Ланка, Лаос, Нигерия, Ливия, Гвинея, Гана площадь лесов сократилась на 50% .
Подводя итог, можно сказать, что сохранение и увеличение площади лесных экосистем является важнейшей задачей человечества, выполнение которой обеспечит ему выживание в благоприятной окружающей природной среде. Иначе человечеству просто не выжить, так как только гармоничное развитие земной цивилизации с природой даёт шанс на жизнь и развитие человечества в целом.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Хвойный лес представляет собой природную зону, состоящую из вечнозеленых растений. Их неприхотливость, отсутствие боязни лишней влаги и больших перепадов температур, а также потребность в наличии естественного света, обусловили ареал произрастания и уникальные особенности.
Хвойные леса России составляют 2/3 от общей площади лесов страны. В этом плане Россия является мировым лидером. От мирового наследия хвойных лесов, российская часть составляет больше половины.
Все хвойные леса в России - это тайга, которая простирается преимущественно в северной части страны, занимает ее европейскую зону, территорию Западной и Восточной Сибири, а также Дальнего Востока.
Зона хвойных лесов
Выделяют три подзоны тайги, каждая из которых характеризуется своей особенной растительностью:
- Северная.
- Средняя;
- Южная;
(Северная тайга )
В северной подзоне тайги преобладают преимущественно еловые леса и низкорослая растительность. Со стороны тундры они разрежены, но к югу постепенно густеют.
(Сосновый лес Урала )
Для хвойных лесов Урала характерны сосновые массивы, Дальневосточный регион Сибири представлен преимущественно лиственницей
(Лес южной тайги )
Южная тайга может похвастать большим разнообразием растительности. Здесь произрастает пихта, ель, кедр и лиственница.
Леса в России встречаются образованные только одним видом деревьев либо представляют собой смешанные древостои. В зависимости от состава хвойного леса его также подразделяют на светлохвойные (сосна и лиственница сибирская), а также темнохвойные леса. Последние - это пихта, кедр и ель.
(Типичный хвойный лес )
В хвойных лесах, деревья, как правило, высокие с ровными стволами и большой, густой кроной. Некоторые из них, например, сосны, могут достигать высоты 40 метров. Подобные условия не дают сформироваться разнообразному подлеску. Он представлен преимущественно мхом, невысокими кустами ягод и плаунами. Новые, молодые деревья, которым также нужен свет не всегда могут пробиться, а потому чаше растут на окраинах леса и опушках.
Климат хвойных лесов
В хвойных лесах России климат особый, он характеризуется теплым и иногда жарким летом и морозной, суровой зимой. Максимальные показатели температур достигают 45 градусов со знаком плюс и минус, соответственно. Подобный климат подходит хвойным породам, которые нетребовательны к таким перепадам температуры. Для них главное - достаточное наличие естественного света.
Еще одна особенность климата российской тайги - повышенная влажность. Показатели выпадающих осадков здесь превышают фактический объем испарений. Не редко, особенно в Сибири, встречаются большие площади заболоченных участков. Отчасти, это обусловлено и близким подступом грунтовых вод.
Хозяйственная деятельность человека
Территория тайги представлена древесиной, объем которой превышает 5,5 миллиардов кубометров.
Подобные ресурсы, а также наличие в недрах регионов запасов нефти, газа и угля, обусловили основные типы хозяйственной деятельности в тайге:
- добыча нефти, газа и полезных ископаемых;
- лесозаготовка;
- лесопереработка.
Например, древесина сосны идет на изготовление строительных материалов, мебели, ценится она в качестве топлива, также из нее производят целлофан, искусственный шелк и, конечно же, бумагу.
Ель и пихта также выступают материалом для строительства. Из их древесины изготавливают бумагу, искусственную вискозу и т. д. Интересной особенностью ели является резонансная древесина, которую применяют для изготовления музыкальных инструментов.
Влага, удерживаемая почвой, является исключительно важной, т.к. она в основном и используется на транспирацию и рост леса. Количество влаги в почве изменяется в течение вегетационного периода. Наибольшей она бывает ранней весной. В летний период почва иссушается на 4 – 5 м. Деревья для своего роста и развития почти непрерывно поглощают из почвы воду с растворёнными в ней питательными веществами. Эта вода расходится на поддержание жизнедеятельности. Древесные растения содержат до 60 – 80 % воды. Огромное количество воды растения тратят на транспирацию, под которой понимается физиологическое испарение воды растением. Транспирация необходима для возникновения и сохранения в растениях тока воды и растворённых в ней минеральных солей, поглощаемых растением из почвы. Она предотвращает перегрев листьев, поддерживает ткани листьев в состоянии, недостаточного насыщения водой, и тем способствует сохранению на определённом уровне сосущей силы клеток. Величину транспирации растений выражают несколькими способами. Верхнее значение имеет транспирационный к-т, под которым понимается количество воды (в граммах), расходуемого на образование 1 г. сухого вещества. Второй показатель продуктивность транспирации – величина, обратная транспирационному к-ту. Она показывает, какое количество сухого вещества сможет вырабатываться в растении при израсходовании на траспирацию единицы массы воды. В условиях нормального водоснабжения растения тратят на образование одного килограмма сухого вещества 250-300 кг. воды. Теневыносливые породы тратят воду более продуктивно, чем светолюбивые.
Транспирация леса – один из важнейших процессов его жизнедеятельности. Этот процесс сильно варьирует в зависимости от возраста и типа влаги, УГВ, метеоусловий, массы листьев и др. Транспирация леса обеспечивает саморегуляцию живого растения. Зимой транспирация растений резко сокращается. Вечнозелёные растения (хвойные) транспирируют зимой влаги больше, листопадные породы.
Испарение (поверхности растений и с поверхности почвы)
Часть осадков задерживается кронами, а затем снова под действием тепловой энергии и движения воздуха превращается в парообразное состояние и возвращается в атмосферу. Другая, более значительная часть осадков, проходит через просветы в полосе леса и достигает лесной подстилки. Разность между осадками под пологом леса и достигающим поверхности почвы называется задержанием влаги, или интерцепцией. Величина и скорость испарения влаги с поверхности древесного полога зависит от типа леса, возраста деревьев, степени сомкнутости, количества осадков, силы ветра и температуры.
Хвойные насаждения задерживают значительно больше осадков, чем лиственные, как летом или зимой. Темнохвойные породы деревьев задерживают больше осадков, чем светлохвойные.В среднем задержание осадков следующее: лиственница – 15 ; сосна – 25; ель – до 60; пихта до 80 %.
Широколиственных >, чем мелколиственных; теневыносливых >, чем светолюбивых.
В целом лес задерживает от 5 до 80 % осадков (иногда до 100%)
Количество задержанной влаги определяется с помощью дождемеров (осадкомеров). Дождемеры могу измерять как жидкие, так и твёрдые осадки. Часть осадков, попадая на почву, испаряется обратно в атмосферу. С поверхности почвы испаряется также влага, поступавшая снизу по капиллярам. Интенсивность испарения зависит от типа леса, полноты и формы дерева, наличия кустарника и трав, а также от влажности воздуха, ветра, солнечной радиации, типа лесной подстилки. В целом испарения в лесу с почвы в несколько раз меньше, чем в поле. Это связано с более низкой температурой и повышенной влажностью воздуха, отсутствия ветра. Интенсивность испарения с поверхности почвы под пологом леса и на открытых местах определяют с помощью приборов испарителей.
Водоохранное и водорегулирующее
значение лесов.
Лес выполняет водоохранную и водорегулирующую роль, снижает летние и весенние паводки, предупреждает наводнения. Реки протекающие через лесные массивы, круглый год имеют достаточное количество воды, в то время как реки безлесных районов весной выходят из берегов, а в летнее время частот пересыхают.
Пресная вода - важнейший компонент континентальных ландшафтов. Без нес невозможны почти все формы жизни на суше, в том числе жизнь человека и его хозяйственная деятельность.
Для жизнедеятельности человеческого организма в среднем требуется 1 т, для удовлетворения бытовых нужд одного человека - 36…180 т воды в год. Еще большего количества воды требует сельское хозяйство. На выращивание 1 т сухой растительной массы ежегодно расходуется 500…1500 т воды. Огромное количество воды потребляется промышленностью. Для выработки 1 т кокса требуется 3 т воды, 1 т стали - 20 т, 1 т искусственного шелка - 950 т, 1 т высокосортной бумаги - 3000 т.
Запасы пресной воды на земном шаре невелики и составляют 30,5 млн. км 3 . Из этого объема на долю воды, пригодной для практического использования (находящейся в почве, реках, озерах), приходится лишь 3%.
Наша страна по запасам пресной воды занимает первое место. На ее территории насчитывается около 6 млн. рек, ручьев, озер, крупных прудов, искусственных водохранилищ с общим запасом воды 31,5 тыс. км 3 . Большие запасы пресных вод аккумулированы в ледниках (11 тыс. км 3). Запасы воды в болотах составляют примерно 3 тыс. км 3 , а ресурсы подземных вод составляют 1 тыс. км 3 .
Свыше 80% ресурсов пресных вод в нашей стране сосредоточено в отдаленных малоосвоенных районах европейского Севера, Восточной Сибири, Дальнего Востока. В наиболее населенных промышленных и сельскохозяйственных районах нашей страны ощущается растущий дефицит пресной воды. Самый высокий дефицит водных ресурсов наблюдается в засушливых районах юга и юго-запада.
Во многих районах проблема пресной воды связана не с количественным дефицитом, а с ухудшением ее качества. Загрязнение пресной воды происходит в результате сброса в реки, озера, водохранилища различных промышленных и бытовых отходов. Сброс 1 м 3 сточных вод делает непригодным и для потребления 40…60 м чистых вод. В результате сброса отходов и сточных вод; крупнейшие реки Европы и США загрязнены на всем своем протяжении. Объем воды, загрязненный промышленными бытовыми отходами, составляет 16% общего речного стока на земном шаре.
Истощение и загрязнение водных ресурсов нарушает баланс целых географических ландшафтов и экосистем более низкого ранга. В результате изменяется общий облик ландшафтов и экосистем, снижается качестве местообитаний и продуктивность биогеоценозов, ухудшаются условия для всех видов хозяйственной деятельности.
Во всех развитых странах мира люди пришли к пониманию важности использования природных вод с учетом сохранения равновесия географических ландшафтов и экосистем более низкого порядка. Осуществить это можно только при точном знании водного баланса того или иного района, ландшафта, экосистемы.
По сравнению с большинством природных ресурсов, например, с каменным углем, железной рудой, природным газом и другими полезными ископаемыми, вода имеет преимущество, заключающееся в способности самовосстановления. Считается, что запасы воды на земном шаре практически неизменны, но находятся в непрерывном кругообороте, который принято называть водным балансом.
Под водным балансом понимается количественное соотношение между элементами круговорота воды любой территории. Основное уравнение водного баланса имеет следующий вид:
О = СП + СГ + И,
где О - средняя многолетняя сумма жидких и твердых осадков, мм; СП - средняя многолетняя величина поверхностного стока, мм; СГ - средняя многолетняя величина подземного стока, мм; И - средняя многолетняя величина суммарного испарения (физическое испарение + транспирация), мм.
Чтобы не причинить ущерба ландшафту или какой-либо другой экосистеме, использовать воду целесообразно лишь в том объеме, который может быть восполнен естественным путем, т. е. в соответствии с составляющими водного баланса конкретной территории. Количественное и качественное соотношение составляющих водного баланса во многом зависит от основных компонентов ландшафта: рельефа, горных пород и почв, атмосферы, гидросферы, растительного и животного мира, элементов хозяйственной деятельности.
Наукой доказано, что лес - наиболее важный компонент географических ландшафтов, оказывающий самое мощное воздействие на водный баланс. Для точной количественной оценки водорегулирующей роли леса необходимо иметь четкое представление и количественные данные о том, как лесные массивы и насаждения различной структуры влияют на составляющие водного баланса.
Главный элемент водного баланса территории любого порядка - осадки: снег, град, изморось, дождь, роса, иней. Влияние леса на количество выпадающих осадков в местном или более широком масштабе составляет предмет спорных суждений. Существует мнение о том, что там, где есть лес, количество осадков увеличивается. Вначале основным доводом в пользу этого предположения были опытные данные учета осадков в лесу и поле. В лесные осадкокамеры из-за ветровой турбуленции, вызываемой лесным пологом, попадает большее количество осадков, чем в полевые. Впоследствии было доказано, что эти выводы ошибочны из-за несовершенства методов и приборов, используемых для учета осадков. Главным доводом в пользу концепции об увеличении осадков под влиянием леса является тот факт, что над лесными территориями содержание влаги в атмосфере часто бывает выше, чем над безлесными из-за более высокого испарения влаги лесной растительностью, по сравнению с испарением ее растительностью других видов угодий. Однако и это предположение было опровергнуто тем, что осадки местного происхождения даже над большими территориями, как например европейская часть СССР, составляют незначительную величину (13%), по сравнению с теми, которые приносятся с других территорий. Следовательно, если лес и оказывает на общее количество выпадающих над ним осадков какое-либо влияние, то оно ничтожно.
Влияние леса на увеличение количества осадков в основном связывают с горизонтальным их перехватом и перераспределением. В холодных и влажных поясах гор, где часты туманы и облака касаются поверхности земли, лес как бы «вычесывает» облака, конденсируя в виде росы или измороси проходящую парообразную влагу на ветвях, листьях, хвое, стволах. Такое явление называется горизонтальным перехватом . Его можно заметить и в равнинных лесах. В елово-лиственных лесах Подмосковья величина конденсационных осадков составляет в среднем 25…35 мм в год. Наибольших величин такой вид влаги достигает в горах. Так, в отдельные дни на лесных горных вершинах Баварии (ГДР) величины осадков горизонтального перехвата бывают соизмеримы с величинами обычных дождевых осадков.
Явление перераспределения осадков связано с их твердой формой - снегом. В лесу в результате ветровой турбуленции большая часть падающего и переносимого ветром снега попадает в кроны деревьев и межкронное пространство, часто способствуя повышенному снегоотложению внутри леса по сравнению с отложением его на открытых пространствах, где для переноса снега ветром мало препятствий. Наилучшими снегопакопительными свойствами характеризуются древостой, в которых кроны деревьев не образуют сплошного полога, препятствующего падению снега на землю. Такими свойствами характеризуются лиственные насаждения, а также любые древостой с большим количеством прогалин в древесном пологе.
Запасы воды (в мм) в снеговом покрове в зависимости от насаждения распределяются следующим образом (Эйтинген, 1938):
- Еловые насаждения - 77,9
- Сосновые насаждения - 99,4
- Березовые насаждения - 120,9
- Лесные поляны - 131,0
- Поле - 107,4
С явлением перераспределения снега связана также большая снегонакопительная роль защитных лесных полос на сельскохозяйственных и других землях. Накопление снега на лесных опушках и в лесных полосах превосходит его накопление в поле в среднем в 2…6 раз, что для лесостепной зоны и южной части зоны лесов составляет 120…200 мм. Иногда такие скопления в пересчете на слой воды достигают 800…1000 мм и более при снегозапасах в открытой степи 50…60 мм.
Таким образом, на опушках леса и в полезащитных лесных полосах общее годовое увлажнение увеличивается на 30…60% в сравнении с увлажнением на открытых полях и на 25…45% больше, чем в крупных лесных массивах. Из сказанного следует, что леса, расположенные на речных бассейнах в виде отдельных боров, колков, лесных полос и т. д„ больше увлажняют водосборы, чем крупные лесные массивы. Следовательно, и на величину речного стока размещение леса на водосборе может влиять по-разному.
Не менее важное влияние леса на осадки связано с явлением вертикального перехвата . При выпадении дождя или снега над лесом часть осадков задерживается кронами и стволами деревьев. В дальнейшем одна часть их стекает или падает на землю, другая испаряется. Максимальное количество осадков, которое может быть задержано пологом насаждения, получило название емкость влагозадержания полога . Эта величина зависит от состава и сомкнутости древостоев. В сомкнутых хвойных древостоях она составляет 24…46%, в лиственных - 21…24% дождевых осадков. Для снега емкость влагозадержания полога в хвойных насаждениях составляет в среднем 22%. в лиственных - 3%. Фактором вертикального перехвата осадков объясняются низкие снегонакопительные свойства густых хвойных древостоев, в которых осадки в большой степени задерживаются сомкнутым пологом и испаряются. Только из-за различий в задержании осадков кронами во влагооборот почвы под лиственными насаждениями включается примерно на 140…150 мм влаги больше, чем под еловыми, в том числе около 30…35 мм влаги зимних осадков, большая часть которых участвует в формировании стока. Если учесть, что к моменту ухода под снег запасы почвенной влаги в лиственных насаждениях выше, чем в ельниках, на 35…40 мм, можно считать, что лиственные древостой способны заметно увеличить расход воды на подземный сток. Это дает основание рекомендовать создание насаждений из лиственных пород пли с их участием в лесах, имеющих особо важное водоохранное и водорегулирующее значение.
Важный элемент водного баланса ландшафтов - испарение. С испарением, особенно в засушливых местностях, связывают «непродуктивный» цикл водного баланса, поскольку испаряющаяся влага исключается из ресурсов поверхностных и грунтовых вод. В водно-балансовых исследованиях испарение, как правило, подразделяют на физическое испарение с различных поверхностей и транспирацию (десукцию) растительным покровом.
Влияние леса на испарение проявляется следующим образом. Часть осадков, выпадающих над лесом, задерживается древесным пологом, другими ярусами растительности и частично испаряется. Осадки, попадающие на почву, также не все пополняют поверхностные и грунтовые воды. Одна часть их расходуется на физическое испарение, другая транспирируется растительностью всех ярусов леса.
Основные потерн запасов почвенной влаги в лесу из-за транспирации деревьями и испарения с поверхности почвы автоматически регламентируются влагонакопительной способностью почв, частотой пополнения запасов почвенной влаги и длительностью засушливого периода. Там, где засушливый период продолжителен, лес может иссушить почву до влажности устойчивого завядания. Прогнозирование скорости и форма кривой расхода представляют значительный интерес для оценки влияния леса на почвенную влагу. В течение продолжительных засушливых периодов, что наблюдается при средиземноморском типе климата, когда продолжительность засухи может превышать 200 дней, - почвы первоначально иссушаются быстро, но постепенно этот процесс замедляется и доходит до ничтожных значений к тому времени, когда содержание почвенной влаги достигнет уровня устойчивого завядания.
Как известно, разные древесные породы характеризуются различной транспирационной способностью. В связи с этим суммарное испарение в лесу в значительной степени определяется составом лесообразующих пород.
В целом результаты исследований на лесных и полевых водосборах, расположенных по-соседству, свидетельствуют, что годовое суммарное испарение в лесу бывает на 5…20% выше, чем в поле.
Различия суммарного испарения с открытых и лесных площадей могут быть эффективно использованы для регулирования водного баланса территорий. В зонах избыточного увлажнения насаждения с повышенной транспирационной способностью предохраняют территории от переувлажнения и заболачивания. Например, в таежной зоне, где количество осадков превышает суммарное испарение, вырубка коренных еловых лесов часто приводит к заболачиванию земель. Восстановление леса на этих площадях прекращает процесс заболачивания. Создание плантаций из эвкалипта, который обладает большой транспирационной способностью, позволило успешно осушить и преобразовать в благодатный край прежде заболоченную и зараженную малярией Колхидскую низменность на Кавказе. В тех природных зонах и странах, в которых остро ощущается дефицит пресной воды, полная или частичная вырубка лесов и замена их луговой и кустарниковой растительностью способствуют увеличению поступления воды в водоемы. Например, в США экспериментально установлено, что вырубкой лесов на водосборах сток воды в водоемы можно увеличить в 1,5…3 раза. В нашей стране, судя по воднобалансовым расчетам, лесные массивы, особенно из дубовых насаждений, в вододефицитных степных и лесостепных районах играют иссушающую роль, и этот отрицательный эффект можно исправить заменой лесных массивов системой лесных полос.
Важнейший элемент водного баланса, формирующий доступные для практического использования ресурсы пресных вод, - сток. Достигшая поверхности почвы и не испарившаяся в результате физического испарения и транспирации растительностью влага дает начало инфильтрации воды в почвенно-грунтовую толщу, почвенному, грунтовому и поверхностному стоку.
Инфильтрация - это процесс поступления влаги в почву. Он подразделяется на два этапа: период впитывания, характеризующийся резким понижением интенсивности инфильтрации, и период фильтрации (просачивания), характеризующийся постоянной интенсивностью инфильтрации.
Интенсивность инфильтрации определяется главным образом размером почвенных пор: чем они крупнее, тем интенсивность выше. Размеры пор зависят в первую очередь от гранулометрического состава почвы: чем он грубее, тем поры больше. В связи с этим наибольшей водопроницаемостью обладают песчаные почвы. В почтах суглинистых и глинистых размеры пор определяются также степенью агрегатированности, т. о. содержанием водопрочных почвенных комочков (агрегатов), склеенных органическими и минеральными соединениями. В гумусовых горизонтах эти агрегаты часто достигают нескольких миллиметров в поперечнике и характеризуются достаточной устойчивостью к размывающему действию воды. В таких горизонтах поры имеют тоже большие размеры, поэтому водопроницаемость их велика.
В горизонтах, содержащих мало гумуса, размер агрегатов (так называемых микроагрегатов) небольшой - сотые доли миллиметра. Водопроницаемость таких горизонтов вследствие малого размера пор значительно меньшая. В пахотных горизонтах почв даже с хорошей естественной структурой крупные агрегаты с течением времени разрушаются при механической обработке, в. результате чего водопроницаемость таких горизонтов, уменьшается. Этому способствует еще размывание агрегатов дождевыми каплями, что ведет к закупориванию почвенных пор глинистыми частицами.
Влияние леса на водопроницаемость ночв заключается в следующем. Песчаные почвы и под лесом и под пашней характеризуются близкими величинами водопроницаемости, так как в таких бесструктурных почвах она зависит главным образом от размера зерен песка. При суглинистом и глинистом гранулометрическом составе почва под лесом всегда обладает хорошей структурой. Даже если она сама по себе недостаточно прочна, она сохраняется в результате густой сетки корней, пронизывающих и скрепляющих почву. На пашне даже хорошая, прочная структура постепенно разрушается механическими обработками и дождевыми каплями. Высокая водопроницаемость лесных почв поддерживается еще и лесной подстилкой, которая сама обладает высокой проницаемостью и, кроме того, погашает живую силу дождевых капель и предотвращает размывание и разрушение почвенных комочков.
Как правило, из-за большей рыхлости высокой водопроницаемостью характеризуется лесная подстилка в хвойных и хвойно-лиственных насаждениях и низкой - в лиственных.
Более высокая водопроницаемость лесной почвы, особенно в начальный период инфильтрации, показана. В начальный момент впитывания влаги водопроницаемость полевой почвы примерно в 4 раза ниже, чем лесной. К. началу фильтрации с постоянной скоростью эти скорости сравниваются. В других случаях большая скорость фильтрации в лесной почве сохраняется и дальше. В целом, во взрослых насаждениях со сформировавшейся почвенной структурой и лесной подстилкой в большинстве случаев все выпадающие летние осадки поглощаются почвой.
Весной водопроницаемость почв в значительной мере зависит от степени и глубины их промерзания. Если осенью осадков было немного и почва ушла под снег более сухой, она даже в мерзлом состоянии сохраняет свою водопроницаемость, и талые воды весной беспрепятственно впитываются и просачиваются в почву. В лесу этому способствует и замедленное таяние снега. Если почва ушла под снег осенью более увлажненной и затем замерзла, ее водопроницаемость становится ничтожной. Особенно снижает ее ледяная корка, которая образуется во время оттепелей, когда вода просачивается до поверхности мерзлой почвы и замерзает на ней.
Влияние леса на водопроницаемость почв заключается в следующем. В связи с тем, что в лесу снежный покров обычно бывает более мощным, чем на поле, а температура воздуха под древесным пологом зимой выше, почва под лесом промерзает менее сильно и менее глубоко. В лесу гораздо чаще, чем на поле, наблюдается оттаивание почвы снизу, которое заканчивается до начала снеготаяния. В результате этого восстанавливается естественная водопроницаемость почвы и инфильтрация талых вод может совершаться беспрепятственно. Исключением из сказанного является процесс таяния в густых темнохвойных лесах, в которых снеговой покров из-за задержки снега на кронах может быть менее мощным, чем в ноле, а промерзание почвы соответственно более сильным и глубоким.
Если интенсивность поступления влаги на поверхность почвы при снеготаянии или при выпадении дождя превышает возможную интенсивность инфильтрации, определяемую водопроницаемостью почвы в данный момент, часть влаги остается на поверхности почвы и начинает по ней стекать, образуя поверхностный пли склоновый сток.
В областях с устойчивым снеговым покровом наибольшее количество влаги поступает в почву чаще всего весной, во время снеготаяния, когда и происходит основное в течение года пополнение запаса влаги в почве. Но есть исключения. Во-первых, в районах с неустойчивым снежным покровом талые воды поступают в почву в течение всей зимы во время оттепелей. Во-вторых, в местностях, где нет устойчивого снежного покрова (например, в восточных районах СССР с господствующим муссонным типом распределения осадков) и количество зимних осадков, а следовательно, и талых вод весной мало, запас влаги в основном пополняется в летнее время, когда выпадает максимум осадков.
Кроме весеннего стока, может быть и летний, возникающий при выпадении сильных и продолжительных ливней. Как в лесной, так и в лесостепной зонах ливневый поверхностный сток под лесом, как правило, не возникает из-за высокой водопроницаемости лесных почв.
На пашнях ливневый сток возникает обычно при дождевых осадках не менее 10 мм.
Поверхностный сток принято характеризовать коэффициентом стока . Под этим термином понимается доля влаги, стекшая поверхностным стоком за какой-либо промежуток времени, от общего количества влаги, поступившей за тот же промежуток времени на данную площадь. Коэффициент стока выражается в долях единицы или в процентах.
Коэффициент весеннего стока на песчаных почвах из-за их высокой водопроницаемости очень невелик и варьирует от 0,01…0,02 до 0,10…0,15. Коэффициенты стока с лесных и нелесных площадей отличаются мало.
На суглинистых почвах коэффициент весен него стока варьирует очень сильно, главным образом в зависимости от степени и глубины промерзания почвы. По наблюдениям в разных точках, он может изменяться от 0, когда вся влага поступает в почву, до 1,0, когда вся снеговая вода стекает поверхностным стоком. Поверхностный сток с лесных площадей на суглинистых почвах в 1,5…3,5 раза ниже, чем с нелесных. На лесных площадях весенний поверхностный сток начинается лишь после образования почвенной верховодки. Бывают годы, когда весь сток талых вод вследствие медленного снеготаяния переходит во внутрипочвенный. Как правило, наименьшими величинами весенний сток характеризуется на водосборах, покрытых хвойными и смешанными хвойно-лиственными насаждениями, из-за замедленного снеготаяния и повышенной инфильтрационной способности лесной подстилки и почвы.
Величина поверхностного стока талых и дождевых вод в большой мере зависит от проводимых в лесу хозяйственных мероприятий. Исследования в различных природных зонах нашей и других стран показывают, что после сплошной вырубки лесов на водосборах коэффициент поверхностного стока возрастает в 4…5 раз и более в первые годы после рубки в зависимости от ширины лесосек, а затем по мере восстановления леса эти различия уменьшаются до полного выравнивания стока. Сплошные рубки в наибольшей степени увеличивают сток в районах с большим удельным весом зимних осадков.
На почвах различного механического состава влияние леса и сплошных рубок на поверхностный сток не одинаково. На песчаных почвах изменение поверхностного стока в результате сплошных рубок проявляется меньше, чем на суглинистых и глинистых, в связи с различиями в их водопроницаемости. Например, на песчаных почвах в сосновых лесах Белоруссии коэффициент поверхностного стока варьирует от 0,02 до 0,05, а на сплошных вырубках от 0,02 до 0,12.
Период восстановления водорегулирующих свойств леса после сплошных рубок зависит от скорости восстановления растительного покрова на вырубках и его характера. При обильном и быстром порослевом возобновлении выравнивание поверхностного стока в лесу и на вырубках заканчивается через 5…6 лет после рубки. При искусственном восстановлении леса на вырубках, особенно крупномерным посадочным материалом, выравнивание стока может заканчиваться в более короткие сроки. При последующем естественном возобновлении выравнивание стока наблюдается через 15…20 лет. На вырубках с замедленным процессом возобновления леса, заросших травяной растительностью или используемых под пашни, сенокосы, пастбища, выравнивание поверхностного стока может растягиваться на более продолжительный срок, а иногда наблюдается и дальнейшее увеличение стока.
Иначе изменяется поверхностный сток при постепенных и выборочных рубках леса, когда за каждый прием вырубается лишь часть деревьев и площадь сплошь покрыта лесом. При таких рубках водно-физические свойства лесной почвы и поверхностный сток почти не изменяются, за исключением тех случаев, когда в результате рубок сомкнутость древостоев снижается до 0,5 и менее.
На равнинных территориях, не имеющих склонового стока, сплошные рубки лесов в зонах избыточного увлажнения способствуют возникновению другого отрицательного явления - заболачивания, особенно на почвах с тяжелым механическим составом и низкой водопроницаемостью. В процессе восстановления леса на сплошных вырубках заболачивание прекращается. При постепенных и выборочных рубках заболачивания, как правило, не наблюдается.
В верхних горизонтах почвы часто встречаются водоупорные глинистые или суглинистые слои с низкой водопроницаемостью, такие, например, как горизонт B в почвах подзолистого типа, поэтому при интенсивном поступлении в почву влаги весной во время снеготаяния или летом при концентрированном выпадении осадков инфильтрация воды в вышележащие горизонты может превышать водопроницаемость водоупорного горизонта и вода может накапливаться над ним. Такая вода получила название верховодки . На горизонтальных местоположениях верховодка застойна и ухудшает аэрацию почвы. На склонах она стекает в почвенных слоях; над водоупорным горизонтом и может достигать ручьев, рек, озер и т. д. Это явление называется почвенным стоком . Запас влаги в верховодке обычно невелик, поэтому она быстро расходуется на физическое испарение и транспирацию.
Поступление воды в грунтовые горизонты и стенание ее в толще грунта в ручьи, реки, озера называется грунтовым стоком , а суммарная величина почвенного и грунтового стока - почвенно-грунтовым стоком .
Из-за более высокой инфильтрации влаги в почву в лесу по сравнению с инфильтрацией в поле на лесных водосборах величина почвенно-грунтового стока в 1,5 раза больше, чем на полевых. Почвенно-грунтовый сток характеризуется несколько меньшей скоростью, чем поверхностный, поэтому на лесных водосборах колебания суммарного стока наступают на 4…10 дней позже и их амплитуда значительно ниже, чем на полевых. Особенно четко сглаживающее влияние леса на колебания стока проявляется в периоды половодий, паводков и меженей.
В целом влияние леса на сток заключается в уменьшении поверхностного стока и в увеличении количества талых и дождевых вод, просачивающихся в почву и грунтовые воды. В лесу по сравнению с полем большая часть влаги поступает в почвенно-грунтовый сток и не участвует в процессе физического испарения. В результате такой трансформации сток рек увеличивается с увеличением лесистости их водосборов и выравнивается на протяжении всего сезона.
В Заволжье, Подмосковье, западных и северо-восточных районах европейской части нашей страны на каждые 10% увеличения лесистости бассейнов рек увеличивается сток на 9…14 мм. В разных районах страны, включая степные и лесные зоны, с увеличением лесистости речных бассейнов от 0 до 10% увеличение стока составляет 18…28 мм, от 11 до 20% - 7…16 мм, от 21 до 30% - 5…12 мм, от 31 до 60% - 6…11 мм.
Наряду с регулированием поверхностного и почвенногрунтового стока леса играют большую роль в предохранении водных ресурсов от физического, химического, биологического и теплового загрязнения. Известно, что продукты водной эрозии почвы, поступающие со стоком в реки, озера, водохранилища и прочие водоемы, снижают чистоту воды, способствуют заилению и образованию наносов. Ущерб от заиления судоходных рек продуктами эрозии составляет ежегодно 20 млн. руб., а от заиления прудов и водохранилищ - 30 млн. руб. Чистая вода нужна не только человеку, но и промышленным предприятиям. Загрязнение водоемов снижает содержание кислорода в воде, что очень вредно сказывается на жизнедеятельности водной фауны и флоры.
Лесной покров до минимума снижает водную эрозию почвы. После сведения леса смыв почвы может достигать 500…600 м 3 /га. Не защищенные лесом водоемы в результате заиления и образования наносов быстро мелеют. Подобный процесс характерен, например, для Куйбышевского и Цимлянского водохранилищ. Многие водохранилища за несколько лет заиляются на 70% и более.
Поверхность обезлесенных водоемов получает во много раз большее количество солнечной энергии в сравнении с облесенными. В связи с этим температура воды в них может быть на 7…8°С выше. Такое повышение температуры воды в жаркие погодные периоды отрицательно влияет на фауну. Известно, что обмен веществ у рыб зависит от температуры воды. Повышение температуры воды на 10°С увеличивает у них потребность в кислороде в 2…3 раза. Известны случаи, когда вырубка лесов по берегам небольших рек приводила к гибели отдельных видов рыб.
Повышение температуры воды в результате сведения леса может иметь неблагоприятные последствия для коммунального и промышленного водоснабжения в связи с изменением ее вкуса, запаха и химических и охлаждающих свойств. Считают, что повышение температуры воды более чем на 3°С сверх увеличения, вызванного погодными условиями, неблагоприятно для вышеуказанных целей.
Регулировать нагрев воды в реках и других водоемах можно посредством лесохозяйственных мероприятий, создавая затеняющие лесные полосы. Ручьи могут затеняться кустарниками, а реки полосами из деревьев. В этом случае максимальное увеличение температуры воды не будет превышать 10°С. Затеняющие полосы могут быть размещены по берегам рек с некоторыми разрывами для устройства пляжей и т. д.
Качество пресной воды в большой степени зависит от содержания в ней растворенных химических веществ. Лесные насаждения положительно влияют на качество воды, снижая ее жесткость, увеличивая щелочность и улучшая органолептические свойства.
В связи с интенсивной рубкой лесов, широким применением минеральных и органических удобрений в сельском хозяйстве, сбросом сточных вод в водоемы возникает проблема химического и бактериального загрязнения водоемов.
В докладе Международной организации здоровья ООН указывалось, что 85% всего человечества потребляет вредную для здоровья воду. Ежегодно от потребления загрязненной питьевой воды заболевает около 500 млн. человек. По статистическим данным, в странах Западной Европы каждые сутки в водоемы поступает 400 л и более бытовых и промышленных сточных вод на каждого жителя. В крупнейшую клоаку Европы превращен Рейн. В него ежесуточно только из Рурской промышленной области попадает до 30 тыс. кг фенола. Количество хлоридов, которые приносит Рейн со своими водами в Нидерланды, составляет в среднем 225,6 кг/с. Чтобы сделать воды Рейна пригодными к потреблению, требуются дорогостоящие очистные сооружения. Из-за повышенного загрязнения вод почти во всех крупных реках Западной Европы купание запрещено. Загрязненные органическими веществами воды водоемов представляют отличную среду для развития простейших организмов. Они становятся источником опасных заболеваний. Черный гнилостный ил, выделяющий сероводород, покрывает дно загрязненных сточными водами водоемов. Загрязнение вод наносит огромный ущерб народному хозяйству и принимает такие размеры, что требуются огромные средства для его устранения.
Лес - одно из эффективных средств предотвращения загрязнения воды. В воде облесенных водоемов содержание химических веществ обычно невелико (до 0,9 мг/л), после вырубки леса содержание их возрастает в 50 раз и более. С каждого квадратного километра облесенных водосборов в водоемы поступает до 7 т растворенных химических веществ, на необлесенных водосборах эта величина возрастает до 17 т/га. В результате такого сильного химического загрязнения вода становится непригодной для использования в бытовых и промышленных целях, часто наблюдается зацветение водоемов в результате интенсивного размножения водорослей и т. д.
Особого внимания заслуживает вопрос, о влиянии леса на бактериологические показатели воды. Нормами допустимого содержания бактерий в воде максимальный их уровень предусматривается в пределах 10 000 колоний на 100 мл по общему содержанию кишечных палочек. В ряде случаев из-за сброса в водоемы неочищенных коммунальных и сельскохозяйственных сточных вод содержание бактерий в воде превышает допустимые нормы.
Леса могут быть эффективным средством предохранения пресных вод от бактериального загрязнения. Исследования показали, что бактериологические показатели воды, проходящей через лесные насаждения, намного лучше, чем воды с открытых территорий. Количество бактерий в воде, проходящей через лесные полосы, может быть в 2…25 раз меньше по сравнению с их количеством в воде, прошедшей через поле.
Различные древесные и кустарниковые породы неодинаково влияют на изменение качества воды, проходящей через лесные насаждения. Если мутность воды, стекающей с безлесной площади, составляет 100%, то после прохождения соснового насаждения она уменьшается до 20, вязового - до 17, дубового с ясенем до 15%. Если в 1 л воды, поступающей в водохранилище с выгона, содержится 100% кишечных палочек, то после прохождения ее через вязовое и акациевое насаждения численность этих бактерий снижается в 10, через сосновое - в 18 раз, а через дубовое с примесью ясеня - в 23 раза. На резкое улучшение качества воды, проходящей через лесные насаждения, указывают и данные колититра, который у воды, прошедшей через сосновое насаждение, равен 20, через смешанное дубовое - 15, а у воды, поступающей с выгона, лишь 1,1. Таким образом, лес влияет как на улучшение качества воды, так и на количественные составляющие круговорота воды (осадки, сток, испарение) и может быть эффективно использован в решении проблем регулирования и охраны водных ресурсов, защиты от эрозии, химического и бактериологического загрязнения вод и др.
Накопленный опыт при комплексном изучении водоохранно-защитной роли лесов позволяет организовать и вести хозяйство без ущерба водным ресурсам. На основании исследований для отдельных природных зон нашей страны разработаны нормы оптимальной лесистости водосборов, при соблюдении которых сохраняются и улучшаются водоохранные и водорегулирующие свойства леса и водный баланс территорий.
Нормы оптимальной лесистости зависят прежде всего от природных условий того или иного лесорастительного района. Если в зонах избыточного увлажнения оптимальная лесистость составляет 60% и более, то в засушливых районах она может быть 25% и значительно меньше. В пределах одного лесорастительного района оптимальная лесистость водосборов может изменяться в зависимости от водно-физических свойств почвы.
На почвах тяжелого механического состава оптимальная лесистость должна быть меньше, чем на легких почвах.
На почвах разного механического состава (с учетом лесоосушительной мелиорации) оптимальная лесистость (по Молчанову, 1973) составляет (%):
- Глинистые, дерново-подзолистые - 50
- Суглинистые, дерново-подзолистые - 40
- Супесчаные, дерново-подзолистые - 30
- Темно-серые и серые суглинистые - 25
- Выщелоченные черноземы - 20
- Песчаные почвы (абсолютно лесные) - 100
- Перегнойно-торфяно-глеевые на покровных супесях - 100
В тех районах, где остро ощущается дефицит воды, для увеличения полного стока возможно снижение нормы оптимальной лесистости путем сплошной вырубки всех или части лесов и замены их менее интенсивно потребляющей воду травянистой, кустарниковой или древесной растительностью.
Подобные исследования и работы широко проводят в США. Так, по данным американских ученых, увеличение стока в первый год после сплошной рубки леса на небольших водосборах в западной части Северной Каролины составило от 152 до 432 мм. В Западной Виргинии сплошная рубка леса на водосборах и последующее уничтожение древесной растительности гербицидами увеличили сток на 203…406 мм, в Нью-Хемпшире - на 203…356 мм. Размеры увеличения полного стока в результате вырубки лесов во многом зависят от водопотребляющих свойств лесообразующих древесных пород. В Уэгон-Уил-Гэп в штате Колорадо сплошная рубка древостоя осины обеспечила годовое увеличение стока на 25 мм, а сплошная рубка насаждений из пихты и псевдотсуги в центральной части Аризоны - на 76 мм. В Аризоне и Калифорнии после сведения зарослей чаппораля и создания травяного покрова было достигнуто увеличение стока на 51…356 мм в год (в зависимости от количества зимних осадков). В западной части штата Орегон сплошная рубка дугласовой пихты сопровождалась увеличением годового поступления воды на 460 мм. Таким образом, сплошная рубка небольших массивов может дать заметное увеличение общего стока. Возьмем для примера лесной массив водосборного бассейна площадью 1600 га, ведение хозяйства в котором направлено на получение пиловочника при обороте рубки в 80 лет. Сплошная рубка в нем будет проводиться ежегодно на 20 га. Если в первый год увеличение стока составит 254 мм, а затем будет линейно снижаться до нуля в десятилетнем цикле, то среднее годовое увеличение общего стока на площади 1600 га составит около 13 мм, что соответствует 208 млн. л в год. Это увеличение удовлетворит потребности в воде дополнительно 845 человек (600 л на 1 человека в сутки) или обеспечит орошение дополнительно 137 га при общем уровне полива 152 мм.
Перспективно увеличение полного стока путем сплошной рубки полосами, прилегающими к водотокам, где предполагается высокий уровень потребления воды. Рубки вдоль берегов могут дать благоприятные результаты в аридных и семиаридных районах, где произрастают различные бесполезные фреатофиты. Потребление воды фреатофитами настолько велико, что уничтожение их - одно из важнейших средств увеличения водоснабжения. Фреатофиты поглощают 610…1220 мм воды в год. Сколько ее можно сберечь, вырубив некоторые из главных потребителей воды - тополь, ольху, тамарикс и др.? Подсчитано, что, если на 25% сократить потребление воды фреатофитами в 17 западных штатах США, то количество сбереженной воды составит 7,5 млрд. м 3 .
Обширная программа борьбы с фреатофитами в США осуществлена в долине Рио-Гранде. В одном районе строительство оросительного канала на свободной от фреатофитов площади сберегло, по имеющейся оценке, 620 млн. м 3 воды ь год. В другом районе вырубка фреатофитной растительности на 2145 га позволила сберечь 17 млн. м 3 воды в год.
Вместе с тем увеличение полного стока путем сплошной вырубки лесов на водосборах, по берегам рек и водоемов может иметь неблагоприятные последствия (возникновение паводков, наводнений, водной эрозии почвы и т. д.), поэтому во всех случаях вырубка лесов должна сопровождаться заменой их менее интенсивно потребляющей воду защитной растительностью, сохранением лесной подстилки и почвы. Исследования в США показали, что замена хвойного леса менее потребляющим воду лиственным способствует увеличению полного стока на 60…100 мм в год, при этом водоохранно-защитные свойства леса изменяются незначительно.
Увеличения полного стока при сохранении водоохранно-защитных свойств леса можно добиться и путем несплошных рубок, типа выборочных, постепенных, а также рубок ухода в молодняках. При таких рубках на водосборах сток воды возрастает пропорционально количеству вырубаемой древесины.
Максимального снегонакопления, позднего таяния и стока можно достичь, применяя рубки кулисного типа, при которых лес вырубают полосами, чтобы обеспечить затенение, когда солнечные лучи падают на поверхность склона под углом, наиболее близким к прямому. Рубка чересполосного типа позволяет создать стену спелых деревьев для затенения и свести к минимуму отраженное излучение. Ширина полос должна быть равна примерно половине высоты среднего дерева на южных склонах крутизной менее 20° и от однократной до четырехкратной высоте дерева на северных склонах крутизной более 20°. Промежутки между полосами должны соответствовать числу приемов рубки в обороте. Применение этой системы в США сократило зимние потери воды от сочетания перехвата, испарения с поверхности снежного покрова и транспирации на 137 мм. Летние и осенние потери от перехвата влаги пологом и транспирации составили в среднем 56, 102 и 117 мм на глубине почвогрунта соответственно 91, 122 и 152 см. Таким образом, если вырублена полосами 1/3 всего насаждения (по площади), то при аккумуляции воды около 254 мм годовое увеличение стока составит 85 мм.
В земледельческих безлесных районах, находящихся в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения, дефицит воды, лимитирующий урожайность сельскохозяйственных культур, может быть в значительной степени восполнен созданием систем противоэрозионных, полезащитных и водопоглотительных лесных полос. Расчеты показывают, что, создав подобные системы лесных полос, через 10…15 лет можно снизить поверхностный сток с пашен в 2 раза, снос снега в 3 раза, непродуктивное испарение на 15…20%, что увеличит водообеспеченность земледелия в 1,4…1,5 раза.
На основании многочисленных исследований в СССР и зарубежных странах установлено, что не все леса в одинаковой степени выполняют водорегулирующие и защитные функции. Например, леса на водосборах играют преимущественно водорегулирующую роль, а леса по берегам рек и других водоемов - защитную и водопоглотительную. Это учитывается в нашей стране и некоторых других странах при делении лесов на группы по функциональному назначению. Для каждой группы лесов разрабатывают определенные системы хозяйственных мероприятий, направленные на улучшение специальных функций лесов.
В СССР водоохранно-защитные леса наряду с другими лесами защитного значения отнесены к I группе. На основании специальных исследований для многих районов страны разработаны нормативы выделения водоохранно-защитных лесов по берегам рек, озер, водохранилищ, минеральных источников и т. д. В качестве защитных лесов вдоль рек следует выделять леса на меженных берегах, поймах, склонах коренных берегов речных долин, водопоглотительной полосе для защиты бровки коренного берега долины реки, расположенной на забровочной территории (50…200 м, в зависимости от механического состава почвы, уклона забровочной территории и древесной породы).
Вдоль рек выделяют три категории лесов: запретные полосы; берегозащитные полосы в пределах запретных полос и полосы вдоль нерестовых рек.
По данным института «Союзгипролесхоз», главные особенности ведения лесного хозяйства в лесах запретных полос вдоль рек, озер и других водоемов заключаются:
- в максимальном увеличении лесопокрытой площади в запретных полосах и равномерном размещении лесов по водосборной площади бассейна реки при оптимальной лесистости;
- в применении равномерно-, группово-выборочных, постепенных и сплошных узколесосечных рубок в тех случаях, когда выборочные или постепенные рубки с лесоводственной точки зрения не оправданы;
- в производстве культур тех древесных и кустарниковых пород, которые по своим защитным свойствам наиболее отвечают условиям местоположения;
- в выращивании таких лесных насаждений, которые с учетом водоохранного значения обеспечивают наибольшую продуктивность насаждений и сокращают до минимума лесовосстановительный период.
Лесовосстановительные рубки в лесах запретных полос вдоль рек, озер и других водоемов должны быть направлены на повышение водоохранных, почвозащитных, климатологических, санитарно-гигиенических и других функций. Одновременно с этим они должны обеспечивать своевременное использование древесины без потери ее технических качеств, улучшение возрастной структуры и повышение качественного и породного состава насаждений. Способ рубок в лесах запретных полос зависит от назначения, состава и продуктивности, возрастной структуры и полноты насаждений. Учитывая комплекс факторов, выбирают такой способ рубки, который способствует наилучшему выполнению насаждениями водорегулирующих, почвозащитных и других функций. Способ рубки леса должен обеспечить лесовосстановление и формирование насаждений нужного породного состава и высокой продуктивности.
К лесоводственным мероприятиям, способам и технологии рубок предъявляются следующие требования:
1. Непрерывное сохранение лесной среды, при котором все компоненты лесного биогеоценоза совокупно выполняют защитные функции. Это достигается слабым или умеренным прореживанием древесного полога выборочными или постепенными рубками средней интенсивности.
2. Немедленное восстановление леса на вырубках желательными породами путем сохранения подроста, быстрого последующего возобновления или создания лесных культур. В этих условиях наиболее эффективны постепенные рубки, которые позволяют не только сохранить, но и получить подрост главных пород. Примерно такая же цель достигается узколесосечными сплошными рубками.
3. Улучшение санитарного состояния и качественного состава насаждения путем удаления в первую очередь больных, поврежденных деревьев, а также деревьев с пониженным приростом и всех или части деревьев второстепенных пород.
4. Получение максимального прироста древесины на лучших деревьях. Постепенные и выборочные рубки активизируют физиологические процессы (фотосинтез, транспирацию и т. п.) остающихся деревьев, способствуют повышению продуктивности леса и его защитных свойств.
В результате проведения комплекса лесохозяйственных мероприятий должно быть достигнуто равномерное распределение лесов по всей площади водосбора с оптимальной лесистостью.
Рубки ухода за лесом в запретных полосах вдоль рек, озер и других водоемов должны обеспечивать улучшение породного состава насаждений, повышение качества и устойчивости насаждений, сокращение сроков выращивания спелой древесины, увеличение размера пользования древесиной с единицы площади. Лесовосстановление в запретных полосах по берегам рек и вокруг водохранилищ должно обеспечить в короткий срок (5…10 лет) облесение всех не покрытых лесом площадей.
Для успешного развития посадок в прирусловой части поймы на русловых песках большое значение имеют лесорастительные свойства русловых песков, высота над меженью, мощность наносных отложений, ход спада талых вод, глубина залегания грунтовых вод, влажность песков в период вегетации и погодные условия вегетационного периода. Чтобы сохранить посадки от отрицательного влияния паводка, льда и других факторов, их не следует доводить до меженного уреза воды. Практика показала, что нижней предельной отметкой создания культур являются 100 см над средним меженным уровнем воды в реке. На площадях, расположенных ниже этой от метки, необходимо создавать аэрогидрофитный пояс из полуводных растений - тростника, камыша и др.
На участках, выделенных для облесения, посадки могут быть сплошные и кулисные. В кулисных посадках полосы насаждений чередуются с полосами голых песков. Наиболее надежно закрепляет наносы сплошная посадка. Однако, как показали наблюдения, кулисные посадки сокращают расход на облесение и способствуют естественному облесению песков (зарастанию самосевом межкулисных полос).
Для повышения производительности лесов запретных полос рекомендуется посев люпина под пологом леса и при создании лесных культур. Однако на очень сухих глубоких рыхлых песках и на сырых и мокрых почвах люпин сеять не следует.
Реконструкция насаждений представляет собой полную или частичную замену насаждений, которые не могут удовлетворительно выполнять водоохранную и водорегулирующую роль или неэффективно используют лесные земли. В результате реконструкции можно вырастить сложные по форме и смешанные по составу насаждения, отличающиеся хорошими водоохранными свойствами. Реконструкции подвергают следующие насаждения: молодняки, в составе которых преобладают малоценные древесные породы; низкополнотные молодняки как естественного, так и искусственного происхождения; насаждения более старшего возраста при полноте 0,4 и ниже, а также насаждения, находящиеся в неудовлетворительном санитарном состоянии и плохо выполняющие водоохранно-защитную роль.
В зависимости от лесорастительных зон и условий местопроизрастания реконструкцию насаждений осуществляют частичной заменой малоценных пород в молодняках с незначительной примесью главных пород, заменой малоценных молодняков, не имеющих в своем составе главных древесных пород, а также совершенно неудовлетворительных по своему состоянию и водоохранно-защитной роли.
В водоохранно-защитных лесах работники лесного хозяйства обязаны вести постоянные наблюдения за возникновением пожаров, очагов вредителей - лесных насекомых и грибных болезней, так как эти факторы приводят к разрушению насаждений и ухудшению их водорегулирующих и защитных свойств.
Побочные пользования лесом могут сильно влиять на его состояние, т. е. на все формы его защитно-водоохранной службы. Из всех видов побочного пользования лесом наиболее вредное воздействие на него оказывает пастьба скота. При нерегулируемой интенсивной пастьбе совершенно исчезает подлесок, нарушается связанность подстилки и структура почвы. Это приводит к резкому снижению способности леса задерживать и осаждать аллювий (прежде всего грубого механического состава), уменьшает устойчивость почвы против эрозии, уменьшает ее водопоглотительные свойства, увеличивает вынос продуктов эрозии в реки.
Организация побочных пользований в лесу должна соответствовать действующей инструкции. Однако прирусловые поймы и крутые склоны не должны быть местом выпаса скота. На покатых склонах пастьба может быть допущена в самых ограниченных размерах. При появлении признаков заметного нарушения подстилки, уплотнения почвы и образования потоков воды по склону во время снеготаяния и ливней пастьба скота должна быть немедленно запрещена.
В лесах, выполняющих водоохранно-защитную роль, нельзя допускать сбор лесной подстилки и корчевку пней. Любые разработки недр на территории водоохранно-защитных лесов следует проводить с учетом особенностей рельефа, чтобы не вызвать эрозионных процессов. По окончании разработки отвалы и другие обнаженные площади должны быть облесены.
Леса на водосборных бассейнах рек, озер и водохранилищ выполняют преимущественно водорегулирующую роль и относятся к категории защитно-эксплуатационных. В таких лесах, по данным В. Т. Николаенко и др. (1973), лесоводственные мероприятия должны сохранять и усиливать почвозащитные, водоохранные и водорегулирующие функции насаждений, предупреждать возникновение эрозионных процессов, улучшать условия местопроизрастания для восстановления естественным путем хозяйственных пород, повышать продуктивность и улучшение общего состояния лесов.
Способы рубок и технологию лесосечных работ устанавливают в зависимости от биологических особенностей древесных пород, типов леса, крутизны и экспозиции склонов, условий лесовозобновления, устойчивости почв против эрозии, наличия и состояния подроста главных пород. Они должны обеспечивать сохранение максимального количества жизнеспособного подроста главных пород и способствовать успешному восстановлению леса на вырубках в кратчайший срок хозяйственно-ценными породами.
В зависимости от состава насаждений, биологических особенностей древесных пород, крутизны и экспозиции склонов, а также от условий местопроизрастания и характера лесовозобновления в защитно-эксплуатационных лесах осуществляют сплошные добровольно-выборочные, постепенные и группово-выборочные рубки. Рубки ухода в этих лесах направлены на улучшение породного состава, санитарного состояния и особенно на сохранение и повышение защитной и водоохранной роли. Высота над уровнем моря, крутизна и экспозиция склонов, мощность и противоэрозионная устойчивость почвы, а также состояние насаждений определяют характер и интенсивность рубок ухода.
Лесовосстановление в защитно-эксплуатационных лесах предусматривают в основном естественное, поэтому в процессе рубки должно быть обеспечено сохранение максимального количества жизнеспособного подроста и второго яруса главных пород. После окончания лесозаготовок сильно поврежденные подрост и молодняк дуба, ясеня и других твердолиственных пород вырубают.
При постепенных и группово-выборочных рубках каждый последующий прием рубки можно осуществлять только в том случае, если на лесосеке есть достаточное для восстановления леса количество жизнеспособного подроста главных пород. За оставшимся на лесосеке подростом хвойных и твердолиственных пород ведут уход, заключающийся в освобождении его от порубочных остатков и угнетения подлеском и покровом. Если подроста нет, предпринимают меры содействия естественному возобновлению или создают лесные культуры.
Побочным пользованием в защитно-эксплуатационных лесах является пастьба скота. На участках, поступающих в рубку, пастьбу скота запрещают за 10 лет до рубки. Не разрешается также пастьба скота в молодняках I класса возраста, на особо защитных участках леса и участках, на которых предприняты меры содействия естественному возобновлению.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .