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.
Значение влаги для роста 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 через листовую поверхность влагу, деревья регулируют свой температурный режим. Вода входит в состав клеток и тканей животных и растений, почвы, атмосферы, в зависимости от ее 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.
В природе вода находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. В общем объеме мировых водных запасов вода в твердом состоянии в виде льда составляет 1,65%. Количество пресной воды, содержащейся в реках, озерах и почве, равно 0,635 % объема водных запасов земли. Атмосферная вода составляет 0,001 %, и на долю мирового океана приходится 93,96 %- общих запасов влаги . Эти показатели общего объема мировых водных запасов ориентировочны.
Твердая, жидкая и газообразная влага в количественном отношении меняется в зависимости от интенсивности солнечной радиации и других факторов. Вода в жидком состоянии, поглощая солнечную энергию, превращается в водяные пары атмосферы, по концентрации которых в ней определяют влажность воздуха. Количество влаги в воздухе зависит от его температуры, движения, рельефа местности, а также от времени года и географического месторасположения. Высокие температуры, которые сами по себе могут быть губительными для растений, в сочетании с достаточной влажностью воздуха и почвы обеспечивают им благоприятные условия для роста.
Водяные пары, перемещаясь в атмосфере, попадают в условия более низких температур, конденсируются, выделяют много тепла и выпадают в виде осадков, часть которых пополняет запасы воды на суше. Выпадающие осадки просачиваются в землю или стекают с поверхности почвы и через реки попадают в океан.
Источники влаги, их влияние на лес. Основными источниками влаги в лесу являются снег и дождь. Большая часть осадков в виде дождя и растаявшего снега стекает поверхностным стоком в реки, озера, моря, частично задерживается на поверхности почвы и растительности, а затем испаряется в атмосферу. Если количество выпадающих осадков значительно, то часть их расходуется на смачивание почвы и потребление корнями растений.
В разных географических зонах страны количество выпадающих осадков неодинаково. Так, в аралокаспийских степях их выпадает всего 100 мм, в северо-восточных районах -- до 300 мм, центральных--500--600 мм, степных -- 300--400 мм, в Сибири осадков выпадает мало: в средней части 300--400 мм, восточной -- 270 мм, Амурской обл. 440 мм, на Сахалине 540 мм. Наибольшее количество осадков выпадает у восточного побережья Черного моря в районе Сочи и Батуми -- 2000-- 2500 мм, на побережье Охотского моря и на юге Камчатки -- 800--1000 мм. Большинство атмосферных осадков выпадает в летнее время.
Влага, поглощенная корнями растений, используется на фотосинтез, транспирацию. Атмосферные осадки, которые проникают вглубь до водоупорного слоя, образуют горизонт грунтовых вод и стекают внутрипочвенным стоком в реки. Большое лесоводственное значение имеют зимние осадки. Снег является источником снабжения растений водой. Снеговой 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 и снеговал. Снег, задерживаясь на кронах, способствует поломке сучьев и вершин деревьев. От снеголома страдают особенно хвойные породы -- сосна и кедр. Снеговал бывает, значителен при большой густоте древостоя и сомкнутости полога.
Лиственные породы меньше повреждаются навалом снега, так как сбрасывают на зиму листья и имеют гибкие ветви. Кроме дождя и снега, источниками влаги являются град, морось, ледяной дождь, роса, иней, изморозь, ожеледь.
Град -- ледяные ядра или кристаллы диаметром от 0,5 до 2 см, иногда до размера куриного яйца -- очень часто сопровождает ливневые дожди и вызывает градобой. От града нередко погибают посевы и посадки леса, наблюдается обивание коры у груши, ольхи, лещины.
Морось -- осадки, выпадающие из слоистых облаков или из тумана в виде мелких капелек. Скорость передвижения их очень мала и почти незаметна на глаз. Морось проникает везде и всюду, смачивая закрытые части кроны дерева, нижние части листьев и ветвей. Мелкие капельки мороси с растворенными в них отдельными частицами минеральных веществ, находящихся во взвешенном состоянии в воздухе, обеспечивают дополнительное внекорневое питание леса через листья.
Ледяной дождь -- мелкие ледяные шарики диаметром от 1 до 3 мм. Они образуются в результате замерзания капелек дождя при прохождении их через более холодные слои воздуха.
На поверхности растений, деревьев, почвы и отдельных предметов часто наблюдаются и другие различные явления природы (роса, иней, изморозь и ожеледь).
Ночью в редком лесу поверхность почвы несколько остывает. Приземной слой воздуха охлаждается. Еще интенсивнее охлаждаются растения и листья деревьев. Если температура приземного слоя понизится и 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. 156
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, часто причиняющие большие бедствия лесокультурному делу.
Изморозь появляется на хвое, листве деревьев, кустарниковых и травянистых растениях. Физический смысл ее заключается в том, что после сильных морозов деревья и кустарники сильно охлаждены. При резком повышении температуры воздуха (появление теплого ветра и др.) на промерзших ветвях и хвое деревьев образуется значительная масса длинных ледяных игл, нитей, пластинчатых или призматических кристаллов. Изморозь служит дополнительным источником влаги для леса. Положительная роль изморози заключается также в том, что в образовавшихся кристалликах льда оседает значительное количество аммиака и других, нужных для растений веществ, которые при таянии попадают в почву и становятся дополнительными источниками питания. Изморозь может играть и отрицательную роль, так как при больших образованиях изморози ветви деревьев или их вершины обламываются. Но это бывает редко. Обычно образовавшиеся иглы легко отваливаются и падают на землю. В кристаллах льда могут содержаться радиоактивные частицы, вредные для леса. Однако это отрицательное явление может проявляться только при радиоактивном загрязнении атмосферы.
Ожеледь -- слой льда на поверхности ветвей и стволов. Образуется при быстром наступлении дождливой погоды после морозов. На ветви, покрытые инеем, попадает влага, которая превращается в лед. Ожеледью чаще повреждаются насаждения с разомкнутым пологом. Кроме того, страдают породы с негибкими ветвями, например осина, сосна.
В течение ночи на небольшом дереве сосны в возрасте 10--15 лет образуется до 150--180 кг льда. Ветви и вершины стволов, не выдерживая тяжести льда, с треском и грохотом отламываются и падают на землю. В условиях юга нашей страны такие явления бывают часто и приносят лесу вред. почва насаждение древесина влажность кислотность
Меры борьбы: создание с наветренной стороны плотных опушек из устойчивых лиственных пород; создание смешанных насаждений, повышение сомкнутости древесного полога, особенно на первых этапах жизни насаждений (20--40 лет).
Вода, потребляемая лесом. Вода обладает чрезвычайно ценными свойствами, обеспечивающими существование живых организмов на Земле и развитие процессов их жизнедеятельности. Вода является наилучшим растворителем, обладает большой теплоемкостью, входит в состав клеток и тканей животных и растений. В молодых растениях количество ее может достигать 90--95 % общей 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, так же. как и ее недостаток, отрицательно сказывается на фотосинтезе древесных, кустарниковых и напочвенных растений. Благодаря способности к фотосинтезу и ассимиляции растения занимают определяющее место в круговороте веществ в природе. Вода как химическое соединение участвует в реакциях фотосинтеза. Зеленые мхи содержат влаги от 8 до 500%, сфагновые -- до 3000 %. В насаждениях с запасом древесины 500 м3/га вода составляет 200--250 т, а при общем запасе с древесиной ветвей и корней 700 м3/га -- 360 т. Для образования единицы сухого вещества дерево транспортируете огромные количества воды. Так, 1 га букового леса в год дает в среднем около 7 т сухого вещества, из которых 3,9 т древесины и 3,1 т листьев. Зная, что для образования 1 кг сухого органического вещества необходимое количество испарения влаги составляет 310 кг, находим, что для общего годичного прироста букового леса надо извлечь из почвы и транспортировать в атмосферу 2 млн. кг воды в год, или более 2184 м3/га.
Сильно транспонирующие древесные породы -- береза, ясень, бук и сосна. Слабо транспонируют влагу граб, клен остролистный, дуб и ель. Береза в составе хвойного леса в условиях Валдая, например, транспортирует за вегетационный период влаги столько, сколько ее имеется в слое равном 131 мм, сосна -- 153 мм, ель--137 мм. Это меньше, чем расход воды луговой и полевой растительностью, так как поверхность листьев у трав значительно превышает листовую поверхность деревьев. Например, поверхность листвы луговых трав колеблется в пределах от 22 до 50 га на 1 га травостоя. У клевера она достигает 26 га, у люцерны -- 85 га на 1 га посевной площади. Поверхность хвои пихты Дугласа достигает 18--27 га на 1 га насаждений, листьев бука и дуба-- 10--20 га.
Для производства 1 кг растительной массы разные растения в различных условиях расходуют на транспирацию от 150--200 до 800--1000 м3 воды.
На транспирацию растений, произрастающих в СССР, ежегодно расходуется примерно 3500 км3 воды, что составляет 1/3 годового количества осадков . Активность транспирации зависит от многих физических и метеорологических факторов среды: ветра, влажности воздуха, влажности почвы, интенсивности солнечной радиации, атмосферного давления и самой площади испаряющей поверхности. Таким образом, транспирация леса зависит от состояния погоды и влажности почвы. Транспирация дерева зависит также от формы и структуры кроны, освещения и действия ветра на отдельные органы Деревьев и кустарников. Например, при достаточном водоснабжении кроны ели работают равномерно, при недостатке влаги наиболее активна верхняя и освещенная часть кроны.
Наиболее транспортирующие породы -- тополя и ивы, предпочитающие влажные места. Среднее положение занимают остальные лиственные породы. Менее транспортирующими являются хвойные. Транспирация леса обеспечивает саморегуляцию живых растений. Через транспирацию дерево реагирует на увеличение солнечной радиации или ускорение движения воздуха. Резкое падение относительной влажности воздуха отрицательно сказывается на устричной транспирации листьев. В процесс транспирации вовлекается 97,9 % энергии и 99,8 % 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, типа леса, характера почвы и обеспеченности их влагой, уровня грунтовых вод, метеорологических условий, массы листьев и их расположения и многих других факторов.
Распределение осадков в лесу. Выпавшие над лесом атмосферные осадки проникают под полог и стекают с поверхности почвы, часть их проникает в почву, некоторая доля задерживается кронами деревьев, кустарников, живым напочвенным покровом, а часть испаряется обратно в атмосферу. Наибольшее количество осадков задерживают еловые и пихтовые насаждения, меньше задерживают сосновые и лиственные. Количество задержанных осадков зависит от их интенсивности, а также от состава, полноты, возраста и структуры насаждения. Чем медленнее выпадают осадки, тем больше их задерживается кронами и меньше попадает в почву. При сомкнутости крон 0,9 значительная часть выпадающего дождя задерживается кронами верхнего яруса древостоя. Однако проникновение влаги под полог леса зависит от длительности и характера выпадающих осадков. Молодые высоко полнотные насаждения задерживают осадков кронами больше, чем насаждения зрелого возраста.
Отношение древесных пород к влаге. Древесные породы по-разному относятся к влажности почвы и воздуха. Некоторые из них произрастают только в теплых районах с большой влажностью воздуха, например бук, а другие древесные породы могут выдерживать сухой климат (дуб).
Обеспеченность древесных пород влагой зависит от количества осадков и температуры воздуха. Чем температура воздуха выше, тем интенсивнее испарение с поверхности почвы и тем больше потребность растений во влаге при транспирации.
У древесных пород, которые произрастают при недостатке влаги в почве и воздухе, корневая система обычно сильно разветвлена, листья или хвоя покрыты кожицей (у сосны, дуба, можжевельника). У некоторых растений (саксаул) листья редуцированы в чешуйки. Другие древесные породы, как ясень обыкновенный, хорошо чувствуют себя в пониженных местах, ольха черная на мокрых почвах, но с проточной водой.
Лиственница, ель, пихта, липа, береза, дуб, бук, орех и др. хорошо растут на свежих почвах. На состав и характер древесной растительности большое влияние оказывает разный режим влажности. Например, в горных районах Северного Кавказа и Закавказья, 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 такие породы, как дуб, тополь, ива. На увлажненных почвах успешно растут сосна обыкновенная, кедр сибирский, береза пушистая. 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. Погребняка (1968) и А.Л. Бельгарда (1971).
Шкала требовательности древесных пород к влаге по А.Л. Бельгарду:
- 1) ксерофиты -- сосна обыкновенная, гледичия, белая акация, айлант, дуб пушистый, сосна крымская, тамарикс, можжевельник виргинский;
- 2) мезоксерофиты -- берест, шиповник собачий, крушина слабительная, миндаль степной, вишня степная, терн;
- 3) ксеромезофиты -- дуб черешчатый, берест, груша, ясень обыкновенный, яблоня;
- 4) мезофиты -- граб, ель, лещина, ильм, липа обыкновенная, клен остролистный, гордовина, бересклеты бородавчатый и европейский, сосна веймутова, лиственница сибирская, клен явор;
- 5) мезогигрофиты -- тополя чёрный и белый, осина, береза пушистая, вяз, крушина ломкая, бузина черная, калина;
- 6) гигрофиты -- ивы белая, ломкая и серая, ольха черная, черемуха, ясень обыкновенный (болотный).
Характеризуя отдельные древесные породы по требовательности к влаге, следует иметь в виду, что некоторые породы, например сосна, имеют широкий ареал. Сосна, как и другие хвойные, может быть и мезофитом.
Водный баланс -- это количество выпавших осадков, равное сумме испарившейся влаги и стоку. Водный баланс распределения осадков в лесу в общем виде характеризуется формулой Г. Н. Высоцкого: N=A+F+V+T, где N -- общее количество выпадающих на поверхности суши осадков; А -- поверхностный сток, который составляет 15--35 % количества осадков, в зависимости от склона, характера выпадающих осадков и насаждения; F -- подземный сток, который составляет 15--35 %; V -- физическое испарение с кроны и почвы, которое составляет 15--50%; Т -- транспирация, физиологическое испарение (20-40 %).
Испарение влаги с поверхности растений. Кронами деревьев задерживается значительная доля выпадающих осадков, а затем снова под действием тепловой энергии и движения воздуха превращается в парообразное состояние и уходит в атмосферу. Величина и скорость испарения влаги с поверхности древесного полога зависят от типа леса, возраста деревьев, степени сомкнутости лесного полога, а также от интенсивности осадков, силы ветра, температуры воздуха и его влажности.
В отличие от лиственных хвойные насаждения задерживают значительно больше осадков летом и зимой. Так, сосновые насаждения задерживают 17,4 % осадков, березовые -- 24,7 %, осиновые -- 26,6 %, еловые -- 53,4 %.
Меньшее задержание осадков сосной в сравнении с елью объясняется структурой ветвления и охвоения и направленностью ветвей вверх, что увеличивает стволовой сток. Кронами отдельно стоящих деревьев задерживается влаги на 8--13 % больше, чем в древостоях. Стекание осадков по стволам составляет 0,6--5 % и зависит от древесной породы и характера дождя. Меньше всего пропускают осадков под полог леса пихтовые и еловые высоко полнотные насаждения. Лиственные леса из бука и липы задерживают осадков больше, чем березовые и осиновые насаждения. Если под лиственным лесом на поверхность почвы попадает в отдельных случаях 424мм осадков, то в одном и том же районе под сосновым пологом их оказывается 280 мм. Таким образом, хвойный лес значительно сильнее увлажняет воздух, возвращая атмосфере до 10--22 % годовых осадков.
Изменяя состав леса, его полноту, форму и возрастную структуру, можно регулировать количество задерживающихся на кронах и проникающих под полог леса осадков.
Испарение с поверхности почвы. 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 транспортируют напочвенные растения, забирая ее в различных почвенных горизонтах.
Интенсивность испарения с поверхности почвы зависит от многих факторов. Главные из них: тип леса, полнота, форма, видовое разнообразие напочвенных трав, кустарников и взаимосвязанные с ними влажность воздуха, ветер, солнечная радиация. 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 открытого места. Это происходит в результате ослабленного ровного движения воздуха в лесу у поверхности почвы, которое возникает благодаря более низким температурам воздуха и почвы летом. Кроме того, лесная почва более рыхлая, изрытая червями, кротами, личинками насекомых и т. д.
Лучшему испарению воды из верхних горизонтов почвы способствуют также корневые системы, непрерывно изменяющие свою величину, состояние и направление роста. В каждом типе леса имеется лесная подстилка. В качестве естественной покрышки она предохраняет почву от солнечных лучей и ветра. Непрерывно передвигающиеся в ней представители животного мира и сам процесс ее разложения нарушают капиллярную связь с почвой и тем самым в 4--6 раз задерживают испарение с поверхности почвы по сравнению с испарением на открытом месте. Скорость испарения влаги зависит от состава и строения лесной подстилки.
Поверхностный сток влаги и перемещение снега. Величина и характер поверхностного стока определяются состоянием поверхности почвы, а также зависят от суммы и интенсивности выпадающих жидких осадков. Часть выпадающих осадков стекает или сдувается с поверхности почвы, занятой лесом, и попадает в овраги, ручьи, реки, а затем в моря и океаны. По территории нашей страны протекает более 150 тыс. рек общей протяженностью около 3 млн. км. Кроме них, имеются многочисленные озера и водохранилища, пруды и водоемы. Все они в значительной степени пополняются за счет перемещения снега и поверхностного стока воды с почвы. Лес переводит 80--100 % поверхностного стока во внутрипочвенный и грунтовой. Количество и скорость стока зависят от состояния почвы, продолжительности и интенсивности дождя, уклона местности, структуры лесной подстилки и других факторов.
Большое значение при формировании поверхностного стока имеют водно-физические свойства почв: инфильтрация, влагоемкость, объемная плотность, механический состав.
Поверхностный сток в лесу выражен значительно слабее, чем на открытом месте. 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. За это время большая часть воды успевает проникнуть в почву, так как снежный покров, защищая подстилку и поверхностный слой почвы от промерзания, обеспечивает в весеннее время быстрое попадание снеговой воды в почву. Таяние снега в лесу происходит гораздо медленнее, на 4--5 недель дольше, чем на открытом месте.
Пониженная скорость и слабая интенсивность снеготаяния в лесу объясняется задержанием значительной части прямой и солнечной радиации пологом леса и стволами деревьев, а также малой скоростью ветра в лесу. В лесу интенсивность снеготаяния бывает наибольшей в разомкнутых и низкой полноты 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. Лес играет определяющую роль в таянии снега. Влияние леса на таяние снега зависит от густоты древостоя, высоты деревьев и положения деревьев относительно друг друга.
Таяние снега меняется в широких пределах и зависит от степени сухости снега. Свежий сухой снег может не подвергаться таянию, так как он состоит из почти полностью замерзшей воды, высока также его излучательная способность. Влажный снег может содержать до 20 % незамерзшей воды, что снижает его термические качества. Интенсивность таяния в лесу составляет лишь от 50 до 60 % таяния на открытой местности. Имеются различия в интенсивности снеготаяния в густом лесу на открытой площади и на вырубках. Продолжительность снеготаяния на вырубках варьирует от 6 до 12 дней, на прогалинах -- от 10 до 20 дней, в чистых сосновых лесах--от 15 до 25--30 дней, в смешанных -- от 22 до 30--45 дней. Уклон местности несколько ускоряет стекание воды с поверхности почвы, покрытой лесом, особенно в горных условиях. Однако рыхлый слой лесной подстилки подобно губке и весной и летом впитывает воду и отдает ее нижележащим слоям почвы.
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. Таким образом, он теряется на своем пути, насыщая верхний горизонт лесной почвы и переходя во внутрипочвенный сток. В зависимости от типа леса поверхностный сток воды разный. В сосновом сухом бору, произрастающем 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. Интенсивность стока заметно сокращается вследствие задержания осадков на поверхности травы, мха и другой растительности под древостоями.
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.
Почвенная влага. Попадание осадков в почву зависит от типа леса, лесной подстилки, полноты леса и других факторов. В почву просачиваются различные количества воды, составляющие 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 (в сторону увеличения влажности) -- под полем, лесом и черным паром. Наибольшая влажность, а значит наименьшее иссушение почвы, отмечается 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 ее расходует, влаги все-таки 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: весен-не-летний, характеризующийся наиболее интенсивным испарением (2--4 мм в сутки), и летне-осенний (испарение 0,5--2 мм в сутки), лимитирующийся количеством выпадающих за это время осадков. 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 и кислот: чем больше концентрация раствора, тем ниже температура замерзания почвы. Содержание раствора зависит от механического состава почвы и растительности, произрастающей На ней. Рельеф местности влияет на влажность почв. На возвышениях почва в лесу промерзает сильнее, чем во впадинах, где собирается много снега, предохраняющего почву от промерзания. Оттаивать промерзшая почва начинает весной благодаря теплу солнца и теплу, приходящему из более глубоких слоев материнской горной породы, подстилающей почву.
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, пополняющих в летнее время ручьи, реки, озера и другие водоемы. Лесные реки всегда полноводнее, так как пополняются водой за счет грунтовых вод. Грунтовые воды поднимаются также по капиллярам и пополняют влагой верхние горизонты почвы, в которых развиваются корневые системы деревьев и кустарников. Лесные насаждения благоприятствуют проникновению осадков в почву. Уровень грунтовых вод под лесом держится ниже, чем на соседних безлесных участках местности. Объясняется это расходом влаги лесом на ее транспирацию. В отдельных случаях состояние уровня грунтовых вод может повышаться в лесу или быть одинаковым с уровнем воды на безлесных площадях. Это зависит от рельефа местности, механических и физических свойств почвы, времени года и других факторов.
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 уровни грунтовых вод в лесу находятся так же высоко, как и на открытом месте.
Грунтовые воды по-разному расположены в различных типах леса. Например, в сосновом бору залегание грунтовых вод 2,8--3,5 м, летом уровень понижается незначительно (на 10 см); при залегании грунтовых вод 1,4--1,7 м в бору черничном снижение грунтовых вод летом достигает 0,4--0,5 м. В еловых насаждениях уровень грунтовых вод снижается сильнее, чем в сосняках на 20--30 см, так как ель транспортирует влагу интенсивнее и задерживает осадков кронами больше, чем сосна.
Вырубка леса влияет на уровень грунтовых вод. На севере страны многочисленны факты поднятия грунтовых вод после рубки леса, пожаров и других бедствий. Поднятие уровня иногда приводит к заболачиванию вырубок. Это явление наблюдается в равнинных лесах, произрастающих на слабодренированных почвах, т. е. там, где слаб отток грунтовых вод или его совсем нет. Пополнение грунтовых вод за счет осадков приводит к выходу застойной влаги па поверхность, и тогда деревья, кустарники и напочвенные-растения меняют свой облик, плохо растут, суховершинят и могут погибнуть. Плохо переносят постоянный избыток влаги в почве бук, пихта, ель, ясень и др. Успешно растут на почвах, насыщенных водой, болотный кипарис, туя, ветла, кедр, сосна, ольха черная и др.
Засухи сопровождаются понижением уровня грунтовых вод, который продолжает снижаться после года засухи в течение 1--2 лет. На второй и третий годы после засухи в лесу наблюдается преждевременное усыхание листьев, особенно на кустарниках, слабый прирост по высоте и диаметру, суховершинность деревьев, а в некоторых случаях массовое усыхание леса.
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, человек употребляет все больше минеральных удобрений. Для борьбы с вредителями и сорняками применяются также химикаты. Их значительная часть достигает цели. Но другая доля с талыми водами весной, а также во время ливневых дождей попадает в водоемы, и тогда эти вещества становятся опасными. В воду также попадают отбросы промышленных предприятий. Сейчас в стране действует законодательство, установившее ответственность за чистоту окружающей среды. Для очистки стоков промышленных вод строятся специальные сооружения. Но на огромных пространствах сельскохозяйственных полей таких сооружений не построишь. Единственным защитником здесь может быть лес. Вода несет в озера различные примеси. Но вот на пути потока встречаются различные насаждения. Сила потока гасится. Лесная подстилка, подобно губке, впитывает воду. Встречаясь с мелкими корнями, взрыхлениями в почве, воды постепенно проникают в почву, пополняют грунтовые воды, выходят на поверхность, питают реки, озера, водохранилища. Проникновение воды в почву зависит от ее физических свойств и в первую очередь от ее водопроницаемости. Плотность твердой фазы с глубиной увеличивается и наибольшего значения достигает в горизонте В, а в горизонте С снова уменьшается. Но наименьшая плотность твердой фазы в горизонте А здесь много органического вещества, больше чем на пашне. Пока вода проходит по почво-грунту, она фильтруется, химически вредные вещества чаще всего 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, проходящей через овражно-балочную, полезащитную и лесную полосы, сокращается в 26 раз и более.
Обычно наиболее существенным показателем загрязнения воды является содержание в ней аммиака. В воде, проходящей через лесную полосу, аммиака содержится 0,16 мг/л. А в воде с безлесной стоковой площадки -- 0,24 мг/л. Фильтрующий эффект лесополосы зависит от ее ширины. Например, с безлесного склона длиной 380 м поглощается воды (°/о): почвой 56, 10-метровой полосой леса 80, 20-метровой 84, 40-метровой 93, 80-метровой 99, т. е. поверхностный сток почти полностью переводится в грунтовой.
Насаждения по-разному влияют на чистоту и качество воды. Вода, поступающая с безлесной площади, имеет высокую цветность, а после прохождения соснового насаждения цветность резко снижается. Прозрачность воды, поступающей с безлесной площади, отсутствует, а после прохождения через сосновое насаждение увеличивается. Лесные насаждения уменьшают жесткость воды. Таким образом, лесные насаждения играют роль естественного фильтра очистителя и улучшают органолептические свойства воды.
Лес влияет на изменение химического состава воды; например, атмосферная влага, проникая сквозь древесный полог, обогащается минеральными веществами, качество и количество которых зависит 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 почвой, занятой лесом, и остатками органических веществ, вымывает из них различные соединения, приобретая определенный химический состав. Поэтому способы рубки леса и очистки лесосек влияют на качество воды.
Гидрологическое значение леса. 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, который оценил роль леса как гидрологического фактора и научно обосновал значение лесоразведения в засушливых степных районах, улучшающего водный режим почв и повышающего урожайность сельскохозяйственных культур.
На гидроклиматическую роль лесов северо-запада и севера, которую они играют по отношению к южным районам страны, указывал Г. Н. Высоцкий. Его гипотеза о трансгрессивной роли леса заключалась в том, что транспортируемая лесами влага на севере в огромных количествах переносится в южные районы и увлажняет их.
П.С. Погребняк, подчеркивая гидрологическое значение леса, пришел к выводу о том, что лес увлажняет климат и почву и высушивает болота и подпочву. Действительно, в степных районах лес является увлажнителем, на севере он может быть осушителем. Эти особенности леса имеют большое значение при его выращивании и эксплуатации.
Деление лесов по их гидрологическому значению. 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 в летнее время часто пересыхают.
В степных условиях лес является собирателем и накопителем влаги на полях. Лесные массивы и лесные 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, обеспечивающие непрерывное и равномерное поступление воды в реки, озера и другие водоемы и предохраняющие естественные и искусственные водоемы от загрязнения и засорения.
Водорегулирующие -- леса, предотвращающие наводнение и заболачивание и содействующие лучшему дренажу почв.
Защитные -- леса, предохраняющие почву от обвалов, размыва и смыва (водной и ветровой эрозии) и защищающие поля и населенные пункты от неблагоприятных последствий атмосферных осадков.
Водоохранно-защитные -- леса, выполняющие одновременно и водоохранные и защитные функции.
Разделение лесов по их роли и назначению носит условный характер, так как все леса в какой-то степени выполняют водоохранную, водорегулирующую и защитную роли. Более дробные деления лесов по их водоохранному значению даны Б.Д. Жилкиным, И.В. Тюриным и др.
Недостаток и избыток влаги. Атмосферные осадки являются основным источником влаги для жизнедеятельности насаждений. Недостаток влаги, как и ее избыток, отрицательно влияет на рост и развитие древесных пород. Насаждения, произрастающие на сухих почвах, характеризуются однообразным составом, редким размещением деревьев. По площади насаждения, произрастающие на умеренно влажных почвах, имеют примесь других пород в составе, деревья крупнее, количество их, на единицу площади возрастает.
Насаждения, произрастающие на сильно увлажненных почвах с застойной водой, не достигают крупных размеров по высоте и диаметру, качество древесины низкое. Недостаток влаги в почве может привести к гибели лесных культур ели, а также приводит к снижению среднего годичного прироста и общей продуктивности насаждений. В период подтопления наблюдается кратковременный избыток влаги в лесу. В весеннее время в период разлива рек, в местах водохранилищ, где изменяется уровень воды, отдельные насаждения затопляются. У ивы и ольхи черной в период избытка влаги не нарушаются физиологические процессы роста. Дуб реагирует болезненно на временные подтопления, а длительные не переносит -- погибает. Сосна замедляет рост, а иногда подтопление вызывает изменения в корневой системе.
Минеральное питание растений. Из множества минеральных веществ растениям необходимы три: азот, фосфор, калий. В разный период жизни эти элементы нужны в разном количестве. Например, в период интенсивного роста растениям необходим азот, в период плодоношения - фосфор, в конце вегетации необходим калий, повышающий морозостойкость. Растениям также необходим зольный элемент, который представляет собой соединение металлов (железо, кальций, магний, цинк и т.д.). Питательные элементы поступают в почву в основном благодаря разложению подстилки. На питомниках при отсутствии подстилки вносится комплекс минеральных удобрений. Азот в почву также поступает из атмосферы, благодаря разряду молний. Какая-то часть азота поступает в почву в результате деятельности клубеньковых бактерий бобовых растений, чем часто пользуются лесоводы, высевая люпин, акацию на бедных лесных почвах.
Хвойные и лиственные леса - два из трех основных типов лесов. Жизнь в этих лесах развивается по-разному, что объясняется разницей в , как показывают примеры на этой странице.
Человек и лес
Влияние деятельности человека на леса во всем мире огромно. Леса - важная часть экономики многих стран - производителей древесины, бумаги, строительных материалов и мебели. Вмешательство человека в лесов грозит им гибелью. Особенно серьезные проблемы возникают, когда на месте вырубленных лесов насаживают плантации других деревьев - быстрорастущих: они нарушают среду обитания, вытесняют ее обитателей и резко изменяют ландшафт. Плантации - важные источники древесины, но они могут нанести ущерб экосистемам лесов. От громадных лиственных лесов древности до наших дней сохранилось очень немного. Объясняют это распространением земледелия и быстрым ростом городов. Разрушительная деятельность человека, например, кислотные дожди, угрожает последним остаткам лесов. Мы должны помнить об этой опасности и принимать все меры по охране лесов.
Хвойные деревья получили свое название от хвои - зеленых игл, покрывающих их ветви. В холодных и суровых климатических зонах, где лето короткое, а осадков выпадает мало например, в Северной Америке, на севере Европы и Азии, - встречаются громадные еловые, кедровые, сосновые, пихтовые и лиственничные леса. Южнее хвойные деревья растут вперемешку с лиственными в так называемые смешанных лесах. Хвойные деревья вместо листьев покрыты хвоей. Поверхность игл меньше, чем листьев, и она испаряет меньше влаги. Почти все хвойные - вечнозеленые и благодаря хвое могут производить пищу круглый год. Хвойные деревья не могут служить источником питания для животных: их иглы очень жесткие, а ветвей на стволе обычно немного. На грунте в хвойных лесах могут расти лишь немногие виды растений. Это объясняется недостатком солнечного . Поэтому животный мир в таких лесах беден. Там слишком холодно, и большинство бактерий и земляных червей не могут жить и развиваться. Почва остается невзрыхленной, и гумуса образуется совсем немного, а это - причина малой эффективности круговоротов азота минеральных веществ. Некоторые животные приспособились к постоянной жизни в лесу (см. так же статью « «). Так, лоси бродят в чаше в поисках пиши, а медведи и бурундуки впадают на зиму в спячку и живут за счет запасов жира, накопленных летом и осенью. Теплое короткое лето пробуждает все живое к активности. Насекомые быстро размножаются и служат пищей для птиц, возвратившихся на север, чтобы вывести потомство. Хвойные Деревья под обильными солнечными лучами быстро растут.
Хвойные деревья и их хвоя
Взглянув на форму хвоинок, вы легко сможете определить, к какой породе деревьев они относятся. Вот основные породы хвойных:
1. Лиственница . Пучки на 12-20 коротких игл. Осенью опадают.
2. Пихта . Одиночные Иглы с тупыми кончиками.
3. Кедр и можжевельник . Маленькие плоские чешуйчатые листочки.
4. Сосна . Две-три иголки, соединенные у основания.
5. Ель . Острые, твердые четырехгранные иголки.
6. Тисе . Плоские кожистые иголки.
На лиственных деревьях листья распускаются каждый год. Весной или в начале лета большинство из этих деревьев цветет. Лиственные леса встречаются в местах, где климат сравнительно мягкий, а осадков выпадает довольно много. Ими покрыта большая часть территории Европы, Японии, Восточной Азии и восточных штатов США. Там много таких пород, как дуб, береза, клен и ясень. Лиственные деревья покрыты большими, широкими листьями. Они несколько месяцев активно осуществляют процесс фотосинтеза. Поздней осенью листья отмирают и облетают под воздействием сильных ветров и стужи. Каждое дерево - источник пиши для множества видов живых существ. На плодородных почвах, при обилии солнечного света буйно расцветают различные растения. Они дают корм многим видам животных. Ежегодный листопад и деятельность некрофагов способствуют образованию почвы, богатой перегноем, нитратами и минеральными веществами. Зимой животные в лиственных лесах ведут более активный образ жизни, чем в хвойных лесах. Но особенно богата жизнь лиственных лесов весной и летом: там обилие растений, насекомых, птиц, млекопитающих. В Южной Европе, на юго-западе США, в Австралии, Новой Зеландии и на севере Южной Америки многие лиственные деревья приспособились к очень жаркому, засушливому лету. У них появились некоторые черты, общие с хвойными деревьями. Сами они стали вечнозелеными, а их листья - мельче и толще, что позволяет лучше сохранять влагу.
Как измерить высоту дерева
Прикрепите к стволу дерева полоску бумаги на высоте вашего роста и измерьте ее 1 (в см). Отходите от дерева, держа линейку на вытянутой руке, пока верхний край полоски не совместится с отметкой 3 см на линейке. Отметьте, с какой отметкой на линейке совпадет верхушка дерева, разделите это число на 3 и умножьте на высоту вашего роста (например, 21 см: 3 х 150 см дает 1050 см, или 10,5 м).
Лесотундры и хвойные леса
Между зонами тундр и хвойных лесов есть переход - лесотундры. Это неширокая полоса, в которой распределение растительности более всего зависит от местных условий.
На южной границе тундровой зоны в защищенных от ветра и прогреваемых местах появляются сначала кустарники или карликовые формы деревьев, а затем к югу по мере нарастания летних температур и продолжительности вегетационного периода - и деревья, главным образом хвойные. По неблагоприятным для древесной растительности местообитаниям распространены тундровые сообщества южных вариантов: например кустарниковые.
Еще южнее начинается зона хвойных лесов, которую часто называют тайгой. Первоначально это название принадлежало только лесам , но потом перешло и на хвойные леса других регионов умеренного пояса Северного полушария. Южная граница тайги в Евразии идет от 60-61°с. ш. на Скандинавском п-ве к устью р. Нарвы, затем р. Оки, далее южнее истоков р. Камы, через Уральские горы; в Западной Сибири она расположена примерно на 54-й параллели и далее проходит через юг Средней Сибири к тихоокеанскому побережью, по югу Сихотэ-Алиня и о. Хоккайдо. В Северной Америке она тянется от о. Ванкувер через Кордильеры к истокам р. Маккензи, озеру Виннипег, севернее Великих озер, до устья р. Св. Лаврентия. Условия существования органического мира в этой зоне разнообразны, различны и биоценозы.
В пределах территории зоны средние температуры самого теплого месяца - 10-19°С, самого холодного могут быть как относительно высокими, даже положительными (до 3°С), так и очень низкими (до -40°С). Вегетационный период довольно короткий, а с температурами выше 10°С продолжается от месяца до четырех. Снежный покров держится на всем протяжении зимы. Осадки превышают испарение, так что увлажнение избыточное. В зоне довольно широко распространена многолетняя мерзлота, что способствует переувлажнению верхних слоев грунта. При избыточном увлажнении растения находятся в условиях физиологической сухости из-за низких температур и кислой реакции почвенных вод.
Растительность и почвы
Лесообразующие породы деревьев обладают некоторыми общими свойствами: они имеют хвою, как правило, не опадающую на зиму, у большинства из них поверхностная корневая система. Однако при разном строении рельефа и на различных грунтах условия почвообразования и обитания растений неодинаковы. Отсюда - огромное разнообразие лесных сообществ внутри зоны.
В европейской тайге на ледниковых и водно-ледниковых отложениях преобладают ельники и сосняки. Еловые леса различных типов преимущественно с елью европейской в верхнем ярусе растут, главным образом, на глинистых и суглинистых грунтах в нормальных условиях увлажнения. Эти леса темные, под их пологом обитают теневыносливые растения с преобладанием вегетативного размножения, много вечнозеленых или зимнезеленых видов, нет эфемеров. В подлеске обычны можжевельник, ивы, смородина, рябина, в травяном покрове - кислица, грушанка, майник двулистный, седмичник, папоротники, кустарнички: черника, брусника. Много зеленых мхов, а на заболоченных участках господствует сфагнум. Сосняки произрастают на песчаных грунтах. Сосны могут расти даже на скалах, закрепляясь в трещинах горных пород, и на заболоченных землях. Сосна обыкновенная с ее мощной корневой системой может жить там, где погибают другие породы, та же ель, у которой корневая система поверхностная. Зато проростки сосны не выносят затенения, поэтому легко вытесняются другими деревьями. В светлохвойных сосновых лесах преобладает мохово-лишайниковый покров и обычны кустарнички, ксерофиты (например, кошачья лапка, молодило) и псаммофиты - цмин песчаный и др. На заболоченных грунтах древесный покров угнетен, но все же выживает. В европейской тайге есть примесь мелколиственных деревьев, а на месте вырубок и пожарищ вырастают вторичные ольшаники, березняки, осинники.
В Западной Сибири на плохо дренированных низменных равнинах преобладают елово-пихтовые темные леса. Доминируют здесь ель сибирская и пихта с довольно большой примесью кедровой сосны. Средняя Сибирь почти полностью занята холодостойкими светлыми лиственничными лесами, теряющими на зиму мягкую хвою. Лиственницы лучше других пород растут в условиях многолетней мерзлоты и резко континентального климата. Преобладают два вида лиственницы: сибирская и даурская. На Дальнем Востоке распространена, в основном, горная тайга с господством аянской ели и белокорой пихты. Еще больше здесь зарослей кедрового стланика - стелющейся формы особого вида из семейства сосновых. Они покрывают склоны гор и сопок сплошным ковром.
В Северной Америке таежная зона тянется тоже от океана до океана. Ее северная граница достигает на востоке материка 48-й параллели, а южная спускается значительно южнее, чем где бы то ни было в Евразии. Породный состав американской тайги значительно разнообразнее евразийской.
К тем родам, которые обычны в Евразии, прибавляются более теплолюбивые тсуги, псевдотсуги, туи, секвойи. Некоторые из них встречаются в Восточной Азии и Гималаях, что говорит об их прежней флористической связи с североамериканскими районами. Ели, сосны, пихты, лиственницы представлены, как правило, своими особыми видами. Много в этой тайге деревьев мелколиственных пород, также принадлежащих к эндемичным видам.
Кордильеры служат существенным барьером для распространения растений и животных. Хотя зона хвойных лесов в горах не прерывается и представляет собой горную тайгу с условиями, характерными для всей зоны, но леса тихоокеанского побережья резко отличаются от восточной, так называемой канадской тайги. Здесь сказываются как разобщенность регионов на последних этапах развития органического мира после образования горного барьера, так и различия в современных условиях существования жизни.
Канадская тайга весьма схожа с северными лесами Евразии.
Доминируют здесь ели канадская (белая) и черная, американская лиственница, близкая к даурской. Из мелколиственных пород обычны бумажная береза и американская осина. Как видно, лесообразующие породы деревьев те же, что и в Евразии, но представлены эндемичными видами. Из типично американских деревьев растут бальзамическая пихта, канадская тсуга (восточный хемлок), восточная туя. На песчаных почвах в сосняках преобладает сосна Банкса. В кустарниковом ярусе и травяном покрове наблюдается очень большое сходство с лесами Евразии.
Тихоокеанские хвойные леса приурочены к западным подножиям Кордильер и распространены в нижнем ярусе гор. Они сильно отличаются от канадской и евроазиатской тайги. В северной части у этих лесов есть, некоторое сходство с лесной растительностью Восточной Азии.
Здесь господствуют лиственничники с аляскинской лиственницей, близкой к даурской. Южнее, в условиях очень влажного климата с мягкой зимой и прохладным летом, распространены своеобразные «дождевые» леса, оригинальные как по структуре, так и по видовому составу. Несмотря на обильное увлажнение, здесь почти нет застоя вод, так как рельеф расчленен. В лесах доминируют крупные хвойные породы: ситхинская ель, дугласия (дугласова «пихта», или псевдотсуга), западный хемлок (тсуга), туя гигантская (складчатая, красный «кедр»). К ним часто присоединяются бальзамическая пихта, красная ель, желтая и мурреева сосны и некоторые широколиственные породы: клен, липа, вяз. Леса многоярусные, обычно полидоминантные, с густым кустарниковым и травяным покровом. Поваленные стволы и ветви деревьев часто образуют своеобразный настил в двух-трех метрах над землей. С деревьев свисают мхи и лишайники, и по внешнему облику эти леса иногда напоминают влажные тропические, особенно их горный вариант. Деревья верхнего яруса - долгожители и могут достигать гигантских размеров: высота дугласии - до 75 м (отдельные экземпляры - и до 100 м), складчатой туи - до 60 м, диаметр ствола тсуги - до 6 м. Весь верхний ярус имеет, как правило, высоту 50-70 м. Во второй ярус выходят более низкорослые хвойные и лиственные породы. К югу эти леса доходят до 40-50° с. ш. По термическому режиму здесь должны были бы расти уже широколиственные породы, но в условиях большого количества осадков в верхнем ярусе доминируют хвойные, а широколиственные занимают нижние ярусы. К уже перечисленным породам присоединяются белая пихта, сахарная сосна, ладанный кедр, на самом юге - вечнозеленая секвойя. В горах Сьерра-Невада на высоте 1500 м сохранились рощи секвойядендрона гигантского (мамонтова дерева, веллингтонии), принадлежащего, как и секвойя, к древнему семейству таксодиевых. Эти деревья живут до 1500 (а может, и более) лет и достигают высоты до 100 м и диаметра ствола до 15-18 м. Рощи мамонтовых деревьев сейчас тщательно охраняются, каждое дерево взято на учет и под наблюдение.
Флора американских хвойных лесов обладает высокой степенью эндемичности. Присущи только им 50 видов ели, 30 из 40 - пихты, 80 из 100 - сосны. Максимально богаты эндемичными и реликтовыми видами леса западного побережья.
Под хвойными лесами обоих материков формируются чаще всего подзолы.
Они отличаются наличием с поверхности или на очень небольшой глубине горизонта вымывания, белого цвета, состоящего из тонкодисперсного кремнезема. Горизонт вмывания - плитчатый плотный, красно-бурого цвета, обогащен окислами железа. Такие почвы формируются на грубообломочных корах выветривания кристаллических пород, на моренных суглинках, флювиогляциальных песках при разреженном травяном покрове под хвойным опадом. При разложении хвойного опада образуются кислоты, и реакция почвенного раствора в подзолистых почвах кислая. Подвижные фульвокислоты способствуют вымыванию веществ из верхних горизонтов в нижние, где они переходят в неподвижное состояние. Гумус не накапливается. Только при наличии лиственного опада нижних ярусов и подлеска, развитии травяного покрова в некоторых типах хвойных лесов формируются дерново-подзолистые почвы с более или менее мощным гумусовым горизонтом. Под лесами тихоокеанского побережья благодаря лиственному опаду нижних ярусов могут образовываться и бурые лесные почвы с темноцветным сравнительно мощным гумусовым горизонтом.
Значительные пространства в пределах зоны хвойных лесов заняты заболоченными землями и болотами. Здесь распространены все их типы. Для темнохвойной тайги особенно характерно развитие сфагновых болот. В напочвенном покрове поселяются сфагновые мхи. Они образуют плотные скопления. Мхи обладают гигроскопичными свойствами, аккумулируют влагу, и в местах их произрастания образуются верховые болота с торфяниками.
Животный мир
Фауна хвойных лесов достаточно однородна по всей зоне. Большинство животных обладает густым мехом, так как им необходимо иметь защиту от холода зимой. Их относят к категории пушных зверей. Многие запасают корм или впадают в спячку на зиму. Грызуны и птицы питаются в том числе и семенами хвойных деревьев. Их численность зависит от урожая этих семян, потому что зимой и ранней весной это практически единственный вид корма. Таковы , бурундуки, лесные полевки и мыши, зайцы, из птиц - кедровки, щуры, клесты. Колебание их количества влечет за собой изменение количества питающихся ими хищных: куниц, соболей, рысей. В тайге живут крупные копытные - лоси, летом заходят сюда олени из более южных, а зимой - из северных зон. Есть хищники: волки, лисицы, рыси, росомахи, норки, медведи. В водоемах обитают бобры. Все эти животные есть в хвойных лесах обоих материков, но представлены разными видами, подвидами или разновидностями, которые обычно мало отличаются друг от друга по образу жизни и внешнему виду. Есть на каждом материке и эндемики. Наиболее богаты ими леса Северной Америки, особенно тихоокеанские. В подсемействе барсучьих эндемичен скунс, из грызунов - ондатра или мускусная крыса. Древесный дикобраз - иглошерст (поркупин) в Евразии живет в субтропиках, а в Северной Америке - ив тайге. В заповедниках Северной Америки сохранились лесные бизоны, а в Евразии - зубры, которые были в искусственных условиях с трудом спасены от полного исчезновения путем многократного скрещивания единичных сохранившихся экземпляров с американским бизоном и дальнейшего отбора по унаследованным от зубров признакам.
Биологическая продуктивность хвойных лесов выше, чем тундр и лесотундр, но она значительно варьирует в пределах зоны. Самые продуктивные биоценозы находятся в южной части тихоокеанских лесов Северной Америки. По этому показателю они не уступают широколиственным лесам. Продуктивны и дальневосточная, и западноевропейская тайга на южных окраинах зоны - до 100 ц/га. Но на большей части территории хвойных лесов биологическая продуктивность колеблется от 40 до 80 ц/га.
Хвойные леса обоих континентов значительно изменены человеком. Они издавна вырубались, страдали от пожаров. И по естественным причинам, и по вине людей ежегодно выгорают сотни и тысячи гектаров лесных массивов. Способствуют этому сухие летние погоды, которые часто подолгу продолжаются в условиях континентального климата. Восстановление же таежных биоценозов идет медленно. Сначала на вырубках и гарях вырастают березняки, осинники, ольшаники. Под их пологом довольно хорошо, хоть и медленно возобновляется еловый лес, а светолюбивую сосну приходится выращивать искусственно, ухаживая за посадками. Культура лесного хозяйства, в том числе и лесовозобновления, высока в Канаде, Швеции, Финляндии. В пределах нашей страны лесное хозяйство ведется не вполне рационально. Часто на вырубках остаются ветки и непригодные к использованию стволы, что затрудняет работы по лесовосстановлению и защите от лесных пожаров. Сокращение площади хвойных лесов ведет к исчезновению многих полезных растений и животных и наносит непоправимый ущерб всему природному комплексу этих территорий. Однако появляются и новые лесные массивы, созданные человеком. Разведение лесов преследует разные цели, главная из них - получение древесины. Иногда сосновые леса сажают для закрепления песков. Именно поэтому возникли большие участки сосняков в Ландах на Бискайском побережье Франции, где нужно было остановить подвижные пески дюн. Такого же происхождения великолепные сосновые леса на дюнах Куршской косы и побережья Рижского залива.
Транспирация воды лесом
Часть влаги, просочившейся в почву, расходуется самим лесом на физиологическое испарение деревьями воды, поступающей из почвы через корневую систему и ствол в листву. Расход солнечной энергии на растительную транспирацию составляет приблизительно в 50 раз большую величину, чем на ассимиляцию и органический синтез. Транспирация составляет очень важный, но мало изученный вопрос физиологии леса.
Под транспирационною способностью следует понимать условную величину, показывающую испарение воды растением. При сравнении различных пород по этой способности, устанавливается отношение между потерей воды испытуемой породой и потерей воды породой, принятой для сравнения. Хвойные породы обладают значительно меньшей транспирационной способностью, нежели лиственные, и гораздо меньшей изменчивостью этой способности у отдельных видов. Новейшие исследования над срезанными листьями лиственных и хвойных пород (Л. А. Иванов, 1939) показали значительную изменчивость транспирационной способности лиственных пород, наибольшая величина которой превышает наименьшую в 10 раз.
Между величиной транспирационной способности и засухоустойчивостью, как оказалось, нет заметной связи. Засухоустойчивость степных древесных пород достигается не уменьшенным расходом воды на транспирацию, а большею частью их глубокою корневой системою, позволяющей потреблять воду из глубоких слоев почвы; таковы дуб, ильмовые, белая акация, клён, яблоня, груша, шелковица и др.
Чем светолюбивее порода, тем больше она испаряет влаги, и этот параллелизм связан со световым строением листа; например, лиственница с очень прозрачной кроной испаряет воду более энергично, чем густо облиственные породы. Кроме того, при недостатке влаги светолюбивые породы менее способны сокращать испарение воды, чем теневыносливые. Так, водные отношения древесных пород тесно связываются со световыми, световые - с их анатомическими особенностями.
Об абсолютных размерах транспирируемой лесом воды мы не имеем данных, отвечающих природным условиям роста леса. Для характеристики потребления воды деревьями обычно пользуются данными исследований, произведённых над испарением 5 - 6-летних деревьев в вегетационных сосудах. Если количество воды, испарившейся в среднем за один вегетационный период для образования 100 кг воздушно сухой листвы у берёзы принять за 100 единиц, то для ясеня и осины количество испарившейся влаги составит также 100; для бука, липы и граба 85 - 90, ильмовых 80, дуба и клёна остролистного 60 - 70. Хвойные же породы испаряют значительно меньше влаги: ель 15 - 20, сосна 10 и пихта лишь 7 - 8 вышеуказанных единиц. Относительную величину испарения древесными породами можно установить, перечислив количества испаряемой отдельными породами воды на 1 кг воды, содержащейся в листьях. При этом оказывается, что берёза испаряет в 25 раз больше, ясень в 15 раз, дуб в 13 раз, клён остролистный в 9 раз больше воды, нежели её содержалось в листве. Таким образом, у лиственных пород наибольшей экономией испарения отличается листва дуба, ясеня и клёна остролистного; эти породы и являются основными в степном лесоразведении.
Хвойные породы обладают наибольшей экономностью испарения: ель, сосна и пихта европейская испаряют воды лишь в 4 - 7 раз больше, чем её содержится в хвое. Следовательно, хвойные породы расходуют на растительную транспирацию приблизительно в 8 - 10 раз меньше воды, нежели лиственные. Новейшие исследования (Л. А. Иванов, 1946) показали, что различия отдельных пород в транспирации (так же, как и в фотосинтезе) в лесу не имеют решающего значения, если иметь в виду общее количество воды, испаряемой всем насаждением.
Исследования в природе (1928 - 1934 гг.) показали, что дубовый лес в лесостепи Харьковской области испаряет в сутки в среднем за вегетационный период (с мая по октябрь) 3,72 мм, с колебаниями в отдельные годы от 2,88 до 4,22 мм в сутки. В степных условиях Сталинской области (Велико-Анадольское лесничество) среднесуточный расход влаги был меньше (3,45 мм), но и этот транспирационный расход воды лесом был больше, нежели в поле (на 17%).
На общую сумму расхода влаги в лесу в целом оказывают влияние размер неиспользованной влаги в почве к концу предшествующего вегетационного периода (на 1 октября) и метеорологические условия предшествующих зимы и осени. Таким образом увеличенное или уменьшенное количество осадков в данном гидрологическом году заметно скажется на расходе воды лесом лишь в следующем году. Эта особенность существенно отличает лес от поля, где колебания в запасах влаги в почве резко сказываются на урожае того же года.
После срубки насаждения на лесосеках начинается накопление влаги в верхних слоях почвы: нижняя граница промокания углубляется, и "мёртвый горизонт" в степной почве может совершенно исчезнуть. К переносящим недостаток влаги и успешно растущим на очень сухих почвах относится целый ряд пород, в том числе белая акация, песчаная акация, шелковица, гледичия, ясень пенсильванский, фисташка, саксаул, тамариск, лох, джузгун, чингил. Сосна может расти как на очень увлажнённых почвах, так и на сухих песках и каменистых почвах. Тополи и ивы могут успешно расти в условиях значительного увлажнения и переносят длительное затопление (плавни).
Самоизреживание насаждений тесно связано с транспирацией воды деревьями. При недостатке влаги прирост древесины уменьшается. Если вырубить часть деревьев в насаждении, то в растущих деревьях содержание влаги повысится. При чрезмерном же прореживании насаждения увеличивается поверхностный сток воды, разрастается богатый травянистый покров, и запас влаги в почве может оказаться меньшим, чем до прореживания.
Транспирация воды лесами, вместе с задержанием осадков пологом лесов, имеет крупное значение в усилении влагооборота европейской равнины СССР. Питание этой равнины влагой происходит за счёт водяных паров океанических воздушных течений, для которых входными воротами являются шведско-германская низменность с Ютландией, Зундами и Балтийским морем, северо-западный край от южной Подолии и, наконец, широкая полоса хвойных и смешанных хвойно-лиственных лесов средней полосы европейской части СССР. Отсюда эта океаническая влага несётся северо-западными и западными ветрами через центральные районы в наши степи. Годовое количество влаги, приносимой этими океаническими воздушными течениями, составляет 209 мм. Лесные массивы затрудняют прямой сток этих выпадающих атмосферных осадков, перехватывают их на пологе и вместе с водой, просочившейся в почву и транспирируемой лесом, возвращают обратно в атмосферу. Из атмосферы, продвигаясь в виде водяных паров к югу, вода снова выпадает в виде континентальных осадков, годовое количество которых составляет в среднем по европейской части СССР уже 484 мм. Коэффициент стока является показателем этого явления: чем он меньше, тем больше оборот влаги из океанической в континентальную. Таким образом, океаническая влага, достигающая европейской равнины СССР и пополняемая испарениями лесов, выпадает на своём пути два-три раза, что имеет крупнейшее агрономическое значение. В этом усилении влагооборота заключается огромная народнохозяйственная роль лесов.
Изучение мирового опыта земледелия показывает вполне определенные тенденции направленной трансформации природных угодий, замены естественных угодий искусственными с целью удовлетворения потребностей человечества в продуктах питания, в растительном и животном сырье.
Одним из широко распространенных в этом направлении мероприятий преобразовательного характера является замена лесов пашнями и лугами. К середине XX века пашни занимали около 21% всей не покрытой лесами площади и приблизительно столько же - луга. Всего пашни и луга занимали к этому времени около 40 млн. км 2 (Успенский, 1956).
В лесных провинциях умеренных, субтропических и тропических широт, в гилеях экваториальной зоны этот процесс по существу ведет свое начало с тех пор как наряду со скотоводством стало развиваться земледелие.
Не исключено, что процесс вырубки лесов начался на более раннем этапе развития человечества - со времени первого добывания огня.
К середине XX века суммарная площадь всех лесов Земли составляла около 30,3 млн. км 2 , в том числе 35% площади занимали хвойные леса, 16% -лиственные леса умеренного пояса и 49% -лиственные леса тропического пояса.
Точных сведений о площади вырубленных за весь исторический период лесов пока не имеется. Но по предварительным исследованиям (Яблоков, 1960), за последние 10 000 лет на Земле уничтожено 2 / 3 всех лесов.
Такой масштаб вырубки лесов не мог не повлиять на влагооборот если не всей Земли, то по крайней мере тех природных зон, которые интенсивно подвергались преобразованиям.
Приближенные расчеты показывают, что на заре человеческой истории соотношение между площадью, покрытой лесом, и безлесной составляло 3:1, а во второй половине XX века 1:3.
Рассматривая влияние изменения облесенности территории на влагооборот, мы сталкиваемся с диаметрально противоположными суждениями и выводами. Одни исследователи, как, например, Г. Н. Высоцкий, утверждают, что «лес сушит равнины и увлажняет горы», другие придерживаются противоположного мнения, а некоторые полагают, что основное влияние леса на влагооборот состоит в перераспределении стока поверхностного и подземного. Третья точка зрения по существу оставляет открытым вопрос о последствиях для влагооборота замены лесов другими угодьями.
При оценке влияния облесенности местности на влагооборот неизбежно встают два вопроса, определяющие существо данного вида преобразования территории: а) как влияет лес на увеличение количества осадков по сравнению с другими вновь создаваемыми на его месте угодьями; б) изменяет ли и в какую сторону вновь создаваемое угодье величину испарения. Положительное решение того и другого вопроса можно рассматривать как показатель роста интенсивности влагооборота, что в свою очередь означает более значительное накопление органической массы растений или, иначе говоря, увеличение продуктивности биокомпонента природного ландшафта.
По вопросу о влиянии леса на осадки в литературе на протяжении более чем сто лет высказываются противоречивые суждения. Теоретические предпосылки указывают на неизбежность увеличения атмосферных осадков под воздействием леса. Лес характеризуется большей шероховатостью, чем болото, луг, пашня. Лес вызывает, подобно возвышенностям, более интенсивные восходящие воздушные токи и токи обтекания, лес способствует осаждению горизонтальных осадков в виде изморози, гололеда и в жидком виде. Особенно большое воздействие на выпадение осадков наблюдается в горных лесах тропиков, субтропиков, умеренных широт и на побережьях, где часты туманы.
В лесном поясе Килиманджаро некоторые густые леса носят специальное название «туманные леса», вследствие их способности задерживать большое количество горизонтальных осадков (Келлер, 1965). Аналогичные леса имеются в Южной Америке, в Андах.
В Велико-Анадольском лесу около 80% годового количества осадков, или 35 мм твердых осадков, выпадает в виде изморози и гололеда (Алисов, Дроздов, Рубинштейн, 1952).
Одной из причин, затрудняющих оценку влияния леса на атмосферные осадки, является, как известно, неточность учета дождемерами твердых осадков в холодный период года, когда особенно сильно сказывается влияние ветра.
В Советском Союзе после работ С. И. Костина (1948), исследовавшего влияние леса на осадки в теплый период года, когда дождемер меньше, чем зимой, искажает действительное количество выпадающих осадков, наметились определенные сдвиги в данном вопросе. Отдельные исследователи (Костин, 1948; Калинин, 1950; Дроздов, 1950; Рахманов, 1959; Кузнецова, 1961; Раунер, 1966) произвели детальные расчеты, относящиеся к проблеме влияния леса на атмосферные осадки, причем большинство из них пришло к положительным выводам - лес увеличивает количество осадков. В умеренных широтах это увеличение в абсолютных величинах чаще всего составляет 20-100 мм. Однако эти числа все еще нельзя считать вполне доказанными. В относительных величинах в средних широтах увеличение осадков составляет 10-20%.
Вопрос о влиянии леса на изменение осадков в зоне умеренного климата Западной Европы все еще не решен. Но и там отдельные наблюдения подтверждают положительное влияние лесов на количество атмосферных осадков в пределах нескольких десятков миллиметров.
Установлено также, что на количество осадков влияет площадь лесного массива (положительная корреляция) и положение, занимаемое той или другой его частью по отношению к господствующим ветрам. При этом в подветренных лесных районах наблюдается некоторое уменьшение количества осадков.
В низких широтах мы не располагаем данными, характеризующими влияние леса на осадки. В обстоятельной монографии, посвященной тропическому дождевому лесу, П. У. Ричарде (1961) не касается этого вопроса.
Известно, что одно из основных отличий климата экваториальной зоны от климата умеренных широт состоит в мало развитой циклонической деятельности, в резком преобладании конвективных осадков над адвективными. Чаще всего выпадают ливневые осадки с грозами и очень редко бывают длительные дожди фронтального типа.
Эти особенности генезиса атмосферных осадков экваториальной зоны, по-видимому, исключают, по крайней мере на равнинах, значительное влияние лесов, как механической шероховатой преграды, на атмосферные осадки.
Более заметное влияние на осадки в тех условиях, вероятно, будет оказывать местное испарение. При высокой относительной и абсолютной влажности воздуха в экваториальной зоне роль стимулирующего осадки местного испарения должна быть более значительной, чем в умеренных широтах.
В горных областях, о чем уже было сказано выше, и в низких и умеренных широтах леса должны оказывать более значительное воздействие на осадки по сравнению с равнинами. «Туманные леса» чаще всего бывают приурочены к горным территориям, что является прямым доказательством более интенсивного воздействия на осадки наветренных горных склонов. Легко найти этому и физическое объяснение, если сравнить условия восхождения воздушных масс по шероховатому облесенному и гладкому травянистому склонам.
Влияние полезащитных лесных полос на количество атмосферных осадков пока еще не оценено экспериментально. Имеющиеся прогнозы в этом направлении носят преимущественно спекулятивный характер и нуждаются в более убедительных доказательствах, подкрепленных массовым опытом изучения влагооборота в различных природных зонах в системе лес- поле.
Теоретически можно предполагать некоторое увеличение количества атмосферных осадков под влиянием полезащитного лесоразведения, имея в виду повышенную турбулентность над лесными полосами. Однако она не достигает «зоны» конденсации, а дополнительное испарение за счет уменьшения стока не в состоянии существенно стимулировать выпадение атмосферных осадков. Кроме того, для получения ощутимого эффекта от лесных полос на количество осадков необходима достаточно большая облесенность полуаридных и аридных территорий, что нецелесообразно. Существующая облесенность полей в провинциях полупустынь и степей обычно не превышает 1-3% общей площади и едва ли она когда-нибудь будет существенно изменена.
Сказанное о полезащитных лесных полосах, однако, не умаляет значения их в изменении других сторон водного баланса, например стока и испарения, о чем будет речь ниже.
В итоге краткого рассмотрения вопроса о влиянии леса на осадки мы приходим к положительному выводу - лес увеличивает количество атмосферных осадков. При этом нельзя не учитывать и стимулирующей роли леса на осадки посредством увеличения относительной влажности воздуха благодаря более значительному испарению.
Уничтожив за исторический период 2 / 3 всех лесов, человек способствовал этим изменению естественного влагооборота в худшую сторону. В этом отношении его преобразовательные мероприятия, обусловленные материальными потребностями, оказали отрицательное влияние на общепланетарный влагооборот.
Если принять во внимание, что в результате уничтожения лесов «недобор» атмосферных осадков в среднем составляет около 50 мм, что не будет преувеличением, в особенности для гумидных равнинных и горных местообитаний, то в целом для всей Земли из ежегодного влагооборота выпало не менее 3000 млрд. м 3 пресной воды. В этих расчетах было принято во внимание уничтожение лесов на площади 60 млн. км 2 за период, равный примерно 10 000 лет.
Второй кардинальный способ оценки воздействия на влагооборот замены лесных угодий культурными пашнями и лугами - учет изменения суммарного испарения.
Теоретические предпосылки позволяют утверждать прямую зависимость расхода воды растениями не только от метеорологических условий, но и от продолжительности их периода вегетации: чем продолжительнее вегетационный период растительного сообщества, тем больше расход воды. На этой основе было высказано предположение, подтвержденное опытом (Алпатьев, 1954, 1958, 1967), что древесные растения наряду с многолетними травянистыми необходимо поставить на первое место по величине суммарной потребности в воде, а однолетние травянистые - на второе.
Более детальное исследование позволило выделить следующие укрупненные группы и подгруппы растений в нисходящем порядке по суммарной потребности их в воде (табл. 10).
Сравнивая потребность в воде разных растений и их сообществ, мы имеем в виду сопоставление их в аналогичных метеорологических условиях, а также суммарное испарение в условиях оптимальной или близкой к ней влагообеспеченности,
что в естественных условиях увлажнения наблюдается на ограниченной территории.
Обобщение о прямой зависимости суммарного испарения (транспирация плюс испарение с поверхности почвы) от продолжительности периода вегетации растений справедливо также для случаев неустойчивого и недостаточного обеспечения влагой, если сравнение проводить на основе средних многолетних величин, когда исключено влияние случайного распределения осадков.
В табл. 11, 12а и б приведены сравнительные данные суммарного испарения в лесу и в поле, а также на лесных полезащитных полосах. По степной и лесостепной зонам использованы первичные данные разных авторов, переработанные А. С. Скородумовым (1964) по единой методике, что дает больше оснований для их сопоставлений.
По этим данным, взятым для иллюстрации, можно заключить, что лес испаряет больше, чем поле и целина (целина в Курском заповеднике, Джаныбеке).
На основании пятилетних наблюдений в степных районах Кубани, нами были получены следующие суммарные расходы воды в лесной полосе и на полях культурных растений разной продолжительности вегетации (табл. 11).
Из этих данных, которые можно подтвердить на большом экспериментальном материале, полученном в разных географических условиях, видно, что древесные породы испаряют больше травянистых растений, если ресурсов влаги достаточно. Многолетние травы занимают промежуточное положение, но обычно стоят ближе к древесным и нередко не уступают им по массе испарения.
В последние два десятилетия в этом направлении было проведено много исследований в разных почвенно-климатических условиях, но результаты не всегда были однозначными. Разница суммарных расходов воды между сплошным лесом и полем значительно меньше, чем разница между лесными полосами и полем, что связано с добавочным накоплением снега в полосах.
Сторонниками признания леса как природного образования, для которого характерно более значительное суммарное испарение являются: П. В. Отоцкий, Г. Н. Высоцкий, П. К. Фальковский, Г. Ф. Морозов, Ю. Ф. Готшалк, А. Ф. Большаков, А. А. Роде, Т. Я. Киссис, М. Н. Польский, Н. И. Маккавеев, Ф. С. Черников, С. Ф. Федоров, Ю. Л. Раунер, Л. М. Ананьева, А. Р. Константинов, Л. Р. Струзер, Д. Г. Смарагдов, А. М. Алпатьев и многие другие.
Однако имеются и противники этой концепции, как, например, А. П. Тольский, А. И. Ахромейко, С. В. Зонн, А. А. Молчанов, В. В. Рахманов, А. П. Бочков и другие.
Есть, наконец, третья группа исследователей, которая считает, что замена леса полем не сопровождается существенным изменением объема влагооборота или она не однозначна по своим последствиям в разные по метеорологическим условиям годы (П. С. Кузин, В. И. Рутковский, И. В. Васильев, А. И. Чеботарев, С. И. Харченко).
Мы намеренно привели имена многих исследователей, занимающих нередко противоположные позиции в отношении суммарного испарения леса и поля, чтобы показать неправомерность однозначного решения этой сложной проблемы большого теоретического и хозяйственного значения.
Спор идет главным образом вокруг крылатой фразы Г. Н. Высоцкого: «Лес сушит равнины и увлажняет горы».
Взвешивая возможные последствия замены лесов пашнями и лугами на испарение и сток, мы пришли к выводу (1958), что в разных природных зонах они однозначны, т. е. во всех исследованных нами природных зонах (45-60° с. ш.) лес испаряет больше, чем травянистые фитоценозы. Тогда же был сделан вывод, что в низких широтах разница в суммарном испарении леса и поля достигает максимальной величины, а в высоких широтах - минимальной. Эту закономерность мы объяснили тем, что с продвижением в более высокие широты убывает разность в продолжительности вегетации лесных насаждений и травянистых формаций. В частности, на широте около 45° с. ш. продолжительность вегетации дуба черешчатого на Европейской территории СССР около 186 дней, а пшеницы яровой 91 день; на широте 60° с. ш.-129 и 94 дня соответственно. В первом случае разность достигает трех месяцев, во втором - немного более одного месяца. Это различие существенно влияет на уменьшение разрыва в испарении леса и поля с продвижением в более высокие широты.
Полученные нами выводы о максимальном испарении древесных пород по сравнению с травянистыми фитоценозами подтвердили Л. М. Ананьева (1962) и Ю. Л. Раунер (1965, 1966). Раунер установил это на массовом материале наблюдений путем нахождения разности в суммарном испарении между лесом и безлесными территориями в разных географических широтах. Он также считает большую продолжительность вегетационного периода лесной растительности одним из факторов увеличения испарения. Кроме этого, он привлекает для объяснения повышенного испарения леса и другие факторы: а) более высокую оптическую плотность растительного покрова в лесных насаждениях и б) более значительное накопление влаги под пологом леса к началу вегетации по сравнению с безлесными участками. Раунер пришел к выводу, что разность между суммарным испарением в лесу и на безлесных землях достигает максимума (100-110 мм) в средних широтах - в подзоне широколиственных лесов и в зоне лесостепей, точнее, в тех провинциях, где индекс сухости R / Lr равен 1,1-1,2. К северу и югу от этих зон и подзон разность убывает от 100-110 до 40-50 мм.
Рассмотрим, насколько универсальны выводы о более значительном суммарном испарении лесов по сравнению с пашнями, лугами, целиной. По-видимому, есть условия, ограничивающие эти выводы, на что прямо и косвенно указывают противники концепции иссушающего территорию воздействия леса.
Разные типы лесов заметно различаются между собой по суммарному испарению, по задержанию твердых и жидких осадков, накоплению влаги в почвах, по мощности охватываемой влагооборотом почвенной толщи.
Суммарное испарение леса зависит также от таксационных и других особенностей древостоев - их продуктивности, возраста, сомкнутости. Все это достаточно убедительно показано в работах Зонна, Молчанова. Скородумова и многих других исследователей лесных насаждений.
Необходимо выбрать наиболее типичное для всех лесов, что отличает их от травянистых фитоценозов, и определить условия, при которых можно с полным основанием утверждать, что лес испаряет больше или меньше полевых и луговых фитоценозов.
Первое, на чем необходимо остановиться, характеризуя возможные последствия для влагооборота замены лесов травянистыми фитоценозами в разных климатических условиях, это гидрологическая оценка такого фактора, как продолжительность периода вегетации фитоценозов. Всегда ли замена более продолжительно вегетирующих лесов менее продолжительно вегетирующими травянистыми фитоценозами сопровождается уменьшением суммарного испарения? Этот вопрос будем рассматривать в аспекте сравнения средних многолетних величин испарения, так как в пределах одного года в зависимости от распределения атмосферных осадков и тепловых условий, от запасов влаги в почвах к началу вегетации результат может быть и положительным, и отрицательным.
Известно, что в лесу не все атмосферные осадки достигают поверхности почвы, в связи с чем уменьшается доля осадков, попадающих в почву и в грунтовые воды. Задержание осадков кронами деревьев по величине очень сильно варьирует в зависимости от типа леса, возраста, сомкнутости и других факторов и трудно поддается статистической оценке.
По наблюдениям в лесах Западной Европы (Келлер, 1965), было установлено, что лиственные леса задерживают значительно меньше осадков, чем еловые: буковые задерживают до 11% осадков, еловые до 26%. Отсюда был сделан вывод о возможности изменения водного баланса почвы и речного бассейна путем замены еловых насаждений лиственными.
Длительные наблюдения над осадками, оседающими на кронах, были начаты Н. С. Нестеровым и продолжены Г. Р. Эйтингеном (1946) под Москвой. Они охватывают период 34 года (1906-1940 гг.). Было установлено, что спелый березняк задерживает на кронах в среднем за год 10% осадков, спелый сосняк-13-16% и средневозрастный чистый густой ельник - 32%.
По 9-летним наблюдениям А. А. Молчанова (1961) в лесостепной зоне (Теллермановское лесничество) на Русской равнине, дубравы при сомкнутости около 0,9 задерживали на кронах в среднем около 12-16% годовых осадков.
В. В. Рахманов (1962) оценивает потери атмосферных осадков на задержание их кронами в среднем около 25% годовой суммы, в лесах разных типов эта величина колеблется от 15 до 35%.
По 6-летним наблюдениям А. С. Скородумова (1964), в южнорусских степях (Владимирская станция) в широколиственных лесах с преобладанием дуба в возрасте 31 года задерживалось осадков на кронах в среднем за год 16%, в лесных полосах-22%.
В субтропическом дождевом лесу Южной Бразилии, по данным Ф. Фрейзе (Келлер, 1965), в кронах задерживалось около 67% осадков. Сколько лет велись эти наблюдения, неизвестно. Однако, принимая во внимание более значительную высоту древостоя тропических и субтропических дождевых лесов, большую сомкнутость, а также многоярусность, следует ожидать в этих условиях более значительного количества перехватываемых кронами осадков по сравнению с лесами умеренных широт. Данные Фрейзе, по-видимому, правильно отражают тенденцию увеличения задерживаемых осадков в дождевых лесах низких широт.
Итак, в любых природных условиях под пологом леса на поверхность почвы в среднем осадков выпадает меньше, чем на рядом расположенных безлесных территориях, если иметь в виду достаточно большие массивы. Перехватывание кронами осадков до некоторой степени нивелирует рост осадков за счет влияния леса на процесс выпадения осадков. Во многих случаях оно, возможно, приводит к полной компенсации одного другим.
В США для расчета осадков, задерживаемых пологом леса, используется формула (Келлер, 1965):
где J - количество осадков, задерживаемых единицей площади полога леса, S - водозадерживающая способность леса, k - отношение испаряющей поверхности листвы к площади ее суммарной проекции, ε - интенсивность испарения во время выпадения осадков, Т - среднее количество осадков за один дождь в период вегетации, P s - площадь основания стволов деревьев. Подобного рода формулы не имеют универсального значения, так как на задержание осадков влияет тип леса, сомкнутость, возраст, бонитет, многоярусность и другие факторы.
Полная или частичная компенсация кронами дополнительных осадков, образующихся над лесными территориями за счет повышенной шероховатости, не дает оснований утверждать, что лесные формации испаряют больше травянистых. Необходимо обратиться к другим факторам - к сравнительным запасам воды в снежном покрове и в почве, к поверхностному и подземному стоку на облесенных и необлесенных территориях. Более значительные запасы воды в снежном покрове и в почвах лесов, наряду с уменьшением стока, являются, как известно, надежными показателями, подтверждающими повышенные расходы воды на испарение.
В природных зонах с отчетливо выраженным холодным периодом года облесенные территории обычно характеризуются более мощным снежным покровом. Из недавно опубликованных работ по этому вопросу сошлемся на работу Института географии АН СССР (Малик, 1966), исследовавшего снегонакопление в тайге Северного Приобья под пологом леса и в открытой местности, поданным многолетних наблюдений 12 метеорологических станций Гидрометеослужбы и Западно-Сибирской экспедиции ИГАН. Оказалось, что в среднем за зиму в хвойных и березово-осиново-хвойных лесах снегозапасы на 20-40% больше, чем на полях. В густом хвойном лесу разница в пользу леса снижается до 10% за счет, по-видимому, увеличения доли твердых атмосферных осадков, перехватываемых кронами.
В. В. Рахманов (1962) исследовал снегонакопление в лесах и на полях Русской равнины в пределах территории, расположенной приблизительно между 50 и 60° с. ш. Он пришел к выводу, что снегозапасы в лесах во все годы и во всех районах больше, чем в открытой местности. При этом в мелколиственных и смешанных лесах снегозапасы на 23%, а в хвойных лесах на 12% больше, чем в поле. В отдельных пунктах (в 17 из 125) снегозапасы в лесах оказались меньше снегозапасов в поле, что, по-видимому, можно отнести за счет случайных погрешностей. Рахманов считает, что дополнительное снегонакопление в лесу на 10-30 мм больше, чем в поле.
Несколько раньше к аналогичным выводам пришел В. Н. Паршин (1953), изучая сравнительное снегонакопление в лесу и в поле на территории северной половины Русской равнины. По его данным, в мелколиственных лесах накопление снега на 15-20%, а в хвойных, достаточно сомкнутых лесах, на 5-10% больше, чем в поле.
По исследованиям В. И. Рутковского (1956), в подзоне смешанных лесов Европейской территории СССР накопление снега в мелколиственных и широколиственных лесах максимальное, в хвойных оно меньше, на полях - минимальное.
Несколько иные выводы получены В. Д. Комаровым (1959), обобщившим 20-летние наблюдения Валдайской н.-и. гидрологической лаборатории и других научных учреждений. Он установил, что запасы воды в снежном покрове в хвойных лесах средней густоты и на открытой местности почти одинаковы, если в течение зимы нет сильных оттепелей.
Наконец, некоторые исследователи (Галахов, 1940; Эйтинген, 1946; Молчанов, 1961) придерживаются мнения, согласно которому в ельниках запасы воды в снежном покрове меньше, чем в поле, а в сосняках, березняках и на полянах - больше. По данным 15-летних наблюдений на Лесной опытной даче Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева, уменьшение запасов воды в ельниках по сравнению с полем составило всего 7% (6 мм), между тем как увеличение их в сосняке, березняке и на поляне оказалось равным 20-25%, или 18-47 мм.
В Прокудином бору Московской области в среднем за четыре года наблюдений запасы воды в снежном покрове в сомкнутом ельнике (возраст 65 лет) оказались равными 73 мм, в сомкнутом сосняке того же возраста- 129 мм, на всхолмленном обширном поле площадью 5 га- 120 мм (Молчанов, 1961). Аналогичные результаты получены за пять лет наблюдений Институтом географии АН СССР (Басе, 1963) на севере Клинско-Дмитровской гряды в подзоне смешанных лесов. В этом районе в общем виде был подтвержден порядок расположения разных угодий по запасам воды в снежном покрове. При этом было найдено, что еловый лес и поля в зависимости от особенностей зимней погоды могут занимать разные места.
Подытоживая рассмотрение вопроса о влиянии леса на запасы воды в снежном покрове в лесных провинциях с достаточно устойчивой зимой, необходимо констатировать, что новейшие наблюдения в общем виде подтвердили старые выводы первой половины двадцатого века (А. И. Воейков, Н. С. Нестеров, Г. Н. Высоцкий, А. Д. Дубах, Г. Д. Рихтер и др.). Вместе с тем во второй половине XX века удалось более надежно для этих географических условий обосновать количественные соотношения коэффициентов снегозапасов по типам угодий и типам лесов.
Теперь можно безошибочно утверждать, что все типы хвойных, (кроме еловых), мелколиственных и смешанных лесов, наряду с полянами, способствуют более значительному накоплению в них снега по сравнению с полями.
Физическое обоснование преимуществ лесных угодий как снегонакопителей дано в трудах П. П. Кузьмина (1954).
Во всех случаях, когда это было возможно, мы сравнивали снегонакопление в лесах и на полях, занятых культурными растениями, имея в виду генеральную перспективу замены лесов главным образом пашнями.
За рубежом, в Западной Европе и США, в провинциях лесной зоны средних широт имеет место аналогичное соотношение между накоплением снега в лесах и на полях.
Так как в нашу задачу не входит подробный обзор имеющихся исследований по данному вопросу, ограничимся ссылкой на отдельные работы А. А. Молчанова (1963) и В. В. Рахманова (1962), в которых сообщаются прежние и современные зарубежные данные, характеризующие коэффициенты снегонакопления для лесов и полей. Важно здесь отметить, что наиболее резкая разница в снегонакоплении в лесах и на полях наблюдается при частых циклонах (Рахманов, 1962), когда сублимация снега в лесах значительно меньше, чем на полях. Косвенно для Западной Европы это подтверждает и более значительное накопление снега в лесах.
Для условий лесостепной, степной и полупустынной зон, где имеются либо островные широколиственные леса, либо полезащитные лесные полосы, по существу можно сделать такой же вывод, как и для лесной зоны. И в этих зонах наблюдается аналогичная картина: накопление снега в лесах и полезащитных лесных полосах больше, чем на полях. Однако в отдельные годы бывают исключения из этого правила, особенно в западных провинциях Русской равнины, где довольно редки метели и часты оттепели.
Эффект снегонакопления обычно больше в лесных полосах и меньше в сплошных лесных насаждениях.
Для субтропической, тропической и экваториальной зон, где снежного покрова практически не бывает, за исключением высокогорий, рассмотрение этого вопроса, очевидно, представляется беспредметным.
Итак, в лесах умеренных и высоких широт, а также в полезащитных лесных насаждениях в засушливых зонах умеренных широт чаще всего снега накапливается больше, чем в поле, что предопределяет повышенное испарение ими воды и, следовательно, более интенсивный влагооборот, если сток воды с этих угодий меньше.
По-видимому, нет особой необходимости доказывать, что лес уменьшает поверхностный сток и увеличивает подземный. Это уже доказано многочисленными исследованиями советских ученых, среди которых назовем А. П. Бочкова (1954), С. В. Басе (1963), П. Ф. Идзона (1963), П. С. Кузина (1949), Д. Л. Соколовского (1959), В. И. Рутковского (1954). Р. Келлер (1965) в своей монографии подтверждает вывод об уменьшении поверхностного стока в лесах Швейцарии, Федеративной республики Германии, Чехословакии и Северной Каролины по сравнению с безлесными территориями. В Швейцарии этот вопрос изучается более 60 лет на лесном (56 га) и пастбищном (59 га) участках в Шпербеле и Раппене, причем сток с лесного участка оказался меньше.
Спор касается теперь более частных вопросов - влияния на сток облесенности территории, типа леса, его возраста и таксационных особенностей, вырубки, выпаса скота, заболоченности и т. д.
Однако в последние десятилетия при обсуждении вопроса об изменении общего объема стока под воздействием лесных насаждений снова возникли большие разногласия.
Некоторые исследователи, среди которых наиболее категорическую позицию занимает В. В. Рахманов (1962), утверждают, что лес несмотря на уменьшение поверхностного стока увеличивает общий годовой сток рек за счет значительного роста подземного стока.
Однако прямых доказательств в подтверждение этого вывода в провинциях лесной зоны как в СССР, так и в Западной Европе и США, не имеется.
Многие исследователи у нас и за рубежом разделяют противоположную точку зрения, считая, что лес уменьшает сток в реки и озера.
В то же время в лесах лесостепной и степной зон, как уже давно доказано Г. Н. Высоцким, а в последнее десятилетие вновь подтверждено многими исследователями, отсутствуют условия для формирования значительного подземного стока и существуют условия, затрудняющие промачивание почв до грунтовых вод. Не имея возможности останавливаться на этом подробнее, сошлемся на обобщающую работу А. С. Скородумова (1964), в которой с исчерпывающей полнотой рассмотрены эти вопросы.
Уменьшение поверхностного стока в лесах по сравнению с полем не вызывает никаких сомнений, увеличение же подземного стока в провинциях лесной зоны умеренных широт количественно не подтверждается в условиях строгого эксперимента. Убедительных теоретических предпосылок, подтверждающих значительное увеличение подземного стока в этих провинциях, не имеется.
Величины подземного стока в лесах умеренных широт могут быть значительно больше, чем на полях, при условии меньшего иссушения к осени и большей инфильтрационной способности почв, а также более значительных снегозапасов в лесах. Это удовлетворяет второму и третьему условиям. Первое же условие едва ли может быть принято во внимание, так как к осени влажность почвы в лесах либо меньше, чем на полях, либо между этими угодьями нет существенной разницы в запасах воды, особенно в подзонах тайги и смешанных лесов.
Нет оснований преувеличивать значение и инфильтрационной способности лесных почв, так как повышенная инфильтрация доказана только для верхних горизонтов.
Кроме того, глубина проникновения корневых систем древесных пород в заболоченных лесах, площадь которых резко возрастает от южной тайги к средней и северной, обычно невелика (0,5 м), в связи с чем существенно уменьшается толща почвы с высокой инфильтрационной способностью.
В итоге напрашивается вывод, что пока наука и практика не располагают точными данными о подземном стоке в лесах умеренных широт.
Единственно надежным критерием гидрологической оценки лесов являются данные, характеризующие сравнительное испарение в лесу и поле.
Как было показано выше, лес и поле в зависимости от ряда факторов могут менять свои места по массе испаряемой воды. Соответственно этому замена лесов пашнями и лугами в одних случаях будет уменьшать, в других увеличивать объем водных ресурсов, вовлекаемых в биофизический влагооборот.
Теоретические предпосылки биологического и физического порядка свидетельствуют в пользу признания древесных формаций потенциально более мощными испарителями влаги по сравнению с травянистыми: лес при достаточной влагообеспеченности и отсутствии заболоченности всегда испаряет больше влаги, чем поле, занятое однолетними или многолетними травянистыми сообществами. Прежде всего этому способствует более продолжительный период вегетации древесных растений. В низких широтах, где нет смены времен года и где сухой период отсутствует, тропический дождевой лес испаряет непрерывно круглый год, в то время как травянистые сообщества на окультуренных землях в этих широтах заканчивают свою вегетацию в более короткие периоды.
В средних и высоких широтах разные типы лесов, от широколиственных до хвойных включительно, также вегетируют дольше травянистых сообществ. Но разница в продолжительности вегетации тех и других непрерывно убывает с продвижением в тундру. Уже в средней, тем более в северной тайге она приближается к минимуму, что позволяет считать эти природные подзоны крайним рубежом, где испарение леса лишь немного больше испарения с поля.
Сравнивая суммарное испарение лесов и полей по широтам, мы имеет в виду высокопродуктивные незаболоченные леса и поля в пределах каждой зоны, что, как известно, не всегда имеет место в реальных условиях. Только на хорошо дренированных земельных массивах при достаточных ресурсах влаги древесные растения могут реализовать свои потенциальные биологические преимущества - способность развивать глубокую, хорошо разветвленную корневую систему, что обеспечивает возможность вовлечения во влагооборот более значительных
масс воды.
При глубоком промачивании почв к весне и глубоком залегании грунтовых вод значительное изъятие влаги корнями древесных растений в лесостепях, степях и полупустынях наблюдалось в толще почв до 4-5 м и глубже (С. В. Зонн, А. С. Скородумов, Т. Я. Киссис). Между тем для большинства культурных травянистых растений толща интенсивного изъятия влаги из почвы ограничена 1-2 м и только немногие из них, например люцерна, берут воду глубже (до 3 м).
В заболоченных почвах различия между древесными и травянистыми растениями по глубине проникновения корневых систем полностью нивелируются, что особенно наглядно наблюдается в тайге. В этих условиях древесные растения не могут использовать свои биологические преимущества в процессе изъятия воды из глубоких горизонтов почв.
Разумеется, не все древесные породы можно отнести к потенциально глубоко укореняющимся, например, ель - порода малопластичная в отношении корневой системы. Однако строение и глубина корневых систем большинства древесных и травянистых растений зависят не только от их биологических свойств, но также и от экологических условий.
С. В. Зонн (1954) считает, что заболоченные ельники испаряют примерно на 20% меньше, чем сложные незаболоченные.
По данным А. А. Молчанова (1961), под Москвой ельники-кисличники, обычно не заболоченные или мало заболоченные, испаряли 460 мм, а ельники-долгомошники, формирующиеся в условиях избытка влаги,- 339 мм.
Причина различий заключается в неодинаковой продуктивности древостоя: низкая продуктивность заболоченных лесов ограничивает использование ресурсов влаги. Поэтому мало продуктивные заболоченные леса могут испарять меньше, чем высокопродуктивные луга и пашни. В этом случае наблюдается полная аналогия с болотами: на осушенном болоте хороший травостой испаряет больше, чем плохой на неосушенном.
Молодой лес, как и перестойный, вследствие пониженной продуктивности испаряет меньше, чем лес в среднем возрасте: в Теллермановском опытном лесничестве дубовые древостой в возрасте 40-60 лет в среднем за 7 лет испаряли около 500 мм, в возрасте 220 лет - 418 мм, в возрасте 4-10 лет - 352 мм (Молчанов, 1961).
Лес нередко не может реализовать повышенную эвапоротранспирационную способность также и в условиях недостаточной влагообеспеченности. В природных зонах и провинциях недостаточного увлажнения лес, как и всякая другая формация, испаряет столько, сколько имеется влаги в почве и сколько выпадает осадков за период вегетации. В засушливых условиях во влажные годы суммарное испарение взрослого леса всегда больше испарения поля: в этом случае четко сказывается влияние большей продолжительности вегетационного периода древесных растений. В тех же условиях в сухие годы лес испаряет столько, сколько поле, или меньше, если в начале вегетации запасы влаги в лесу меньше, чем в поле.
Эти выводы, по-видимому, можно распространить на муссонные и саванновые леса тропических и субтропических широт, сбрасывающие листву с наступлением сухого периода.
В засушливых условиях умеренного пояса, где грунтовые воды обычно залегают глубоко, вывод о зависимости суммарного испарения леса и поля от ресурсов влаги (запасы воды в почве в начале вегетации плюс осадки за период вегетации) надежно подтверждается в работах С. В. Зонна (1959), А. С. Скородумова (1964), Ф. С. Черникова (1957), А. А. Роде (1963), А. М. Алпатьева (1954), А. Р. Константинова (1963) и др.
При этом в пределе испарение леса и поля в условиях неограниченных ресурсов влаги приближается к испаряемости, что для лесных полос нами было установлено (1958) по наблюдениям на Кубани.
Низкорослый лес IV - V бонитетов при частых оттепелях накапливает на равнинах меньше снега, чем поле, что предопределяет более ограниченные запасы влаги в нем к началу вегетации и снижает суммарное испарение. Примером подобных условий является Владимировская агролесомелиоративная опытная станция в Новобугском районе Николаевской области на южных суглинистых черноземах степной зоны, грунтовые воды 9-10 м.
По данным А. С. Скородумова (1964), суммарное испарение в лесном массиве на этой станции оказалось на 100 мм, а в лесной полосе - на 55 мм меньше, чем в поле. Средняя высота сплошного дубового насаждения порослевого типа на Владимировской станции 7,5 м, возраст 31 год, бонитет IV , полнота 0,6- 0,7. В таком низкорослом малосомкнутом лесу при частых оттепелях не могло накопиться снега и воды в почве больше, чем в поле, что отмечает и сам Скородумов. В среднем за 5 лет запас доступной растениям воды весной в двухметровом слое почвы оказался следующим: в лесу 155 мм, в лесной полосе 172 мм, в открытом поле 264 мм, в межполосном поле 248 мм.
Благодаря недостатку влаги, особенно остро проявившемуся в лесу, продолжительность периода расходования влаги в среднем за 4 года оказалась в этих условиях в поле 175 и в лесу 165 дней - факт, наблюдаемый в природе как исключение. Обычно бывает наоборот - древесные растения вегетируют продолжительнее травянистых, если засуха не прекращает вегетацию насильственно.
Итак, большинство древесных растений по сравнению с травянистыми способно формировать более глубокую корневую систему, если этому не препятствует заболоченность почв, а также вегетировать более продолжительный период времени, если вегетацию не прерывают недостаток влаги, заморозки или болезни и вредители.
Та и другая биологические особенности древесных растений обусловливают повышенное суммарное испарение леса и, следовательно, более интенсивный влагооборот.
Часто, хотя и не всегда, лес характеризуется большей многоярусностью, чем поле, что, по-видимому, также способствует более интенсивному использованию воды.
Не случайно в эволюции растительного мира многие древесные формы уступили место травянистым: формирование регионов с холодным и сухим климатом в процессе дифференциации природы поверхности суши обусловило вымирание многих древесных и появление новых филогенетически молодых травянистых форм, менее требовательных к влаге и более холодостойких.
Кроме биологических преимуществ, лес как особая биофизическая система (Хильми, 1966) оказывается отличным от травянистых формаций и в физическом отношении. В этом аспекте заслуживают внимание исследования Ю. Л. Раунера и Н. И. Руднева (1962), а также Л. М. Ананьевой (1962). Первые нашли, что в районе Клинско-Дмитровской гряды радиационный баланс леса оказался больше радиационного баланса луга на 17%. По наблюдениям Л. М. Ананьевой, в том же районе затраты тепла на испарение в лесу получились на 18% больше, чем для луга.
Аналогичные обобщения и личные наблюдения Ю. Л. Раунера (1965) привели его к важному выводу: лесные насаждения характеризуются более низким альбедо по сравнению с лугами и полями. По его расчетам, за счет более низкого альбедо сомкнутый полог леса за май-сентябрь получает дополнительно около 5 ккал. эффективной радиации по сравнению с окружающей его безлесной территорией. Это эквивалентно испарению слоя воды около 80 мм.
Следовательно, при одинаковом притоке суммарной радиации на разные рядом расположенные угодья (лес, луг, поле) теплоэнергетические ресурсы лесных насаждений оказываются наибольшими, что, благодаря повышенному расходу воды на испарение, создает физические предпосылки для более интенсивного влагооборота.
Разумеется, разные типы лесов в зависимости от их сомкнутости, ярусности, облиственности будут давать разный теплоэнергетический эффект, что, однако, не меняет физической сущности наблюдаемого явления.
Таким образом, замена лесов пашнями и лугами в процессе многовековой хозяйственной деятельности человека должна привести во всех природных зонах к некоторому ослаблению биофизического влагооборота на поверхности суши, если принять во внимание общеизвестный факт уничтожения в первую очередь первоклассных лесов, характеризующихся наиболее высокой эвапоротранспирационной способностью.
В разных географических зонах замещение лесов пашнями и лугами повлияло на влагооборот неодинаково.
В гилеях экваториальной, тропической и субтропической зон этот процесс должен был сказаться наиболее заметно, если общая площадь вырубленных в этих зонах лесов равна или больше аналогичной площади в умеренном поясе. В тропических широтах разница между продолжительностью вегетации лесов и заместивших их культурных растений, среди которых рису принадлежит первое место в мире (по другим источникам - второе после пшеницы и серых хлебов) по занимаемой им площади посева, оказывается наибольшей.
Однако надо иметь в виду, что в этих широтах, там где есть ирригация или после уборки главной культуры выпадают осадки, высевают вторую культуру, что уменьшает разницу в суммарном испарении леса и поля.
В средних широтах, где хорошо выражены теплый и холодный сезоны года, разница в длительности периода вегетации древесных и травянистых форм, особенно многолетних травянистых растений, несколько меньше. Но среди культурных растений на этих широтах преобладают однолетние, которые в зависимости от вида и сорта заканчивают вегетацию на 2-3 месяца раньше древесных растений, поэтому в средних широтах замена лесов пашнями также несколько ослабила интенсивность влагооборота.
В высоких широтах, к северу от 60-62° с. ш., разница в длительности вегетации древесных и травянистых форм даже однолетних растений приближается к минимуму. Практически ею можно пренебречь в сравнительной оценке суммарного испарения леса и поля. На этих широтах большая часть лесов была замещена лугами и пастбищами вследствие преобладания животноводства над другими отраслями сельского хозяйства. На территории этих угодий в высоких широтах вегетация луговых растений продолжается до глубокой осени, что способствует частичному нивелированию разницы между лесом и лугом в суммарном испарении.
В гумидных горных районах луга и пастбища преобладают над полями не только в высоких, но и в средних широтах. Поэтому в этих районах замена лесов весьма ограниченными по площади пашнями также не могла существенно повлиять на изменение суммарного испарения.
Однако альбедо луговой растительности несколько больше альбедо древесной, что даже в высоких широтах, несмотря на нивелирование разницы в длительности периодов вегетации леса и луга, обусловливает уменьшение суммарного испарения в результате частичной замены лесов лугами и пастбищами. Этот вывод подтверждают исследования Ю. Л. Раунера (1966), согласно которым на 60-62° с. ш. еще заметно влияние лесов на суммарное испарение, а именно в лесу оно почти на 40 мм больше, чем на лугу.
Итак, во всех географических зонах и провинциях, где в результате многовековой деятельности человеческого общества имело место уничтожение леса и замена его пашнями, лугами и пастбищами, суммарное испарение убывало соответственно масштабам преобразования. Это неизбежно должно было повлечь за собой уменьшение биофизического влагооборота.
Процесс ослабления интенсивности влагооборота от вырубки лесов происходил в результате одновременного воздействия двух факторов: уменьшения атмосферных осадков и уменьшения суммарного испарения.
Примем минимальную разницу в суммарном испарении леса и поля равной 50 мм, что соответствует принятой нами раньше величине «недобора» атмосферных осадков в результате уничтожения лесов.
В таком случае, согласно расчету, из ежегодного влагооборота Земли выпало не менее 3000 млрд. m s пресной воды, если достоверно число 60 млн. км 2 леса, вырубленного за последние тысячелетия.
Региональное значение замены лесов пашнями и лугами нельзя не принимать во внимание при оценке преобразовательных мероприятий в тех зонах и провинциях, в которых имело место значительное истребление лесов. Уменьшение атмосферных осадков всего на 10% в результате вырубки лесов составляет в средних широтах не менее 40-70 мм, что нельзя не учитывать при оценке региональных влагооборотов. Вырубка лесов оказала влияние на уменьшение интенсивности влагооборота не только на бывших облесенных территориях, но и на смежных с ними площадях.
Кроме того, в результате вырубки лесов сильно изменилось соотношение поверхностного и подземного стоков, что в свою очередь неизбежно изменило гидрологический режим этих территорий.
Чтобы закончить рассмотрение вопроса о гидрометеорологических последствиях замены лесов пашнями, лугами и пастбищами, остановимся кратко на аналогичной характеристике полезащитных лесных полос.
По масштабам общепланетарного значения их воздействие на общий влагооборот ничтожно, так как занимаемые ими площади в пределах данного района теперь и в будущем едва ли будут превышать 3-5%.
Территориальные возможности хозяйственного использования полезащитных лесных полос ограничены преимущественно полуаридными и аридными регионами. Региональное значение гидрометеорологического воздействия на местный влагооборот достаточно велико.
Нет необходимости останавливаться подробно на оценке гидрометеорологической эффективности полезащитных лесных полос, так как она достаточно исчерпывающе оценена в работах А. П. Бочкова, И. А. Гольцберг, О. А. Дроздова, А. Р. Константинова, М. И. Львовича и др.
Наиболее обстоятельно это мероприятие рассмотрено в недавно опубликованной монографии А. Р. Константинова и Л. Р. Струзера (1965).
Во многих отношениях гидрометеорологическое воздействие полезащитных лесных полос сходно с воздействием сплошных лесных насаждений на микроклимат и водный режим почвы. Лесные полосы, помимо влияния их на скорость ветра, температуру и влажность воздуха, способствуют увеличению атмосферных осадков, особенно в холодный период года. Снежный покров как в них самих, так и на смежных с ними защищенных полях обычно бывает более мощным по сравнению с открытым полем. То же самое наблюдается, за небольшим исключением, при изучении запасов влаги в почвах под лесными полосами, защищенных и открытых полей: они почти всегда больше в почвах под лесными полосами и на защищенных ими полях.
Соответственно такому воздействию на межполосных полях убывает поверхностный сток и возрастает подземный, уменьшается испаряемость, увеличивается испарение за счет большего накопления воды в почвах к началу вегетации.
Однако в количественной оценке гидрометеорологической эффективности полезащитных полос пока еще нет единого мнения.
О. А. Дроздов (1952) в одной из ранних работ пришел по существу к отрицанию положительного влияния лесных полос на атмосферные осадки (увеличение осадков всего на 2-3 мм за вегетационный период) в сухой степи и полупустыне Европейской части СССР и к признанию его в лесостепных провинциях (увеличение осадков на 20 мм за вегетационный период).
В более поздней работе (Дроздов и Григорьева, 1963) Дроздов считает, что на равнинах под влиянием лесных полос осадки возрастают на 5%, не поясняя, к какой природной зоне относится это число.
По расчетам А. Р. Константинова (1965), в западных районах полезащитного лесоразведения на Европейской территории СССР общее увеличение атмосферных осадков составит около 50 мм, в восточных -33 мм и в юго-восточных-16 мм при условии, что мероприятие будет проведено на всей засушливой территории.
В результатах как этих расчетов, так и расчетов О. А. Дроздова выявляется одна и та же тенденция - уменьшение гидрометеорологической эффективности лесных полос с продвижением из более гумидных в аридные зоны и провинции, что тесно связано с уменьшением в том же направлении относительной влажности воздуха. В сухих степях и полупустынях она настолько мала, что дополнительное испарение, благодаря воздействию лесных полос на влагозадержание тропосферы, не в состоянии заметно стимулировать выпадение осадков.
Комплексная оценка изменения водного баланса Украины (Константинов, Сакали и др., 1966) с учетом совместного воздействия лесных полос и агротехники привела авторов к следующим выводам: атмосферные осадки возрастут в условиях будущего земледелия на 9%, суммарное испарение-на 11%, суммарный сток уменьшится на 4%.
В целом интенсивность биофизического влагооборота возрастет в тех регионах, где полезащитные полосы займут надлежащее место в общей системе преобразовательных мероприятий в сельском хозяйстве.
Изменение биофизического влагооборота в благоприятном направлении создаст предпосылки для роста биологической продуктивности полей. При этом увеличение урожая благодаря уменьшению вредного влияния эрозии, более обильному применению удобрений и улучшению сортового состава культурных растений намного повысит рост интенсивности влагооборота.
Выше было показано, что с продвижением в более высокие широты разница в суммарном испарении леса и поля постепенно убывает вследствие выравнивания продолжительности периода вегетации древесных и травянистых растений, но не исчезает полностью благодаря различиям в величине альбедо леса и поля.
Для дифференцированного учета будущих последствий замены лесов лугами, пастбищами и пашнями необходимо, кроме указанных факторов, принимать во внимание фактический удельный вес лесов по природным зонам, а также типы и бонитеты лесов. По данным, сообщаемым А. А. Молчановым (1963), на Европейской территории СССР испарение за счет леса происходит: в северной тайге -с 61% площади, в средней тайге -с 47%, в подзоне смешанных лесов -с 26%, в северной лесостепи с 8% ив степи -с 3,5% площади. Поправка на действительную площадь испарения леса по зонам существенно меняет теоретические расчеты зональных изменений интенсивности биофизического влагооборота на единицу площади.
Необходимо кратко остановиться на гидрологической оценке сплошных лесных насаждений и лесных полос, имея в виду формулу Г. Н. Высоцкого: «Лес сушит равнины…».
Как было упомянуто выше, в последние два десятилетия эта крылатая фраза подвергалась неоднократной критике со стороны ряда исследователей, изучавших проблему «лес - поле» в ее гидрологическом аспекте (И. М. Лабунский, А. П. Бочков, В. И. Рутковский, С. В. Зонн, В. В. Рахманов и др.).
По биологическим свойствам древесные формации по сравнению с травянистыми характеризуются потенциально более значительным суммарным испарением, что подтверждает непосредственное исследование водного баланса разных угодий, а также исследование теплоэнергетических свойств леса и поля! При этом намечается следующий восходящий ряд по объему влагооборота: 1) поля с преобладанием однолетних культур, 2) луга и пастбища, 3) леса. Леса характеризуются наибольшим биофизическим влагооборотом в природе, если экологические условия не препятствуют этому.
Разность в суммарном испарении леса и поля наиболее велика в низких широтах, если к началу вегетации запасы воды в почве леса больше или равны запасам поля. Минимальное значение разности характерно для высоких широт, где продолжительность вегетации растений леса, луга, поля различается не столь существенно, как в низких широтах, и где запасы влаги весной в почвах всех этих угодий близки между собой.
На широтах, где снежный покров хорошо выражен и достаточно устойчив, лес, несмотря на повышенное суммарное испарение, мало изменяет общий сток благодаря увеличению над облесенными территориями атмосферных осадков и большему накоплению запасов воды в снежном покрове. Тем не менее лес существенно уменьшает поверхностный сток.
Однако в реальных условиях лес не всегда занимает первое место по объему влагооборота. Нередки случаи, когда древесные породы не могут формировать глубокую корневую систему, благодаря которой во влагооборот можно вовлекать запасы влаги глубоких слоев почв и грунтов. Такие случаи обычны в заболоченных почвах, в почвах с близко расположенными к поверхности карбонатными горизонтами и горизонтами скопления легкорастворимых солей с характерным для них неглубоким промачиванием к началу теплого периода года.
Отдельные корни и в этих случаях проникают на значительную глубину и тем самым вовлекают во влагооборот запасы влаги более глубоких горизонтов. Но масса извлекаемой воды из этих горизонтов, например из слоя 2-4 м, считая от поверхности почвы, по наблюдениям в полуаридных условиях редко достигает 20-25% суммарного испарения. Чаще она не превышает 10-15% или приближается к нулю при неглубоком промачивании почвы.
На заболоченных почвах суммарное испарение малопродуктивных лесов на 20-25% меньше, чем испарение лесов бонитетов I - II (С. В. Зонн, А. А. Молчанов).
По-видимому, мало испаряют воды и сосновые леса песчаных массивов, бонитет которых вследствие скудного питания чаще всего соответствует низкой продуктивности.
Если вырубают низкопродуктивные леса и замещают их высокопродуктивными полями, лугами или пастбищами, то суммарное испарение на преобразованных угодьях в зоне лесов умеренных широт будет либо равно испарению лесов, либо будет больше его. В этом случае масса воды, участвующей в местном влагообороте, существенно не изменится при замене одного угодья другим.
Сравнение первичных низкопродуктивных лесов с вторичными высокопродуктивными угодьями вполне правомерно, так как в перспективе именно такая замена лесов пашнями, лугами и пастбищами будет наиболее частой в преобразовательной деятельности человека, если учесть, что к настоящему времени на суше леса I - II бонитетов почти полностью вырублены. В этом случае можно с большой долей вероятности утверждать, что низкопродуктивные леса не сушат равнины, так как замена их высокопродуктивными угодьями не может заметно изменить объем влагооборота.
Однако в засушливых районах, где грунтовые воды залегают глубоко и где корневая система древесных растений может проникать на значительную глубину, и низкопродуктивные леса будут сушить равнины.
Исключение составят случаи, когда запасы влаги в почве к началу вегетации в лесу меньше, чем в поле, или когда за период вегетации леса выпадает осадков меньше, чем во время вегетации травянистой формации.
Высказывалось мнение, что лес в сухие годы высушивает почву, а во влажные накапливает влагу. Одним из сторонников этой концепции является В. И. Рутковский (1954).
Нам представляется такая концепция физически не обоснованной для всех природных зон. Известно, что в аридных зонах испарение в многолетнем периоде равно атмосферным осадкам. Лес в этих условиях не составляет исключения и подчиняется общей географической закономерности. Если грунтовые воды залегают глубоко, то во влажные годы лес в аридных зонах всегда испаряет больше, а в сухие - меньше, так как во втором случае мало влаги. Это диаметрально противоположно мнению В. И. Рутковского и легко доказуемо на большом материале полевых наблюдений.
В лесной зоне умеренных широт вывод В. И. Рутковского мне представляется оправданным. В этой зоне, особенно в подзоне тайги, во влажные годы лес испаряет меньше, чем в сухие, так как во влажные годы испарение бывает в сильной степени лимитировано недостатком тепла.
В этой же зоне преимущественно во влажные годы в лесу наблюдается пополнение грунтовых вод, отсутствующее в теплый период в сухие годы.
Однако все эти доводы, конкретизирующие разные случаи гидрометеорологических условий испарения, не в состоянии поколебать общего вывода о максимальном влагообороте леса, основанного на учете его биологических и физических свойств. Лес достаточно высокого бонитета всегда испаряет больше поля, если испарение не лимитирует тепло или недостаток влаги. Отсюда приходится сделать вывод, что вырубка в прошлом преимущественно высокопродуктивных лесов неизбежно должна была привести к некоторому сокращению биофизического влагооборота на Земле. Конкретно это изменение типа угодий, осуществленное в общепланетарном масштабе, способствовало уменьшению суммарного испарения и должно было вызвать увеличение общего стока, если количество атмосферных осадков после вырубки лесов осталось неизменным.
Как было показано выше, значительное уменьшение облесенности территорий приводит к некоторому снижению атмосферных осадков вследствие изменения шероховатости подстилающей поверхности. Уменьшение количества осадков после вырубки лесов указывает на то существенное обстоятельство, что это преобразовательное мероприятие не обязательно должно было вызвать увеличение общего стока.
Тем не менее факт увеличения интенсивности и объема поверхностного стока после вырубки лесов сомнению не подлежит.
Итак, лес сушит территории, если экологические условия позволяют реализовать древостоям их биологические и физические преимущества перед травянистыми формациями. Наряду с этим лес регулирует сток более совершенно, чем луга и пашни.
— Источник—
Алпатьев, А.М. Влагообороты в природе и их преобразования/ А.М. Алпатьев. – Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1969.– 323 с.
Post Views: 12