Атмосферный воздух состоит в основном из азота (78 %) и кислорода (около 21 %). Кроме того, в нем имеется значительное количество аргона (около 1 %), сравнительно небольшая доля (0,03 %) углекислого газа и затем примесь так называемых благородных газов и газов, поступающих в атмосферу с дымом. Помимо газов, в воздухе содержатся пары воды (около 4 % по объему) мелкие водяные капельки, образующие туманы, кристаллики льда им т. д. Наконец, в воздухе много пыли различного происхождения и состава.
Как известно высшие растения не используют азот в газообразном состоянии. В качестве непосредственного источника азотного питания атмосферный азот имеет в общем небольшое значение. Соединений азота в воздухе немного и в почву их поступает (вместе с дождем, инеем, снегом) примерно около 5 кг в года на 1 га. Это составляет не более 10 % азота, потребляемого растительностью.
Наибольший интерес представляет углекислота.
Углекислота. Углекислота - воздушная пища растений. Из углекислоты растения создают углеводы, идущие на построение их тела.
Почти на половину своего сухого веса древесные растения состоят из углерода (в древесине 49,5 % - углерода, кислорода и азота - 44,2 %, водорода - 6,3 %). В состав древесины входят также минеральные вещества, дающие при сжигании золу. Количество золы колеблется в пределах от 0,2 до 1,7 %.
Углекислота участвует в процессе фотосинтеза, исходными веществами для которого является углекислота и вода. Исследование методом меченых атомов показало, что кислород, который выделяют на свету во время фотосинтеза растения, образуется в результате распада воды - ее фотолиза: хлорофилл, поглощая световую энергию, передает ее воде, за счет чего и идет ее фотолиз.
Содержание углекислоты в воздухе подвержено значительным колебаниям. Так, установлено наличие суточных колебаний - в течение дня содержание углекислоты уменьшается, а ночью - повышается. Такие изменения связаны с фотосинтезом растений.
Содержание углекислоты в воздухе подвержено также сезонным колебаниям - летом содержание углекислоты снижается, а зимой возрастает. Это также связано с жизнедеятельностью растений.
Наблюдаются также годичные колебания в содержании углекислоты в воздухе, что связано с метеорологическими факторами. Предполагают, что в дождливые годы содержание углекислоты увеличивается, а в засушливые снижается, что может быть объяснено более энергичными процессами разложения органического вещества во влажные годы.
Содержание углекислоты в воздухе подвержено и пространственным изменениям - в городе ее может быть 0,05 %, а в пригороде -0,03 %. Скопление людей и концентрация промышленных предприятий приводят к повышению концентрации СО2 .
Подсчитано, что ежегодно растения потребляют 1/35 общего запаса углерода в атмосфере. Однако одновременно идет и пополнение углекислоты за счет «почвенного дыхания», т.е. дыхания почвенных организмов, растений, животных и человека, разложении мертвого органического вещества, выделении углекислоты вулканами и минеральными источниками, выделения ее при горении.
Взрослый человек поглощает такое количество кислорода, сколько выделяет ее участок леса площадью 0,03 га, т.е. выделения одного гектара леса обеспечивают кислородом 33 человека. В свою очередь, человек выделяет столько углекислоты, сколько нужно для покрытия потребности в ней участка леса такой же площади, т.е. 33 человека могут обеспечить углекислотой 1 гектар леса.
Поступление углекислоты в воздух в очень большой степени зависит от условий жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Способствовать усилению их жизнедеятельности могут хозяйственные мероприятия. К числу их относятся: рыхление подстилки, частичное ее удаление, известкование почвы, разбрасывание порубочных остатков, изреживание леса, создание смешанных насаждений и т.д.
Наблюдениями установлено, что в зависимости от характера почвы и содержания в ней гумуса она выделяет различное количество углекислоты, например:
песчаная почва 2,00 кг/час/1 га
песчаная богатая гумусом почва 3,99 кг
суглинистая почва 3,97 кг
суглинистая богатая гумусом почва 4,11 кг
песчаная почва под буковым лесом 15,4-22,0 кг
песчаная почва под ольшатником 11, 7-23,4 кг
луговая почва 3,30 кг
Углерод, ассимилируемый зелеными растениями из углекислоты, составляет около 50 % сухого вещества растения. При средних условиях на 1 га леса требуется в год около 4 т углерода, извлекаемого приблизительно из 18 млн. м3 воздуха.
Считают, что весь запас углерода воздуха мог бы быть использован растительностью за 35 лет, если бы не было его обратного возвращения. Другими словами, в ежегодном обращении находится около 3 % всего запаса атмосферного углерода.
Исследования показали, что повышение содержания углекислоты в воздухе увеличивает продуктивность растений, например при полном дневном освещении и увеличении содержания углекислого газа в воздухе вдвое, ассимиляция его хвоей сосны также увеличивается вдвое. Ассимиляция светолюбивых при естественном освещении больше зависит от содержания углекислоты в воздухе, чем от изменений интенсивности света. Ассимиляция же теневыносливых растений при всякой интенсивности света свыше 1/10 зависит почти исключительно от углекислоты.
В лесу содержание углекислоты в воздухе меняется в зависимости от высоты над почвой. Больше всего находится углекислоты близ почвы на высоте до 1, 5 м (до 0,05 % и больше). На уровне крон концентрация углекислоты резко падает (до 0,02 %), что объясняется потреблением ее здесь на ассимиляцию.
Плодородные, удобренные почвы выделяют углекислоты больше, чем бедные, малоплодородные. На песчаной почве 2 кг/час, в поле на богатых почвах - 4 кг. В лесу же на бедных почвах 2-6 кг/час, а на плодородных - 12-23 кг. В общем в лесном воздухе углекислоты оказывается больше, чем в поле и на лугах. Это находится также и в связи с тем, что в лесу нет сильного движения воздуха и углекислота, выделенная почвой, меньше рассеивается и накапливается.
На открытой местности углекислый газ распределяется в атмосфере равномерно и является величиной постоянной, исключая индустриальные районы с сильно развитой промышленностью, особенно химической. Лес сильно влияет на содержание и распределение СО2. В лесу происходят циклические изменения в содержании СО2 в пространстве и во времени. Они могут отклоняться до 100 % от нормального содержания углекислоты в воздухе открытой местности. В лесном воздухе углекислоты содержится в 1,2-1,6 раз больше, чем на открытой местности. Но это превышение можно отнести к нижним слоям воздуха до высоты 1,5-2 м.
Углекислый газ обладает тяжелым молекулярным весом, но уменьшение его в зоне крон связано не только с этим, а главным образом с ассимилирующим действием крон. Доказательством является то, что после листопада наблюдается постепенный переход углекислоты в воздух без заметного влияния крон.
Размещение СО2 внутри леса связано с составом, густотой древостоя, наличием прогалин, равномерностью размещения деревьев. При густом древостое наблюдается большая концентрация СО2, чем в редких древостоях.
Если концентрация СО2 в свободной атмосфере принять за 100, то в лесу у поверхности почвы ее будет в березняке185, осиннике - 167, в смешанном насаждении - 155, в ельнике и сосняке соответственно 137 и 139.
Наиболее важный источник образования углекислоты в лесу - верхняя часть почвы, прежде всего подстилка и гумус. Здесь под влиянием животных, грибов, бактерий протекают интенсивные биологические процессы, сопровождающиеся образованием углекислоты.
Каким образом тяжелый углекислый газ из припочвенного слоя попадает в область крон? Путей может быть несколько: диффузия, температурная конвекция, ветер и турбулентность воздуха. Наибольшее значение имеют два последних фактора. При слабом ветре и горизонтальном его движении углекислота не переносится в кроны. Но как только течение воздуха наталкивается на какое-то препятствие, например в виде групп подроста, подлеска, изменения рельефа, оно направляется вверх и этим создается возможность снабжения крон углекислотой.
Концентрация СО2 в нижних ярусах лесного сообщества так же, как и ее передвижение в верхний ярус, не означает увеличение содержания углекислого газа в атмосфере за пределами леса. Напротив, интенсивная фотосинтетическая работа лесного полога с использованием углекислоты, поступающей к нему снизу и сверху, является важным фактором, снижающим содержание углекислоты в атмосфере.
Лес является большим потребителем углекислоты. Еловый лес площадью 1 га поглощает 33 т СО2 ежегодно.
Кислород. Кислорода содержится в атмосфере в количестве, вполне покрывающем потребность растений в нем.
Кислород, как известно, необходим растениям для дыхания, а без дыхания нет жизни. При дыхании происходит окисление органического вещества и освобождение энергии, аккумулированной в растении в процессе фотосинтеза. Освобождающаяся при дыхании энергия необходима для всех жизненных процессов.
Интенсивность дыхания различных растений неодинакова. Неодинаковым является также дыхание различных частей одних и тех же растений. Чем быстрее рост, тем интенсивнее дыхание. У быстрорастущих органов растений дыхание может быть даже интенсивнее, чем у человека и животных. Так, человек выделяет за сутки углекислоты в количестве 1,2 % от его веса; прорастающие семена при температуре 370С также выделяют углекислоты в количестве 1,2 % от их веса, а плесневые грибы - от 6 до 10 %.
Установлено, что дыхание в широких пределах не зависит от содержания кислорода. Так, интенсивность дыхания растений не изменяется при значительном увеличении концентрации кислорода, при помещении растения в чистый кислород.
Некоторое уменьшение количества кислорода также не сказывается на дыхании. Если только содержание кислорода уменьшается в 10-20 раз, то это уже отражается на дыхании.
Поэтому кислород воздуха можно назвать универсальным фактором: нигде и никогда на земном шаре кислород не выступает в качестве ограничивающего фактора.
Совсем другое значение имеет кислород в почве, а для водных растений - в воде. Так, если аэрация почвы недостаточна, то может произойти задыхание корней растений, приводящее к отмиранию. Таким образом, кислород в почве может явиться ограничивающим фактором.
Но если мы будем такими темпами сжигать горючие ископаемые, то нашим потомкам трудно будет дышать - такой прогноз дают специалисты, изучающие естественный баланс кислорода в атмосфере. Уже за последнее десятилетие количество кислорода в атмосфере Земли уменьшилось на 0,02 %. Возросшая производственная деятельность человечества потребовала огромного расхода свободного кислорода, идущего на многочисленные окислительные процессы. Около 20 млрд. т свободного кислорода тратится в год на сжигание горючих ископаемых. Добыча же их удваивается каждые 10-15 лет.
Свободный кислород поддерживает жизнь, но и сам он продукт жизнедеятельности. Каждый четвертый атом живого существа - атом кислорода. Человеку в сутки нужен в среднем 1 кг пищи, 2 л воды и около 1 кг кислорода.
Почти весь кислород атмосферы биологического происхождения. Часть его превратилось в озон и защищает поверхность Земли о проникновения жестких излучений. Кислород способен соединяться о многими элементами. В непрерывном круговороте биосфера обменивается с атмосферой и гидросферой водяным паром, кислородом и двуокисью углерода. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество примерно за 200 лет.
Исчерпаемы ли ресурсы свободного кислорода? Какие процессы и районы биосферы несут основную ответственность за поддержание кислородного баланса? Эти вопросы вызывают сейчас все больший интерес ученых, ибо без их решения немыслим долгосрочный прогноз влияния деятельности человека на окружающую среду.
Доктор географических наук О.Добродеев попробовал сравнить затраты кислорода на окисление горючих ископаемых с количественным выражением других статей баланса кислорода в биосфере. Ученому удалось подсчитать количество свободного кислорода, выделяемого растениями суши. Затем было определено сколько кислорода поставляет растительность океана. При этом оказалось, что выделение кислорода с единицы площади на суше значительно больше, чем в океане. Около половины всего кислорода биосферы производят территории, наиболее богатые влагой и теплом поясе Земли, близкие к экватору.
По подсчетам Добродеева, оказалось, что все растения Земли ежегодно выделяют кислорода больше, чем расходуется в настоящее время при сжигании горючих ископаемых. Казалось бы, баланс не нарушен. Но "излишек" кислорода почти полностью расходуется на окисление отмирающей части живого вещества и в атмосферу не попадает. Правда, часть органического вещества успевает избежать окисления, будучи погребенной в осадочных породах. Оно то и "экономит" кислород, составляющий приходную статью кислородного баланса биосферы. Любопытно, что больше всего свободного кислорода остается в результате захоронения органического вещества в озерах и реках. Следовательно, считает Добродеев, общепринятое представление, что основной поставщик кислорода - леса, оказывается неточным.
Скорость окислительных процессов возрастает с повышением температуры. Поэтому в экваториальных и тропических поясах отмирающее вещество окисляется почти полностью. Не случайно, кстати, основные запасы торфа на Земле приходятся на страны умеренного и субарктического поясов, где низкие температуры способствуют накоплению значительной массы мертвого органического вещества в болотах, озерах и поймах рек.
Итак, лесные ландшафты жарких поясов лишь ускоряют круговорот кислорода, а не поставляют его в атмосферу. Долгое время основным поставщиком кислорода был пояс северного полушария, где наибольшую площадь занимают болота, озера и шельф океана. Но в последнее десятилетие в связи с промышленным освоением Севера он же стал главным потребителем свободного кислорода, идущего на сжигание горючих ископаемых.
Общее количество свободного кислорода, оставшегося не истраченным на окисление органических веществ, по расчетам Добродеева, составляет около 0,5 % от всего кислорода, появляющегося каждый год в биосфере. Это на порядок меньше величины расхода свободного кислорода, идущего на окисление горючих ископаемых. Таким образом, резюмирует исследователь, расход кислорода на сжигание топлива значительно превышает все естественные статьи баланса,
Кислород, также как и углекислота, характеризуется относительным постоянством содержания в атмосфере. Лес можно считать одним из факторов, поддерживающих это постоянство на планете. Заметного увеличения содержания кислорода в лесу не обнаружено. Но кислород, выделяемый при фотосинтезе, имеет определенные физические особенности, например, может нести отрицательный заряд. Появляется все больше данных об ионизации лесного воздуха, т. е. об обогащении лесного воздуха ионизированным кислородом.
Другие вещества в составе лесного воздуха. В составе лесного воздуха имеется много различных летучих химических веществ, выделяемых надземными и подземными органами лесных растений и другими организациями. Состав их зависит от характера леса, от времени года и суток, особенностей погоды. Каждому, кто бывал в лесу, знаком смолистый запах соснового бора в теплый или жаркий летний день, неповторимый аромат березы весной при пробуждении почек и распускании листвы, запах опавшей листвы осенью или специфический запах грибов во время грибного сезона. Многие вещества, находящиеся в лесном воздухе не имеют запаха и могут быть обнаружены только специальными методами. Химическая природа летучих соединений в лесу еще недостаточно раскрыта. Известно, что значительную роль играют терпентины, входящие в состав живицы, эфирных масел, бальзамов, углеводороды (особенно этилен), летучие витамины и др. За вегетационный период в атмосферу выделяется непредельных и ароматических углеводородов приблизительно: кедровыми насаждениями 450-500 кг/га, сосновыми 400-450 и березовыми 200-220. Многие из лесных выделений прямо или косвенно могут влиять на состояние и здоровье человека, особенно благодаря фитонцидным свойствам.
Среди летучих органических соединений имеются вещества, губительно действующие на насекомых, на бактерии, грибы, другие микро и макроорганизмы. Такие вещества названы фитонцидами. Вопрос о природе фитонцидов хотя не вполне еще ясен, но многочисленные факты влияния их показывают его большую практическую и научную значимость. Замечено, например, что выделения измельченных листьев черемухи, эвкалипита могут убить слепней, комаров. Выделения листьев дуба убивают дизентерийную палочку высокими бактерицидными свойствами обладает багульник. В лесу 1 м3 воздуха содержит всего лишь около 500 бактерий. В городах это количество увеличивается в 70 и более раз.
Сейчас понятие фитонциды несколько расширено. Фитонцидами названы биологически активные вещества, выделяемы в процессе жизнедеятельности растений в окружающее пространство, способные вызвать физиологические изменения у других организмов. Фитонциды могут быть не только в газообразном, но и в жидком и твердом состоянии.
Лес и пыль. Лес способствует очищению воздуха от пыли и ослабляет действие других вредных примесей. Механизм этого влияния леса проявляется в виде двойного фильтра: влияние на проникновение в лес и поглощение пыли и газов со стороны и сверху. В первом случае роль фильтра играет опушка и приопушечная часть леса, во втором - лесной полог. Фильтрующая способность зависит от характера леса. еловое насаждение собирает из воздуха пыли 32 т, сосновое - 36,4 т, буковое 68 т на 1 га.
Лес и ветер
Влияние ветра на лес. Ветер один из факторов с которым приходится считаться в лесохозяйственной практике. Он играет многостороннюю роль в жизни леса. учитель Морозова, Майр, говорил так: ветер - создатель леса, ветер - разрушитель леса.
Ветер оказывает физиологическое и физическое воздействие на лес. Ветер увеличивает транспирацию. Это влечет за собой увеличение подачи в листья питательных веществ. Кроме того, унося от листвы массы воздуха, обедненного углекислотой, и принося на их место новые порции углекислоты, слабый ветер улучшает условия ассимиляции. Однако уже при скорости ветра 0,2-0,3 м/сек транспирация увеличивается в три раза. Более значительная скорость ветра, повышая чрезмерно транспирацию, ухудшает условия ассимиляции.
Ветер воздействует на внешний вид деревьев. На открытом месте, где ветер бывает чаще, проявляется его воздействие на дерево более сильно, чем в лесу. У деревьев формируется под действием ветра сбежистый, утолщенный у основания ствол, способный противостоять более сильному напору ветра. В лесу, при ослабленном действии ветра, формируются более полнодревесные стволы.
Крона заметно подвергается и непосредственному воздействию ветра. При ветре, дующем преимущественно в одном направлении, замедляется рост на наветренной стороне дерева, крона приобретает флагообразную крону. Это часто наблюдается у деревьев, произрастающих на морском побережье, на границе с тундрой, в высокогорных районах. При этом крона сильно изреживается особенно при совместном воздействии ветра и снега. Архитектоника крон деревьев в известной степени зависит от вызывающего охлестывания и самоохлестывания деревьев действия ветра. При односторонних ветрах стволы деревьев изгибаются в том же направлении и развивается односторонняя корневая система. В поперечном сечении такие стволы эксцентричные и приобретают порок древесины, называемый кренью.
Оказывая физическое давление на надземную часть деревьев, ветер влияет и на их подземную часть, т. е. корневую систему. При постоянном действии ветра у одиночных деревьев и редко размещенных деревьев развивается более мощная корневая система.
Роль ветра в биологии леса особенно проявляется во влиянии его на опыление и распространении семян. На открытых местах (вырубки, гари, большие поляны) ветер иссушает верхние горизонты почвы и подстилку, ухудшая условия возобновления леса. В этих условиях ветер высушивает напочвенный покров, валеж, другие горючие материалы и таким образом повышает опасность возникновения и распространения лесных пожаров.
Ветер стряхивает снег с крон деревьев, что предотвращает снеговалы и снеголомы и увеличивает мощность снегового покрова в лесу.
Из повреждений и потерь, наносимых лесу ветром, наиболее ощутимы для лесного хозяйства ветровал и бурелом. Деревья, поваленные вместе с корнями, относятся к ветровалу. Деревья, сломанные на какой-либо высоте ствола, называются ветроломом или, как принято говорить в практике, буреломом. Опасность образования ветровала и бурелома зависит от ряда факторов: характера ветра,, времени года, древесной породы, условий окружения деревьев, возраста деревьев, их состояния, почвы, состава древостоя, уровня лесного хозяйства.
Ветровал и ветролом отдельных деревьев или их групп в лесу - явление происходящее при скорости ветра до 8-10 м/сек, т. е. при обычных, средних, а иногда и при слабых ветрах. Если нет других факторов, способствующих ветровалу и бурелому, то явление это не частое. Повышение скорости ветра усиливает опасность ветровала и бурелома. Особенно опасны для леса ураганы. В этих случаях на пути прохождения урагана вываливаются и ломаются уже не одиночные деревья или их небольшие группы, а выпадают целые массивы протяженностью в десятки и сотни километров. К примеру, 12 ноября 1972 года ураган со скоростью до 200 км/час прошелся по лесам Голландии и Германии. Только в Германии было повалено ветром более 100 тыс. га лесов с запасом 17 млн. м3.
С временам года связаны господствующее направление и сила ветра, состояние почвы. На сухой и померзшей почве опасность ветровала меньше, чем на влажной и непромерзшей, хотя опасность ветровала и бурелома не исключается. Особенно характерны осенние ветровалы и буреломы.
Каждой древесной породе свойственны особенности строения подземной и надземной частей, которые по разному связаны с опасностью ветровала и бурелома. Устойчивые против ветровала породы имеют глубокую корневую систему. К таким породам относятся: дуб, лиственница, сосна, ясень, клен. Породы с поверхностной корневой системой такие как ель, бук, береза, пихта обычно ветровальны. Ветровальности ели и пихте способствует также густая и плотная крона. Бурелому подвержены древесные породы с мягкой древесиной (пихта, осина) и породы с глубоким укоренением. Однако нельзя говорить, что вот эта порода устойчива к ветровалу, а эта нет. Все зависит от конкретных условий. Сосна может оказаться ветровальной, а ель ветроустойчивой.
У деревьев, выросших на свободе, образуются сбежистые стволы, более приспособленные к напорам ветра. В густом сомкнутом лесу деревья растут при ослабленном действии ветра и имеют малосбежистые стволы, обладающие меньшей устойчивостью, но достаточной для условий леса. Деревья же из густого древостоя, выставленные на простор, не приспособлены к воздействию ветра и подвержены в большой степени ветровалу и бурелому. Если же эти деревья устоят, то в дальнейшем в них увеличивается сбежистость ствола и они становятся более ветроустойчивыми, но на это уходят годы.
Деревья в давно сформировавшейся опушке леса обладают большей ветроустойчивостью, чем деревья в стене леса, примыкающие к недавней вырубке или гари, где деревья не приспособлены к новому для них ветровому режиму, поэтому создается повышенная опасность образования ветровала и бурелома. В целях ослабления опасности повреждения леса ветром при некоторых видах рубок проводится подготовка деревьев, особенно ветровальных пород, к ветроустойчивости путем постепенного изреживания древостоя.
Старые деревья больше молодых подвержены ветровалу и бурелому. Это связано с их большой высотой и пораженностью гнилями. Опасность повреждения ветром увеличивается у деревьев, пораженных корневыми или стволовыми гнилями. Первые, особенно корневая губка, способствуют образованию ветровала, вторые, преимущественно стволовые сердцевинные гнили, - бурелома. Опасность от ветра сильно возрастает после пожара вследствие подгорания корней и произведенного им изреживания древостоя.
Очень важным, а часто и определяющим факторам ветровальности деревьев является почва. На ветроустойчивость она влияет через корневую систему деревьев, формирование которой особенно тесно связано с механическим составом, глубиной почвы, материнской породы, уровнем грунтовых вод. Кроме того, влияние почвы сказывается через ее физическое состояние (влажная, сухая, промерзшая, переувлажненная и т. д.).
Устойчивость против ветра различна у чистых и смешанных древостоев. Смешанные древостои более ветроустойчивы по сравнению с чистыми, особенно если последние представлены ветровальными породами.
Опасность повреждения леса ветром и их последствия во многом определяются способами рубок и порядком их проведения, санитарными мероприятиями и т. д.
Влияние леса на ветер. Леса представляют собой мощное механическое препятствие движению масс воздуха, и, естественно, что в лесу гораздо тише, чем в открытой местности. Чем гуще лес, чем более мощно облиствены деревья, тем значительнее задерживается движение воздуха.
По наблюдениям Н.С.Нестерова под Москвой, в сосновом лесу с густым дубовым подростом и подлеском из лещины, постепенное падение скорости ветра по мере удаления от опушки внутрь леса представляется в следующем виде:
Расстояние от опушки 34 55 77 98 122 186 229
Скорость ветра в %% 66 48 25 20 7 5 2
По его же наблюдениям, при скорости ветра на открытом месте в 2,3-2,5 м/сек скорость ветра в ельнике на расстоянии 35-38 м от опушки составляет 0,03-0,04 м/сек. Это всего лишь 1-1,5 % от скорости ветра на открытой местности.
По мере подъема ветра над почвой скорость его в лесу возрастает. Непосредственно на поверхности почвы внутри ее живого покрова обычно наблюдается почти полное затишье.
Вследствие того, что летом под пологом леса днем несколько холоднее, чем в поле или на поляне, вырубке, а ночью, наоборот, теплее, на опушке образуется тяга воздуха: днем из леса в поле, а ночью из поля в лес - явление аналогичное морским бризам
Хорошо выраженная опушка, т. е. край леса, густо облиственный сверху донизу особенно сильно препятствует движению воздуха.
Лес, задерживая движение масс воздуха, уменьшает скорость ветра не только внутри и сзади, но и впереди себя, с наветренной стороны. С подветренной стороны, сзади леса, скорость движения воздуха оказывается самой низкой. По мере удаления от края леса скорость ветра увеличивается. На некотором расстоянии от леса скорость сравнивается со скоростью его на открытой местности. Довольно многочисленные наблюдения показывают, что при более или менее значительной высоте леса снижение скорости ветра в наветренную сторону простирается до 100 м, а в подветренную сторону до 500 м, иногда и до 1000 м.
Однако существенное снижение скорости ветра (больше чем на 10 %) наблюдается лишь на расстоянии до 20 м с наветренной стороны и до 200-300 м с подветренной стороны. Ориентировочно можно считать, что расстояние, на которое лес ощутимо влияет на скорость ветра с подветренной стороны равняется примерно 20-50-кратной высоте леса. С увеличением скорости ветра степень относительного снижения его скорости лесом возрастает.
Ветрозадерживающая, или как еще говорят, ветроломная роль леса имеет большое практическое значение. На этом свойстве леса разработана система защиты полей и дорог лесными полосами. Для задержания ветра достаточна узкая полоса леса шириной 10-50 м, а иногда достаточно 1-2 рядов деревьев. Так как действие полосы леса распространяется на несколько сотен метров, то поля защищают сетью полезащитных полос, расположенных на расстоянии 0,5-1,0 км друг от друга и разбивающих поля на клетки, со всех сторон защищенные от ветра. Полезащитные полосы, ограждая культуры от ветра, летом уменьшают их транспирацию, а зимой предотвращают выдувание снега с полей. Считают, что в среднем за ряд лет урожай между полосами примерно на 20-30 % выше, чем на незащищенных полях.
Лесные полосы используют для защиты дорог от снежных заносов. До устройства лесных защитных полей ежегодно десятки тысяч человек боролись со снежными заносами на ж. Д., причем это не всегда помогало, движение поездов останавливалось, несмотря на огромные расходы по изготовлению, установке и ремонту щитов и мобилизацию населения.
ЛЕС И ПОЧВА
Влияние почвы на лес
Общие понятия о взаимосвязи леса и почвы. Почва наряду с климатом - важнейший экологический фактор, определяющий существование леса. Внутри климатического региона роль почвы как фактора внешней среды является решающей. В то же время она является неотъемлемой частью биогеоценоза или экосистемы. Взаимодействуя с другими компонентами леса - древостоем, его нижними ярусами, влияя на них почва сама находится под их постоянным воздействием. Лес, таким образом, можно рассматривать и как один из факторов почвообразования.
В лесоводстве чаще, чем в сельском хозяйстве приходится учитывать геологические условия, считаться с материнской породой, рельефом, его происхождением. Через древостой лес непосредственно связан не только с почвенными горизонтами, но и с материнской породой. Корни отдельных деревьев проникают глубоко в грунт. Нередко рубежом, отделяющим глубину проникновения корней вглубь является уровень грунтовых вод. С другой стороны, в природе можно наблюдать примеры поселения и длительного существования, например, сосны на месте выхода кристаллических пород, где ее корни распространяются по поверхности скал и растут при слабой выраженности почвообразования.
Подстилающая материнская порода может не только косвенно - через формирование почвы, но и непосредственно влиять на продуктивность. Насколько резко материнская порода через почву влияет на состав и характер лесов, видно из того, что геологи по составу лесных насаждений нередко могут судить о характере геологических напластований.
Геолог Ососков указывал, что чистые сосновые боры приурочены в Засурье к мощным песчаным отложениям из наносов рек в ледниковый период. В местах выходов на дневную поверхность мергелей и глин нижнемеловой и юрской формаций появляются лиственные смешанные леса из дуба и его спутников - вяза, липы, клена. Исследования других геологов показали, что чистые сосновые боры приурочены к выходам оливина, в составе которого 45 % магния. Где залегает диаллогоновая порода с содержанием 19,5 % извести, там к сосне примешивается лиственница сибирская. На габбро-диорите, содержащем 22 % алюминия и 4 % железа, появляется кедр сибирский. Наконец, сланцы, содержащие 4 % калия, 4 % железа и 17,5 % алюминия, покрыты елово-пихтовыми лесами.
В Шиповом лесу Воронежской области на деградированном черноземе прекрасно растет дуб со своими спутниками. Лес образует древостои с запасом древесины в 80 лет 450 м3 на 1 га, где участие дуба до 0,4 единиц. На солонцах производительность леса резко падает, спутники дуба исчезают, остается только дуб в виде корявых древостоев с небольшим запасом - 120 м3 - на 1 га дровяной древесины. В Брянском массиве на песках растут чистые сосновые боры. Если же на некоторой глубине в почвенном профиле появляется зеленовато-голубая прослойка глауконита, обогащенного фосфором и калием, сразу же и в сосновом древостое появляется ель, образующая второй ярус и заходящая даже в первый ярус. По очертанию сосновых участков с примесью хорошо растущей ели можно составить карту распространения глауконитового слоя.. Равным образом по конфигурации участков насаждений из ели с широколиственными породами можно оконтурить выдел мергелистых почв. И можно легко решить обратную задачу: на вырубках и гарях после почвенной съемки восстановить состав некогда существовавших древостое и получить представление об их производительности.
По хорошему росту лиственницы сибирской вместе с сосной и елью можно предсказать, что в лесу в почвенном разрезе на небольшой глубине залегает более или менее прерывистый пласт известняков. И, наоборот, судя по близкому к дневной поверхности залеганию доломитов в ямах и тому подобных естественных обнажениях на гарях, где древостой исчез, можно, восстанавливая историю леса, безошибочно утверждать, что в состав былого древостоя входила лиственница. На европейском северо-востоке в районах близкого залегания известняков высокопродуктивные лиственничные древостои могут давать запасы до 600-700 м3/га, в то время как на песках ледникового происхождения растут сосняки, продуктивность которых в 3-3,5 раза меньше. Эта разница, помимо различий в непосредственном влиянии почвообразующих пород на древостои, обусловлена и разным уровнем плодородия развивающихся на них почв: в первом случае формируются почвы, богатые гумусом и питательными веществами, во втором - бедные подзолистые песчаные почвы.
Понятие почвы в связи с лесом приобретает некоторые особенности. Почвой теперь признается слой земли на всю глубину проникновения корней, а у деревьев это может быть 5-10 и даже 20-30 м. Надо, однако учитывать, что степень взаимовлияний на разных глубинах неодинакова и процесс почвообразования на них находится на разных стадиях. Слои пород на глубинах более 5-10 м играют обычно незначительную роль в непосредственном обеспечении растительности элементами питания.
С глубиной, после определенного рубежа, биологическая активность почвы, ее экологическая роль снижается. Для лесов умеренного пояса, особенно таежной зоны, они обычно более выражены в слое до глубины 1-1,5, иногда 2-2,5 м.
Одна из наиболее отличительных особенностей лесной почвы - накопление ею органического вещества за счет лесного опада в виде листвы, хвои, древесной массы, отмирания других растительных и животных организмов, приводящего к глубоким изменениям в почве.
Почва оказывает влияние на состав всех ярусов растительного сообщества - от напочвенного покрова до древостоя. От нее зависит и территориальное размещение древесных пород в пределах их естественного ареала. Почва воздействует на возобновление леса как косвенно, так и непосредственно в виде субстрата. При подборе древесных пород в целях выращивания леса наиболее важное значение имеет их отношение к почве.
Почва, влияя на рост и развитие леса, на его состав и строение, в значительной мере определяют и продуктивность леса, причем не только количественную в виде древесных запасов или общей фитомассы, но и качественную. Например, на севере у сосны на болотных торфяных почвах формируется мелкослойная древесина, но с малым содержанием поздних трахеид, т. е. древесина низкого качества, в отличие сосны на минеральных грунтах, где формируется древесина с большим содержанием толстостенных поздних трахеид в годичных слоях, т. е. с высокими физико-механическими свойствами.
Почва может использоваться в качестве одного из диагностических и классификационных признаков леса. Так, при выделении типов леса, типов условий его произрастания, по почве нередко приходится восстанавливать картину прошлого леса, особенно когда он подвергся многократным рубкам, исказившим его первоначальный облик.
Человек может влиять на производительность почвы. Проводя мероприятия по осушению, обводнению, орошению, внося минеральные удобрения можно повысить плодородие почвы и таким образом воздействовать на продуктивность выращиваемого на ней леса.
Многие особенности почвы связаны с рельефом и экспозицией склонов.
Влияние рельефа. Рельеф влияет на водный и тепловой режим почвы. С ним связаны перераспределение выпавших атмосферных осадков, грунтовых вод, перемещение почвенных частиц и т. д. На вершинах всхолмлений увлажнены только верхние горизонты, растения не могут пользоваться грунтовыми водами. На склонах увлажнены <