Роль воды в жизни леса. Вода играет важную роль в жизни древесных и кустарниковых пород, она растворяет минеральные вещества почвы, участвует в фотосинтезе, транспирации, является составной частью клетки. Основная часть влаги поглощается растениями из почвы. Вместе с водой растения потребляют минеральные питательные вещества, необходимые для жизни леса. Отдавая влагу через листовую поверхность, деревья регулируют свой температурный режим. Вода входит в состав клеток и тканей животных и растений, почвы, атмосферы, в зависимости от состояния и концентрации изменяет температуру воздуха и почвы, делает доступными для растений питательные вещества, ослабляет солнечную радиацию, усиливает или замедляет процессы роста и развития леса.
Виды осадков и их влияние на лес. В природе вода находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. На долю Мирового океана приходится около 94% общих запасов влаги. Остальные 6% составляют льды, снега и пресная вода в реках, озерах, почве и атмосфере.
Основные источники влаги в лесу -- снег и дождь. Большая часть осадков стекает поверхностным стоком в реки, озера, моря, частично задерживаясь на поверхности почвы и растительности, а затем испаряется в атмосферу.
Влага, поглощенная корнями растений, используется на фотосинтез и транспирацию. Атмосферные осадки, которые проникают в глубь до водоупорного слоя, образуют горизонт грунтовых вод и стекают внутрипочвенным стоком в реки. Снег -- источник снабжения растений водой. Снежный покров предохраняет молодые растения от низких температур и механических повреждений, а почву от промерзания, обеспечивая тем самым проникновение талых вод в почву. Но зимние осадки могут оказывать на лес и отрицательное действие, вызывая снеголом к снеговал. Снег, задерживаясь на кронах, ломает сучья и вершины. От снеголома страдают главным образом молодые хвойные деревья (сосна, кедр) в возрасте жердняка. Снеговал бывает значителен при большой густоте древостоя и сомкнутости полога. Лиственные породы меньше повреждаются снеговалом, так как сбрасывают на зиму листья и имеют гибкие ветви. Выращивая смешанные хвойно-лиственные насаждения, своевременно изреживая перегущенные молодняки, осушая переувлажненные почвы, можно значительно снизить снеговал и снеголом.
Кроме дождя и снега, источниками влаги являются град, морось, ледяной дождь, роса, иней, изморозь, ожеледь.
Град-- ледяные ядра или кристаллы диаметром 0,5--2 см -- часто сопровождает ливневые дожди и вызывает градобой. От него нередко погибают посевы и посадки леса, обивается кора у деревьев.
Морось -- осадки, выпадающие из слоистых облаков или тумана в виде мелких капелек. Скорость их передвижения очень мала и незаметна на глаз. Проникая всюду, морось смачивает закрытые части кроны дерева, нижние части листьев и ветвей. Мелкие капельки мороси с растворенными в них частицами минеральных веществ -- дополнительное внекорневое питание леса через листья.
Ледяной дождь -- мелкие ледяные шарики диаметром 1-- 3 мм. Они образуются в результате замерзания капелек дождя при прохождении их через более холодные слои воздуха.
Ночью в редком лесу поверхность почвы остывает. Приземной слой воздуха охлаждается. Еще интенсивнее охлаждаются растения и листья деревьев. Если температура приземного слоя понизится н станет ниже точки росы, начинается конденсация водяных паров, и на шероховатой поверхности травянистой растительности и кронах деревьев образуется роса. Если конденсация происходит при отрицательной температуре, образуется иней -- мелкие ледяные кристаллики. Интенсивность образования росы и инея зависит от скорости движения ветра, влажности воздуха, температуры окружающего воздуха и других физических и метеорологических факторов. В течение ночи слой оседающей росы достигает 0,5 мм. Это дополнительная влага для растений. При конденсации паров выделяется скрытая теплота парообразования. Эта теплота препятствует дальнейшему охлаждению приземного слоя воздуха, предупреждая заморозки, наносящие большой ущерб лесокультурному делу.
Изморозь появляется на хвое, листве деревьев, кустарниковых и травянистых растениях. После сильных морозов деревья и кустарники сильно охлаждены. При резком повышении температуры воздуха на промерзших ветвях и хвое деревьев образуется значительная масса длинных ледяных игл, нитей, пластин чатых или призматических кристаллов. Изморозь служит дополнительным источником влаги для леса. В образовавшихся кристалликах льда оседает значительное количество аммиака и других нужных для растений веществ, которые при таянии попадают в почву. Однако изморозь может играть и отрицательную роль, когда ветви деревьев или их вершины обламываются под *ее тяжестью.
Ожеледь -- слой льда на поверхности ветвей и стволов. Образуется при резкой смене морозов оттепелью с дождливой погодой. На ветви, покрытые инеем, попадает влага и превращается в лед. Ожеледью чаще повреждаются насаждения с разомкнутым пологом.
Кроме того, страдают породы с негибкими ветвями (осина, сосна). В течение ночи на небольшом дереве сосны в возрасте 10--15 лет образуется до 180 кг льда. Ветви и вершины, не выдерживая тяжести льда, отламываются. Чтобы предупредить ожеледь, с наветренной стороны создают плотные опушки из устойчивых лиственных пород; формируют смешанные насаждения; повышают сомкнутость древесного полога, особенно на первых этапах жизни насаждений (20--40 лет).
Водный баланс. Распределение осадков в лесу -- водный баланс, т. е. соотношение выпавших осадков и суммы испарившейся влаги и стока, определяют по формуле Г. Н. Высоцкого:
0 = А+С+И+Т,
где О -- общее количество осадков, выпадающих на поверхность суши; А -- поверхностный сток (составляет 15--35% общего количества осадков в зависимости от склона, характера выпадающих осадков и насаждения); С -- подземный сток (15--35%); И -- физическое испарение с кроны и почвы (15--50%); Т -- транспирация, физиологическое испарение (20--40%).
Вода, потребляемая лесом. Вода, являясь наилучшим растворителем и обладая большой теплоемкостью, входит в состав клеток и тканей животных и растений. В молодых растениях ее количество достигает 90--95% их массы. В зависимости от концентрации воды в тканях растений меняется количество поглощаемой углекислоты. В стволах деревьев консервируется 0,5% энергии, 0,04% воды и 22,4% углекислоты. Максимальная ассимиляция происходит при оптимальном содержании влаги. На дыхание растений уходит 0,9% энергии, 0,08% воды и 45% углекислоты. Большая потеря воды растениями, ее недостаток отрицательно сказываются на фотосинтезе всех растений. Благодаря способности к фотосинтезу и ассимиляции растения занимают определяющее место в круговороте веществ в природе.
Зеленые мхи содержат 8--500, сфагновые -- до 3000% влаги. В насаждениях с запасом древесины 500 м3/га вода составляет 200--250 т, а с древесиной ветвей и корней 700 м3/га -- 360 т. .Для образования единицы сухого вещества дерево транспирирует огромные количества воды.
Сильно транспирирующие древесные породы -- береза, ясень, бук и сосна; слабо транспирирующие -- граб, клен остролистный, дуб и ель. Береза в составе хвойного леса, в условиях Валдая например, транспирирует за вегетационный период влаги столько, сколько ее имеется в слое, равном 131 мм, сосна-- 153, ель--137 мм. Это меньше, чем расход воды луговой и полевой растительностью, так как поверхность листьев у трав значительно превышает листовую поверхность деревьев. Для производства 1 кг растительной массы разные растения в неодинаковых условиях расходуют на транспирацию от 150--200 до 800--1000 м3 воды.
Транспирацию леса следует рассматривать как один из важнейших процессов его жизнедеятельности. Этот процесс то ослабляется, то усиливается у деревьев и в целом у лесного полога в зависимости от возрастной структуры леса, его типа, характера почвы и обеспеченности их влагой, уровня грунтовых вод, метеорологических условий, массы листьев и их расположения и многих других факторов.
Отношение древесных пород к влаге. Древесные породы по- разному относятся к влажности почвы и воздуха. Одни из них произрастают только в теплых районах с большой влажностью воздуха (бук), другие могут выдерживать сухой климат (дуб).
Обеспеченность древесных пород влагой зависит от количества осадков и температуры воздуха. Чем выше температура воздуха, тем интенсивнее испарение с поверхности почвы и больше потребность растений во влаге.
У древесных пород, которые произрастают при недостатке влаги в почве и воздухе, корневая система обычно сильно разветвлена, листья или хвоя покрыты кожицей (сосна, дуб, можжевельник). У некоторых растений (саксаул) листья редуцированы в чешуйки.
На состав и характер древесной растительности большое влияние оказывает разный режим влажности. Например, в горных районах Северного Кавказа, Закавказья и Карпат влажные северные и западные склоны заняты буком, а более сухие южные и восточные -- дубом; на Урале западные склоны заняты елью, восточные -- сосной.
Многие древесные породы плохо реагируют как на недостаток, так и на избыток влаги. Временное затопление переносят дуб, тополь, ива. На увлажненных почвах растут сосны обыкновенная и кедровая сибирская, береза пушистая. Не переносят переувлажнения дуб пушистый, береза бородавчатая и др. Избыточное увлажнение часто приводит к заболачиванию лесов.
Потребность и требовательность к влаге. Количество влаги, необходимое для нормальной жизнедеятельности растения, называют потребностью. Под требовательностью понимают способность растений удовлетворять свою потребность при той или иной влажности почвы. Требовательность древесных и кустарниковых пород к влаге характеризуется шкалами П. С. Погреб- няка и А. Л. Бельгарда.
Шкала требовательности древесных пород к влаге (по А. Л. Бельгарду):
ксерофиты -- сосна обыкновенная, гледичия, белая акация, айлант, дуб пушистый, сосна крымская, тамарикс, можжевельник виргинский;
мезоксерофиты -- берест, роза собачья, крушина слабительная, миндаль степной, вишня степная, терн;
ксеромезофиты -- дуб черешчатый, берест, груша, ясень обыкновенный, яблоня;
мезофиты -- граб, ель лещина, ильм, липа обыкновенная, клен остролистный, гордовина, бересклеты бородавчатый и европейский, сосна веймутоваг лиственница сибирская, клен ложноплатановый;
мезогигрофиты -- тополя черный и белый, осина, береза пушистая, вяз, крушина ломкая, бузина черная, калина;
гигрофиты -- ивы белая, ломкая и серая, ольха черная, черемуха, ясень обыкновенный.
Характеризуя отдельные древесные породы по требовательности к влаге, следует иметь в виду, что некоторые из них имеют широкий ареал и могут быть как ксерофитом, так и мезофитом.
Требовательность древесных растений к влаге учитывается при проектировании лесных питомников, промышленных плантаций, облесении водоемов и т. д.
Испарение влаги с поверхности растений и почвы. Кронами деревьев задерживается значительная доля выпадающих осадков, которые под действием тепловой энергии и движения воздухапревращаются в парообразное состояние и уходят в атмосферу. Теневыносливые породы с густооблиственной кроной, а также хвойные задерживают больше осадков, чем светолюбивые, породы с ажурной кроной. Пихта задерживает в 5 раз больше осадков, чем лиственница. Если на открытых площадях выпадает 500 мм осадков и 100% их достигает почвы, то сосновые насаждения задерживают 35%, буковые -- 40, еловые -- 60, пихтовые--80%.
Значительная часть выпадающих осадков проникает под полог леса, достигает поверхности почвы и испаряется, поступая обратно в атмосферу. При этом испаряется и влага, задерживающаяся в результате различных причин на поверхности почвы и поднимающаяся по капиллярам почвы. Эту влагу транспири- руют напочвенные растения, забирая ее из различных почвенных горизонтов. Интенсивность испарения с поверхности почвы зависит от многих факторов---типа леса, полноты, формы, видового разнообразия напочвенных трав, кустарников и взаимосвязанных с ними влажности воздуха, ветра, солнечной радиации. Кроме того, на испарение с поверхности почвы под пологом леса влияют механический состав почвы, температура и глубина залегания грунтовых вод. В целом почва под пологом леса испаряет влаги меньше, чем почва открытой местности. Это происходит в результате ослабленного ровного движения воздуха в лесу у поверхности почвы, которое возникает благодаря более низким температурам воздуха и почвы летом. Меньшему испарению способствует и рыхлость почвы, изрытой червями, кротами, личинками насекомых.
Поверхностный сток влаги и перемещение снега. Величина и характер поверхностного стока определяются состоянием поверхности почвы, суммой и интенсивностью выпадающих дождевых осадков. Часть выпадающих осадков стекает или сдувается с поверхности почвы, занятой лесом, и попадает в овраги, ручьи, реки, а затем в моря и океаны. Лес переводит 80--100% поверхностного стока во внутрипочвенный и грунтовый при условии, что почва не достигла 100%-ной влагоемкости. Количество и скорость стока зависит от продолжительности и интенсивности дождя, уклона местности, структуры лесной подстилки и других факторов.
Большое значение при формировании поверхностного стока имеют водно-физические свойства почв: инфильтрация, влаго- емкость, объемная плотность, механический состав.
Поверхностный сток в лесу выражен значительно слабее, чем на открытой местности. Под кронами часть воды проходит в почву и мало испаряется с ее поверхности. Это объясняется рыхлостью лесной подстилки, особенно в хвойном лесу, густой сетью корневых разветвлений, пронизывающих почву и способствующих проникновению влаги в почву. В весеннее время снег в лесу тает медленнее, чем в поле.
Полог леса и стволы деревьев снижают скорость снеготаяния и ветра в лесу, задерживая значительную часть прямой и солнечной радиации. Интенсивность снеготаяния наибольшая в разомкнутых и низкополнотных древостоях, причем в березняках и осинниках выше, чем в чистых сосняках. Самая низкая интенсивность снеготаяния наблюдается в смешанных сосново-еловых древостоях, а особенно в сосняках с густым еловым ярусом. Следовательно, влияние леса на таяние снега зависит от густоты древостоя, высоты деревьев и положения деревьев относительно друг друга.
Весенние снегозапасы на вырубках выше на 25%, чем под пологом леса (темнохвойные насаждения). Снегозапасы в лиственных молодняках близки к снегозапасам на вырубках. Интенсивность снеготаяния в лесу по сравнению с вырубкой в 1,5-- 2 раза ниже. Излишек влаги, который не успевает поглотить верхний слой почвы, медленно перемещается по склону вниз. Встречаясь с мелкими взрыхлениями, стволами деревьев, выступающими корнями и гниющим древесным отпадом, он переходит во внутрипочвенный сток. Вместе с тем поверхностный сток уносит с собой плодородную почву и тем интенсивнее, чем реже древостой, достигая максимальных размеров на горных вырубках.
В зависимости от типа леса поверхностный сток воды разный. В сосновом сухом бору на сухих крупнозернистых песках, подстилаемых грунтом с легким механическим составом и маломощной лесной подстилкой, поверхностный сток слабее, чем в сосняках, растущих на суглинистых почвах, подстилаемых покровными суглинками или глинами.
Почвенная влага. В почву просачиваются от 1,5 до 6% выпадающих осадков в год. По наблюдениям Г. Н. Высоцкого, в 25-летнем кленово-ясеневом насаждении влажность почвы была выше там, где поверхность ее более закрыта кронами деревьев. Наименьшая влажность почвы на глубине 0,1--0,5 м оказалась под нераспаханной целиной, затем она возрастала под полем, лесом и черным паром. Наибольшая влажность, а значит, наименьшее иссушение почвы отмечаются после обработки ее под черный пар, так как почвенные капилляры закрыты.
В лесу концентрация влаги в почве и ее распределение иные* чем в обработанном и нетронутом поле. Верхний горизонт почвы может быть влажнее, хотя и иссушается сильнее. Корнеобитаемый слой почвы беднее влагой в результате высасывания ее корнями деревьев и кустарников. В степной зоне лес служит накопителем и хранителем влаги благодаря большому скоплению ее в зимнее время. И хотя лес много расходует влаги, все- таки ее остается больше в глубоких слоях лесной почвы, чем в степи.
Запасы почвенной влаги пополняются в результате инфильтрации дождевой и талой воды. Время преимущественного расходования влаги из почвы разделяется на два периода: весенне-летний, характеризующийся наиболее интенсивным испарением; (2--4 мм в сутки), и летне-осенний (0,5--2 мм в сутки). Влажность почвы влияет на ее промерзание и оттаивание. Замерзает почва при температуре ниже 0°С. Это объясняется тем, что почвенная влага представляет собой раствор различных солей к кислот: чем больше концентрация раствора, тем ниже температура замерзания почвы. Содержание раствора зависит от механического состава почвы и растительности, произрастающей на ней. Рельеф местности также влияет на влажность почв. ?1а возвышениях почва промерзает сильнее, чем во впадинах, где собирается много снега.
Грунтовые воды. Часть воды, проникшей в почву в результате- перенасыщения верхних слоев под действием своей массы, уходит вглубь и пополняет запас грунтовых вод. Накапливаются они в песчаном каменистом или супесчаном грунте, лежащем на водонепроницаемых глинистых и гранитных пластах материнской породы. Грунтовые воды пополняются преимущественно в весеннее и осеннее время при снеготаянии и интенсивном выпадении осадков. Грунтовая вода, медленно передвигаясь по насыщенным горизонтам, находит выходы на поверхность почвы в виде родников, которые стекают в ручьи, реки, озера и другие водоемы. Поэтому лесные реки всегда полноводнее. Грунтовые воды поднимаются также по капиллярам и заполняют влагой верхние горизонты почвы, в которых развиваются корневые системы деревьев и кустарников. Уровень грунтовых вод под лесом держится ниже, чем на соседних безлесных участках местности. Объясняется это расходом влаги на транспирацию.
В отдельных случаях состояние уровня грунтовых вод в лесу может повышаться или быть одинаковым с уровнем воды на безлесных площадях. Так, на песчаных почвах не отмечается заметной разницы между уровнями грунтовых вод в лесу и вне леса, а колебания их по сезонам года могут быть одинаковыми, что также зависит от выпадающих осадков. В равнинных районах средней и северной полосы европейской части СССР уровень грунтовых вод в лесу находится так же высоко, как и на открытой местности.
Грунтовые воды по-разному расположены в различных типах леса. Например, в сосновом бору они залегают на глубине 2,8--3,5 м, летом их уровень незначительно понижается (на 10 см); при залегании в черничном бору грунтовые воды находятся на глубине 1,4--1,7 м, их уровень понижается на 0,5 м. В еловых насаждениях уровень грунтовых вод снижается заметнее, чем в сосновых, на 20--30 см, так как ель транспирирует влагу интенсивнее и задерживает кронами больше осадков, чем сосна.
Вырубка леса влияет на уровень грунтовых вод. На севере страны часто наблюдается поднятие грунтовых вод после рубки леса и пожаров, что приводит к заболачиванию. Это явление отмечается и в равнинных лесах, произрастающих на слабодренированных почвах, где слаб отток грунтовых вод или его совсем нет. Пополнение грунтовых вод за счет осадков приводит к выходу застойной влаги на поверхность. Тогда деревья, кустарники и напочвенные растения плохо растут, суховершинят и погибают. Плохо переносят постоянный избыток влаги в почве бук, пихта, ель, ясень и др. Успешно растут на почвах, насыщенных проточной водой, болотный кипарис, туя, ветла, сосна, ольха черная и др.
Засухи сопровождаются понижением уровня грунтовых вод, который продолжает снижаться еще в течение 1--2 лет после года засухи. На 2-й и 3-й год после засухи в лесу наблюдаются преждевременное усыхание листьев, особенно на кустарниках, слабый прирост по высоте и диаметру, суховершинность деревьев, а в некоторых случаях массовое усыхание.
Лес и чистота воды. Лес оказывает положительное влияние на чистоту стоковой воды, поступающей в водоемы с водосборных площадей. Лесные насаждения уменьшают щелочность, жесткость, улучшают органолептические свойства воды (прозрачность, цвет, запах и т. д.). Чтобы вырастить богатый урожай, уберечь его от вредителей и сорняков, употребляют все больше минеральных удобрений и химикатов. Часть их с талыми и ливневыми водами попадает в водоемы, и тогда эти вещества становятся опасными. Иногда в воду сбрасывают отходы промышленных предприятий.
Лес -- эффективное препятствие, останавливающее и очищающее загрязненные воды. Пока вода проходит по почвогрунту, она фильтруется, химически вредные вещества вступают в реакцию с элементами почвы и нейтрализуются. Установлено, что количество кишечных палочек вдвое меньше в 1 л воды, прошедшей через лесную полосу шириной 30--45 м, а число бактерий в 1 см3 воды, прошедшей через овражно-балочную, полезащитную и лесную полосы, сокращается в 26 раз. Наиболее существенным показателем загрязнения воды является содержание в ней аммиака. После лесной полосы оно составляет 0,16 мг/л, а до нее -- 0,24 мг/л. Фильтрующий эффект лесополосы зависит от ее ширины.
Насаждения влияют на чистоту и качество воды. Вода, поступающая с безлесной площади, имеет также высокую цветность и жесткость, которые резко снижаются после прохождения через сосновое насаждение, улучшается и прозрачность воды.
Лес изменяет химический состав воды. Атмосферная влага, проникая сквозь древесный полог, обогащается минеральными веществами, качество и количество которых зависят от состава, возраста, полноты насаждения. Количество химических элементов в осадках, проникающих сквозь древесный полог, выше, чем в осадках, выпадающих на безлесный участок. Атмосферные осадки, проникающие через насаждения ясеня, содержат больше химических элементов, чем осадки, проникающие через полог дубового насаждения. Вода, соприкасаясь с лесной почвой, приобретает определенный химический состав. В зависимости от способов рубки леса и очистки лесосек качество воды будет разное. Порубочные остатки, оставленные на перегнивание или сожженные на лесосеке, неодинаково влияют на содержание примесей в почвенной влаге.
Деление лесов по их гидрологическому значению. Лес влияет на количество влаги и характер ее распределения. Над лесом воздух всегда влажный, конденсация водяных паров больше. Водорегулирующая роль лесов зависит от лесистости водосбора и размещения в нем лесных массивов. При равномерном распределении лесов по водосборному бассейну с увеличением лесистости до 40% поверхностный сток уменьшается, при дальнейшем увеличении лесистости сток почти не увеличивается.
В. В. Докучаев -- один из первых русских ученых-почвоведов -- оценил роль леса как гидрологического фактора и научно обосновал значение лесо» разведения в засушливых степных районах, улучшающего водный режим почв и повышающего урожайность сельскохозяйственных культур.
Г. Н. Высоцкий выдвинул гипотезу, по которой транспирируемая северными лесами влага в огромных количествах переносится в южные районы и увлажняет их.
П. С. Погребняк пришел к выводу о том, что лес увлажняет климат и почву, высушивает болота и подпочву. Действительно, в степных районах лес -- увлажнитель, на севере -- осушитель.
Леса выполняют водоохранную и водорегулирующую роль, снижают паводки и предупреждают наводнения. Реки, протекающие среди лесных массивов, круглый год имеют достаточное количество воды, в то время как реки безлесных районов весной выходят из берегов, а летом часто пересыхают. В степных условиях лес является собирателем и накопителем влаги на полях. Лесные массивы и полосы в степях повышают влажность атмосферы и почвы, задерживают снег на полях, способствуют пополнению грунтовых вод, закрепляют почвы, приостанавливают черные бури. В горных условиях лес предохраняет склоны от разрушения потоками воды. В весеннее время снег в лесу тает медленнее. Образовавшаяся влага проникает в почву и пополняет грунтовые воды, а грунтовые воды, в свою очередь, являются источником равномерного пополнения водой горных рек и озер.
М. Е. Ткаченко разделил все леса в зависимости от их назначения и роли на 4 категории: водоохранные, водорегулирующие, защитные и водоохранно-защитные.
Водоохранные леса обеспечивают непрерывное и равномерное поступление воды в реки, озера и другие водоемы и предохраняют естественные и искусственные водоемы от загрязнения и засорения.
Водорегулирующие леса предотвращают наводнение и заболачивание и содействуют лучшему дренажу почв.
Защитные леса предохраняют почву от обвалов, размыва и смыва (водной и ветровой эрозии) и защищают поля и населенные пункты от неблагоприятных последствий атмосферных осадков.
Водоохранно-защитные леса выполняют одновременно и водоохранные, и защитные функции.
Разделение лесов по их роли и назначению носит условный характер, так как леса выполняют все перечисленные функции. Дробные деления лесов по их водоохранному значению даны Б. Д. Жилкиным, И. В. Тюриным и др.
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
Влага, удерживаемая почвой, является исключительно важной, т.к. она в основном и используется на транспирацию и рост леса. Количество влаги в почве изменяется в течение вегетационного периода. Наибольшей она бывает ранней весной. В летний период почва иссушается на 4 – 5 м. Деревья для своего роста и развития почти непрерывно поглощают из почвы воду с растворёнными в ней питательными веществами. Эта вода расходится на поддержание жизнедеятельности. Древесные растения содержат до 60 – 80 % воды. Огромное количество воды растения тратят на транспирацию, под которой понимается физиологическое испарение воды растением. Транспирация необходима для возникновения и сохранения в растениях тока воды и растворённых в ней минеральных солей, поглощаемых растением из почвы. Она предотвращает перегрев листьев, поддерживает ткани листьев в состоянии, недостаточного насыщения водой, и тем способствует сохранению на определённом уровне сосущей силы клеток. Величину транспирации растений выражают несколькими способами. Верхнее значение имеет транспирационный к-т, под которым понимается количество воды (в граммах), расходуемого на образование 1 г. сухого вещества. Второй показатель продуктивность транспирации – величина, обратная транспирационному к-ту. Она показывает, какое количество сухого вещества сможет вырабатываться в растении при израсходовании на траспирацию единицы массы воды. В условиях нормального водоснабжения растения тратят на образование одного килограмма сухого вещества 250-300 кг. воды. Теневыносливые породы тратят воду более продуктивно, чем светолюбивые.
Транспирация леса – один из важнейших процессов его жизнедеятельности. Этот процесс сильно варьирует в зависимости от возраста и типа влаги, УГВ, метеоусловий, массы листьев и др. Транспирация леса обеспечивает саморегуляцию живого растения. Зимой транспирация растений резко сокращается. Вечнозелёные растения (хвойные) транспирируют зимой влаги больше, листопадные породы.
Испарение (поверхности растений и с поверхности почвы)
Часть осадков задерживается кронами, а затем снова под действием тепловой энергии и движения воздуха превращается в парообразное состояние и возвращается в атмосферу. Другая, более значительная часть осадков, проходит через просветы в полосе леса и достигает лесной подстилки. Разность между осадками под пологом леса и достигающим поверхности почвы называется задержанием влаги, или интерцепцией. Величина и скорость испарения влаги с поверхности древесного полога зависит от типа леса, возраста деревьев, степени сомкнутости, количества осадков, силы ветра и температуры.
Хвойные насаждения задерживают значительно больше осадков, чем лиственные, как летом или зимой. Темнохвойные породы деревьев задерживают больше осадков, чем светлохвойные.В среднем задержание осадков следующее: лиственница – 15 ; сосна – 25; ель – до 60; пихта до 80 %.
Широколиственных >, чем мелколиственных; теневыносливых >, чем светолюбивых.
В целом лес задерживает от 5 до 80 % осадков (иногда до 100%)
Количество задержанной влаги определяется с помощью дождемеров (осадкомеров). Дождемеры могу измерять как жидкие, так и твёрдые осадки. Часть осадков, попадая на почву, испаряется обратно в атмосферу. С поверхности почвы испаряется также влага, поступавшая снизу по капиллярам. Интенсивность испарения зависит от типа леса, полноты и формы дерева, наличия кустарника и трав, а также от влажности воздуха, ветра, солнечной радиации, типа лесной подстилки. В целом испарения в лесу с почвы в несколько раз меньше, чем в поле. Это связано с более низкой температурой и повышенной влажностью воздуха, отсутствия ветра. Интенсивность испарения с поверхности почвы под пологом леса и на открытых местах определяют с помощью приборов испарителей.
Водоохранное и водорегулирующее
значение лесов.
Лес выполняет водоохранную и водорегулирующую роль, снижает летние и весенние паводки, предупреждает наводнения. Реки протекающие через лесные массивы, круглый год имеют достаточное количество воды, в то время как реки безлесных районов весной выходят из берегов, а в летнее время частот пересыхают.
Значение леса многообразно. Он положительно влияет на задержание атмосферных осадков, на распределение их по поверхности почвы, уменьшает испарение почвенной воды, способствует более равномерному поверхностному стоку атмосферных осадков, оказывает заметное влияние на уровень стояния грунтовых вод. Всем хорошо известна большая роль леса в социалистическом народном хозяйстве и в быту.
Задержание осадков пологом леса . Пологом леса задерживается значительное количество атмосферных осадков. В лесных насаждениях накапливается значительной толщины снеговой покров, мощность которого связана с составом насаждений: ельники накопляют наименьшее количество снега, сосняки больше и березняки еще больше; смешанные многоярусные насаждения дают более мощный слой снега, чем насаждения простые и одноярусные. Лес способствует продолжительности удержания снежного покрова, что также зависит от состава насаждения, препятствует сползанию снега со склонов, сдуванию его с открытых полей; все это обеспечивает более равномерное накопление запаса влаги почвой.
Испарение с поверхности почвы в лесу . Незадержанные пологом насаждения атмосферные осадки впитываются в почву и частично испаряются с ее поверхности. Испарение с поверхности в лесу в полтора-два раза меньше, чем с поверхности открытых мест. Это объясняется более пониженной температурой воздуха и почвы в лесу, более ослабленной силой ветра, чем на открытых местах, и наличием лесной подстилки, препятствующей испарению почвенной влаги. Поэтому испарение с поверхности лесных водоемов обычно незначительно и отличается постоянством; колебания воды в них как многолетнего, так и суточного уровня по сезонам невелики. Это делает лесные водоемы непересыхающими в засушливые годы, что имеет важное значение и для лесопарков.
Внутренний и поверхностный стоки воды в лесу . Проникнувшая сквозь полог насаждения атмосферная вода, достигнув почвы, частично впитывается в нее и подземным путем направляется затем в реку (внутренний сток), а частично стекает в реку непосредственно с поверхности почвы (поверхностный сток). Количество воды, даваемой поверхностным стоком, определяется площадью, ограниченною водораздельной линией, проходящей через возвышенные точки. Эта площадь называется водосбором или бассейном данной реки.
Размер среднего стока воды с бассейна называется коэффициентом стока; он выражается в процентах от средней многолетней суммы осадков и служит для оценки роли леса в водном режиме данной местности.
В лесных местностях средний коэффициент поверхностного стока незначителен (13%), тогда как на пахотных землях и на лугах он много больше (28-32%), а на выпасах, имеющих уплотненные почвы, достигает еще большей величины (49%).
Влажность почвы . Вода выпадающих осадков в значительном количестве расходуется на увлажнение почвы, пропитывая ее на значительную глубину.
В степной полосе в засушливые годы глубина увлажняемого слоя почвы уменьшается до 1-1,5 м, а во влажные увеличивается до 3-4 м.
В Московской области влажность почвы под хвойно-лиственными насаждениями уменьшалась, сравнительно с влажностью почвы под вырубками, на небольшую глубину даже в период засух 1938-1939 годов, не более чем на 0,8 м; на этой глубине обеспечение водой корневых систем происходит за счет поднятия запасов грунтовых вод из нижних горизонтов, не доходя иногда до самых верхних горизонтов.
Транспирация воды лесом . Атмосферные осадки, поступившие в почву, частью испаряются растениями, усиливая влагооборот. Процесс испарения растениями влаги называется растительной транспирацией. Способность к транспирации у разных пород древесных растений различна. Хвойные породы расходуют на транспирацию воды меньше, чем лиственные; колебания в количестве испаряемой воды по видам у хвойных также меньше, чем у лиственных. Однако засухоустойчивость многих степных пород - дуба, ильмовых, белой акации, клена, яблони, груши, шелковицы - не связана с меньшей способностью их к испарению, а объясняется глубокою корневою системою, способною использовать влагу глубоких горизонтов почвы.
Количество испаряемой воды находится в зависимости от степени светолюбия породы и связано с анатомическим строением листа; чем светолюбивее порода и, следовательно, чем сквозистее ее крона, тем более она испаряет воды. Например, прозрачная крона лиственницы испаряет большее количество влаги, чем породы с густою кроною (теневые).
По способности пород к испарению их можно расположить примерно в следующем нисходящем порядке: береза, ясень, дуб, клен остролистный, хвойные. Различия эти не имеют, однако, существенного значения при суждении об общей транспирации всего насаждения в целом. На процесс транспирации целого насаждения больше влияет размер неиспользованной насаждением почвенной влаги к концу предшествующего вегетационного периода (на 1 октября) и метеорологические условия предыдущих зимы и осени. Это означает, что то или иное количество осадков в данном году способно оказать влияние на расход воды насаждением лишь в следующем году, что резко отливает лес от поля, где колебания в запасах почвенной влаги сказываются на урожае того же года.
Недостаток почвенной влаги сказывается на уменьшении прироста деревьев. Для регулирования почвенной влаги в насаждениях их прореживают. При этом следует учитывать, что чрезмерное удаление деревьев при прореживании насаждения увеличивает сток воды, создает условия задернения почвы, в результате чего запасы почвенной влаги в насаждении могут оказаться даже меньшими, чем до его прореживания.
Влияние леса на уровень грунтовых вод . Под почвой насаждения находится так называемый грунт, подстилаемый водоупорными породами. На первом водонепроницаемом слое грунта скопляются просачивающиеся сквозь почву талые и дождевые воды, которые называются грунтовыми, а область распространения их под почвою - водоносным слоем.
В увлажненной почве почвенная вода опускается до соединения с водоносным слоем; при пересыхании почвы почвенная вода поднимается. Близкое к земной поверхности залегание грунтовых вод часто связано с заболачиванием почвы. В лесопарках необходимо принимать соответствующие меры для устранения заболоченности.
Колебания в мощности водоносного слоя зависят от количества выпадающих осадков, барометрического давления и сезонов года. Вследствие того, что изменчивость годового уровня грунтовых вод незначительна, обеспечивается равномерное питание водой рек, ручьев и водоемов.
Влияние влажности почвы на рост насаждений . Недостаток влаги в почве, так же как и избыток ее, сказываются на внешних признаках деревьев, растущих на таких почвах.
Временный недостаток почвенной влаги весною вызывает укорачивание годичных побегов, а летом - уменьшение ширины годичных колец и преждевременное засыхание листьев. При резком недостатке влаги деревья суховершинят. Временный недостаток почвенной влаги может вызвать физиологическую сухость почвы, т. е. такое состояние влажности почвы, когда расход влаги на усиленное испарение деревьями превышает поступление ее в почву, хотя абсолютное количество атмосферных осадков при этом и является достаточным. Это явление наблюдается при сильных ветрах и резком повышении температуры воздуха; оно вредно отражается на окраинных деревьях опушек и одиночных деревьях, оставляемых на лесосеках для их обсеменения.
Признаками постоянного недостатка почвенной влаги являются редкий древостой насаждения и низкорослость деревьев в нем, что наблюдается в полосе между лесом и степью.
Избыточная влажность почвы при недостатке в ней воздуха ведет к загниванию вертикальных корней и к усиленному развитию горизонтальных; это вызывает низкорослость деревьев и уменьшение их способности противостоять ветровалу. Избыточная влажность почвы наблюдается, главным образом, в северной средней частях СССР.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Хвойный лес представляет собой природную зону, состоящую из вечнозеленых растений. Их неприхотливость, отсутствие боязни лишней влаги и больших перепадов температур, а также потребность в наличии естественного света, обусловили ареал произрастания и уникальные особенности.
Хвойные леса России составляют 2/3 от общей площади лесов страны. В этом плане Россия является мировым лидером. От мирового наследия хвойных лесов, российская часть составляет больше половины.
Все хвойные леса в России - это тайга, которая простирается преимущественно в северной части страны, занимает ее европейскую зону, территорию Западной и Восточной Сибири, а также Дальнего Востока.
Зона хвойных лесов
Выделяют три подзоны тайги, каждая из которых характеризуется своей особенной растительностью:
- Северная.
- Средняя;
- Южная;
(Северная тайга )
В северной подзоне тайги преобладают преимущественно еловые леса и низкорослая растительность. Со стороны тундры они разрежены, но к югу постепенно густеют.
(Сосновый лес Урала )
Для хвойных лесов Урала характерны сосновые массивы, Дальневосточный регион Сибири представлен преимущественно лиственницей
(Лес южной тайги )
Южная тайга может похвастать большим разнообразием растительности. Здесь произрастает пихта, ель, кедр и лиственница.
Леса в России встречаются образованные только одним видом деревьев либо представляют собой смешанные древостои. В зависимости от состава хвойного леса его также подразделяют на светлохвойные (сосна и лиственница сибирская), а также темнохвойные леса. Последние - это пихта, кедр и ель.
(Типичный хвойный лес )
В хвойных лесах, деревья, как правило, высокие с ровными стволами и большой, густой кроной. Некоторые из них, например, сосны, могут достигать высоты 40 метров. Подобные условия не дают сформироваться разнообразному подлеску. Он представлен преимущественно мхом, невысокими кустами ягод и плаунами. Новые, молодые деревья, которым также нужен свет не всегда могут пробиться, а потому чаше растут на окраинах леса и опушках.
Климат хвойных лесов
В хвойных лесах России климат особый, он характеризуется теплым и иногда жарким летом и морозной, суровой зимой. Максимальные показатели температур достигают 45 градусов со знаком плюс и минус, соответственно. Подобный климат подходит хвойным породам, которые нетребовательны к таким перепадам температуры. Для них главное - достаточное наличие естественного света.
Еще одна особенность климата российской тайги - повышенная влажность. Показатели выпадающих осадков здесь превышают фактический объем испарений. Не редко, особенно в Сибири, встречаются большие площади заболоченных участков. Отчасти, это обусловлено и близким подступом грунтовых вод.
Хозяйственная деятельность человека
Территория тайги представлена древесиной, объем которой превышает 5,5 миллиардов кубометров.
Подобные ресурсы, а также наличие в недрах регионов запасов нефти, газа и угля, обусловили основные типы хозяйственной деятельности в тайге:
- добыча нефти, газа и полезных ископаемых;
- лесозаготовка;
- лесопереработка.
Например, древесина сосны идет на изготовление строительных материалов, мебели, ценится она в качестве топлива, также из нее производят целлофан, искусственный шелк и, конечно же, бумагу.
Ель и пихта также выступают материалом для строительства. Из их древесины изготавливают бумагу, искусственную вискозу и т. д. Интересной особенностью ели является резонансная древесина, которую применяют для изготовления музыкальных инструментов.
Загрузка...