Влияние почв на состав, форму, рост насаждений и технические качества древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Влияние почв на состав, форму, рост насаждений и технические качества древесины»



Лес и почва

Лес и почва, на которой произрастают растения, составляют единство. Не может быть леса без почвы, а почва под влиянием леса претерпевает определенные изменения. Почва служит средой для жизнедеятельности корней растений.

Вода и элементы питания поглощаются через корневые волоски, тесно соприкасающиеся с почвенными частицами. Оболочка корневого волоска тонкая, эластичная, благодаря чему корневой волосок может проникать в узкие полости между почвенными частицами и вступать с ними в тесный контакт.

Подзолистые почвы являются преобладающими для поселения хвойных древесных пород. Благодаря сильному процессу оподзоливания и выщелачивания эти почвы имеют мало биогенных элементов. Подстилка здесь бедная и содержит много лигнина, и хотя ее толщина может быть значительной, минерализация элементов подстилки под воздействием грибов весьма слабая. На подзолистых песчаных почвах чаще всего формируются чистые по составу и простые по форме сосновые, а на супесях и суглинках еловые насаждения.

Богатство почвы является причиной неоднородного по составу смешанного насаждения. При этом в почве остается достаточно веществ для питания 2-го яруса и кустарников, а также травянистой растительности. Образуется сложное по форме насаждение. Почвы оказывают влияние на интенсивность роста деревьев. Одна и та же древесная порода, например сосна, в условиях хорошо дренированных суглинков или супесей достигает к возрасту спелости наивысшей продуктивности, I--1а классов бонитета, а в условиях заболоченных почв ее продуктивность достигает лишь IV класса бонитета. В лесостепи преобладают черноземы на породах богатых карбонатами кальция и магния. Здесь дубравы на глубоких черноземных почвах образуют высокопроизводительные насаждения с запасом древесины 600-- 800 м3/га.

Мощность почвы влияет на продуктивность древостоев. Например, каштаники Северного Кавказа на мощных почвах; имеют высокую продуктивность, а на мелких почвах, где горная материнская порода заметна на поверхности, насаждения растут плохо и имеют низкую продуктивность.

На рост леса оказывает большое влияние влажность почво-грунта. Содержание влаги в почве определяется степенью ее водопроницаемости и интенсивностью потребления растениями. По степени влажности различают: очень сухие, сухие, свежие, влажные, сырые и мокрые почвы.

На бедных песчаных сухих почвах произрастают сосна, некоторые виды ив (шелюга), можжевельник, тамарикс, саксаул и др. Большинство древесных пород успешно произрастает на свежих почвах. На рост и состав лесов влияет также содержание мелкозема. На почвах, которые богаты мелкоземом, развиваются древостой бука, ели, пихты, дуба, ильма, ясеня высокой продуктивности. Почва влияет на качество древесины. Сосна, выросшая на богатых почвах, образует более рыхлую древесину; древесина сосны, выросшей в бедных условиях, более плотная. Древесина дуба, выросшего на солонцах, обладает более низким качеством, чем древесина дуба, выросшего на богатых почвах. Более прочной древесиной обладает дуб, выросший на оподзоленных черноземах Щипова леса, по сравнению с древесиной дуба, росшего на аллювиальных или серых лесных почвах.

Почва и корневая система деревьев. Корни делают почву более структурной, что улучшает доступ воздуха к корневым волоскам. Корни наряду с углекислотой выделяют в окружающую среду сложные соединения, аминокислоты, ростовые вещества, Все это привлекает почвенные микроорганизмы. В зоне соприкосновения почвы с корнями образуется высокая плотность микроорганизмов. Эта зона носит название ризосферы.

Почва оказывает большое влияние на разрастание корневых систем деревьев (рис. 40). Древесные породы различаются по глубине проникновения их корневых систем в почву: глубоко укореняющиеся -- дуб, лиственница, липа, тополь, белая акация, орехи грецкий и черный, конский каштан, пихта белая; переходные (развивающие менее глубокую систему)--бук, береза, осина, ильмовые, клены явор и остролистный, ольха, сосна; поверхностно укореняющиеся -- ель, ясень, рябина, клен полевой, кустарники.

Корневые системы у многих древесных пород (ясеня, ели, осины и др.) разрастаются в горизонтальном направлении и часто их размеры по радиусу во много раз превышают размеры кроны. Независимо от глубины стержневых корней основная масса всасывающих корневых окончаний находится в верхнем слое почвы, так как верхний горизонт ее обладает наилучшими физическими свойствами и аэрацией, а также содержит основное питание.

Совокупность всех корней одного растения и их ответвлений называется корневой системой. Различают два основных типа корневых систем: стержневую и мочковатую. Стержневая корневая система характеризуется наличием хорошо выраженного главного корня. Она хорошо развита у древесных растений. Развитие корней у растений связано с внешней средой. Особенно существенное влияние на распределение и проникновение корней оказывает такой фактор, как вода. В условиях, например, пустынь корни верблюжьей колючки проникают на большую глубину. На болотных же почвах при избытке влаги корни растений развиваются главным образом Рис. 41. Профиль дерново-подзолистой почвы на светлом древне речном песке.

Начиная со 2-го м видны «корневые следы »- вертикальные полосы белого, обесцвеченного песка, образованные корнями. Сбоку якорный корень сосны.

На песчаных, легких почвах корневая система растений проникает глубже. На Крайнем Севере, где почва в течение лета оттаивает на незначительную глубину (50 -- 100 см), корневая система развивается в горизонтальном направлении.

Большое значение для роста леса имеют корневые ходы, трещины, кротовины и другие образования в плотных почвах (рис. 41). Корни деревьев, попадая в эти образования, обеспечивают увеличение прироста. Сосна в условиях лесостепи при наличии старых корневых ходов на песчаных почвах образует глубокую корневую систему и благодаря этому избавляется от своего злейшего врага -- майских хрущей.

Влажность

Уровень влажности в почве может изменяться в пределах от переувлажнения до полного иссушения. Под данным термином следует понимать определенное количество воды, которое отмечается в толще грунта в данный момент времени. Выражается уровень влажности в процентах относительно сухого почвенного комка.

В том случае, если известна степень влажности почвы, установить объем запаса влаги не составит труда. Известно, что на одном участке грунт может иметь разный уровень влажности, что зависит от глубины залегания почвенного слоя. Кроме того, данный показатель обусловлен водонепроницаемостью, капиллярностью, влагоемкостью и прочими факторами, оказывающими влияние на увлажненность.

Регулировать уровень влажности почвы можно с помощью специальных агротехнических методов. При их использовании следует обязательно учитывать скорость изменения степени увлажненности грунта, которая варьируется при переходе от одного слоя к другому.

Существуют также понятия абсолютной и относительной влажности грунта. В первом случае подразумевается количество влаги в почве на том или ином участке в конкретный момент времени. Оно выражается в процентах от объема или веса грунта. А относительная влажность - это показатель увлажненности, зависящий от пористости почвы.

Лес и тепло

Значение тепла. Солнечная радиация, проникающая к поверхности земли (солнечная облученность), приносит основную часть тепла, необходимого для жизни леса. Тепло атмосферы и почвы -- один из основных факторов роста, развития и формирования леса. Раскрытие почек у деревьев, а также дальнейший рост листьев и побегов происходят при плюсовых температурах, равно как и рост корней, цветение, прорастание семян. Древесные породы по-разному относятся к теплу.

По мере продвижения с севера на юг древесная растительность меняется по составу пород и производительности. Дубравы лесостепи сменяются степными растениями, а степь переходит в зону пустыни, хотя количество тепла в этой зоне достигает максимальной величины. Это происходит потому, что большому количеству солнечной радиации в зонах степи и пустыни противопоставлено незначительное количество влаги. Вследствие этого условия жизни древесных растений ухудшаются и вместо леса в степи преобладают ковыль, типчак, а в пустынях, где влаги еще меньше, чем в степях, растений либо нет, либо встречаются ксерофильные виды растений. Состав леса, его рост и развитие зависят от количества тепла. В пределах географических зон древесные и кустарниковые породы требуют определенных температурных условий для нормального роста и развития.

Цветение деревьев, созревание, выпадение, распространение и прорастание семян, рост самосева и подроста -- все это происходит у разных растений при неодинаковых температурах.

Источники тепла. Кроме прямой солнечной радиации, лес получает тепло в результате: проникновения рассеянной радиации; встречного излучения атмосферы; притока тепла от болee глубоких слоев почвы, скрытой теплоты парообразования, выделяющейся при конденсации водяных паров; притока тепла, сопровождающего распад радиоактивных веществ; тепла,

Баланс солнечной радиации выделяющегося в результате разложения лесной подстилки и отдаваемого стволами деревьев и их кронами в период охлаждения воздуха и почвы. Лес потребляет тепло при фотосинтезе, испарении влаги с поверхности почвы, крон деревьев, при транспирации, прогревании приземных слоев воздуха и нижних слоев почвы, а также при нагреве почвенной влаги, стволов и крон (рис. 33).

Баланс тепла почвы можно определить разностью количества приходящего и расходуемого тепла. Однако эта величина ориентировочна, так как приход и расход тепла зависят от многочисленных факторов: смены ночи и дня, зимы и лета; от ветра, облачности, влажности, рельефа местности и т. д.

Общий баланс тепла может быть определен для каждого конкретного типа леса, вырубки, поляны, болота, водной поверхности, трелевочного волока. Тепловой баланс вырубки, на­пример, зависит от ее ширины, расположения семенных групп, семенников и других факторов.

Влияние холода и тепла на рост леса. Растение может погибнуть или затормозиться в росте вследствие резких колебаний температур. Внезапное понижение температуры приводит к отмиранию клеток в растении, которое происходит в результате образования кристаллов льда, вытягивающих воду из клеток и межклеточных пространств растений. Обезвоживание растений вызывает свертывание коллоидных веществ цитоплазмы, которая становится после оттаивания не способной к жизнедеятельности. Основными причинами повреждений от жары являются обезвоживание клеток и разрушение структуры цитоплазмы.

Установлено, что чем ближе данный вид растения к границе своего ареала и чем хуже общие внешние условия, тем сильнее действуют неблагоприятные крайние температуры. В зависимости от вида растения и его состояния верхняя температурная граница может меняться. Для большинства растений переносима крайне высокая температура около 35--40 ° и реже до 50 °С. Однако сеянцы бука, сосны и клена погибают, если температура почвы на некоторое время превышает 46 °С. Часто побеги молодых растений, расположенные ближе к почве, совсем не растут, так как температура поверхности почвы может доходить до 80 °С. Для различных органов растений также характерна в свою очередь определенная максимальная температура. Так, освещенные в течение дня лучами солнца листья могут нагреваться у лиственных до 15 °С и выше температуры воздуха, у хвойных до 10 °С. В то же время ветви и стволы, как более массивные органы, не способные к интенсивному тепло­обмену, могут нагреваться еще выше: ветви сосны от 8 до 48 °С, а ствол ели до 55 °С. На сухих местообитаниях в пустыне листья нагреваются до 50 °С, а суккуленты до 60-- 65 °С.

Минимальная температура имеет большую амплитуду для различных видов растений. Некоторые растения северных широт в состоянии зимнего покоя переносят морозы до --75 °С. В то же время тропические растения повреждаются от холода уже при температуре 5 °С, если температура ниже нуля, они погибают. Однако при анализе температурных границ следует помнить, что эти цифры имеют относительное значение. Есть сведения о том, что границы устойчивости к морозам у отдельных древесных пород могут быть значительно расширены.

Различают косвенные и прямые повреждения, обусловленные особыми условиями зимней погоды и называемые зимними повреждениями. К косвенным отрицательным влияниям холода на древесные растения относится образование продольных морозобойных мест, трещин. Это явление -- результат резкого снижения температуры приземного слоя воздуха. В ночные часы температура растений бывает ниже температуры окружающего воздуха в лесу. Эта разность достигает 3 °С и более. Резкое охлаждение воздуха отрицательно действует на поверхность ствола дерева (на кору и камбиальный слой). В результате похолодания поверхность ствола уменьшается в объеме, а внутренняя часть ствола из-за плохой теплопроводности древесины уменьшается в объеме значительно медленнее или сохраняет свой прежний объем.

Увеличение разности температур внутренней и внешней частей ствола дерева обеспечивает неравномерные напряжения тканей, что приводит к разрыву древесины. Это наблюдается при быстром оттаивании. Появляется морозобойная трещина. Она образует след. Этот след со временем может зарастать. Однако часто в трещину попадают споры грибов, которые являются причиной возникновения гнили. Деревья дуба чаще повреждаются морозобоиной трещиной в поймах.

При заморозках происходит выжимание (выпирание) сеянцев в питомниках или саженцев на вырубках. Чаще всего выжимание бывает на тяжелых увлажненных почвах. Под действием пониженной температуры увлажненная почва замерзает. Вода при этом увеличивается в объеме, а вместе с ней и почва принимает больший объем, поднимаясь вместе с находящимися в ней корнями саженцев. При оттаивании почва оседает до прежнего уровня, а растение с корнем остается на поверхности. Молодые сеянцы сосны, ели, пихты легко выжимаются из почвы ранними осенними заморозками. Весной после оттаивания почвы корневые системы саженцев оказываются на поверхности почвы, обветриваются и засыхают под действием весенних солнечных лучей. Это примеры отрицательных действий низких температур.

Солнцепек повреждает чаще всего стволики молодых деревьев, выросших под защитой соседних деревьев с южной или юго-западной стороны и лишенных этой защиты вследствие вырубки защищающих их деревьев. Легко подвергается ожогам кора молодых деревьев бука, ели, ясеня, липы, пихты, граба и других пород с тонкой корой. Наиболее часто ожоги наблюдаются у растений около сплошных вырубок, по северо-восточной или северной границе их, а также после изреживания насаждений. Опал шейки корня наблюдается часто у молодых дубков. Сильные опалы приводят к гибели молодых деревьев. Все это прямые отрицательные действия высоких температур.

Высокая температура окружающего воздуха увеличивает его сухость, усиливает испарение и транспирацию, вследствие чего нарушается нормальный ток питательных веществ дерева. Эти нарушения происходят в результате косвенных отрицательных воздействий тепла на растения.

Имеются случаи, когда покоящиеся почки растений остаются неповрежденными, но сильным морозом повреждается камбий ствола и ветвей. Весной почки распускаются, но вскоре молодые побеги вянут, и дерево полностью погибает. Такое явление наблюдается у некоторых тополей, молодых деревьев черной ольхи, яблони, дуба, клена, ясеня.

Хвойные деревья иногда страдают от ранневесеннего нагрева. При этом оттаявшая хвоя уже транспортирует, а из замерзших частей ствола и корней вода еще не поступает. Это приводит к побурению молодой хвои. Требовательность древесных пород к теплу характеризует шкала (табл. 2).

Как видно из таблицы, наиболее теплолюбивым деревом является эвкалипт и малотребовательными к теплу лиственница и ольха зеленая.

Возможности и приемы полной защиты древесных пород от морозов весьма ограниченны. Часто защита ограничивается профилактическими мерами: выбором направления и величины лесосек, обеспечивающих защиту лесных культур стеной леса; использованием для защиты сеянцев снега, соломенных и дру-2.

Лес и влага

Значение влаги для роста леса. Вода играет важную роль в жизни древесных и кустарниковых пород, она растворяет минеральные вещества почвы, участвует в фотосинтезе, транспирации, является составной частью клетки. Основная часть влаги поглощается растениями из почвы. Вместе с водой растения потребляют минеральные питательные вещества, необходимые для жизни леса.

Отдавая через листовую поверхность влагу, деревья регулируют свой температурный режим. Вода входит в состав клеток и тканей животных и растений, почвы, атмосферы, в зависимости от ее состояния и концентрации изменяет температуру воздуха и почвы, делает доступными для растений питательные вещества, ослабляет солнечную радиацию, усиливает или замедляет процессы роста и развития леса.

В природе вода находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. В общем объеме мировых водных запасов вода в твердом состоянии в виде льда составляет 1,65%. Количество пресной воды, содержащейся в реках, озерах и почве, равно 0,635 % объема водных запасов земли. Атмосферная вода составляет 0,001 %, и на долю мирового океана приходится 93,96 %- общих запасов влаги [14]. Эти показатели общего объема мировых водных запасов ориентировочны.

Твердая, жидкая и газообразная влага в количественном отношении меняется в зависимости от интенсивности солнечной радиации и других факторов. Вода в жидком состоянии, поглощая солнечную энергию, превращается в водяные пары атмосферы, по концентрации которых в ней определяют влажность воздуха. Количество влаги в воздухе зависит от его температуры, движения, рельефа местности, а также от времени года и географического месторасположения. Высокие температуры, которые сами по себе могут быть губительными для растений, в сочетании с достаточной влажностью воздуха и почвы обеспечивают им благоприятные условия для роста.

Водяные пары, перемещаясь в атмосфере, попадают в условия более низких температур, конденсируются, выделяют много тепла и выпадают в виде осадков, часть которых пополняет запасы воды на суше. Выпадающие осадки просачиваются в землю или стекают с поверхности почвы и через реки попадают в океан.

Источники влаги, их влияние на лес. Основными источниками влаги в лесу являются снег и дождь. Большая часть осадков в виде дождя и растаявшего снега стекает поверхностным стоком в реки, озера, моря, частично задерживается на поверхности почвы и растительности, а затем испаряется в атмосферу. Если количество выпадающих осадков значительно, то часть их расходуется на смачивание почвы и потребление корнями растений.

В разных географических зонах страны количество выпадающих осадков неодинаково. Так, в аралокаспийских степях их выпадает всего 100 мм, в северо-восточных районах -- до 300 мм, центральных--500--600 мм, степных -- 300--400 мм, в Сибири осадков выпадает мало: в средней части 300--400 мм, восточной -- 270 мм, Амурской обл. 440 мм, на Сахалине 540 мм. Наибольшее количество осадков выпадает у восточного побережья Черного моря в районе Сочи и Батуми -- 2000-- 2500 мм, на побережье Охотского моря и на юге Камчатки -- 800--1000 мм. Большинство атмосферных осадков выпадает в летнее время.

Влага, поглощенная корнями растений, используется на фотосинтез, транспирацию. Атмосферные осадки, которые проникают вглубь до водоупорного слоя, образуют горизонт грунтовых вод и стекают внутрипочвенным стоком в реки. Большое лесоводственное значение имеют зимние осадки. Снег является источником снабжения растений водой. Снеговой покров предохраняет молодые растения от низких температур и механических повреждений, а почву от промерзания, обеспечивая тем самым проникновение талых вод в почву. Но зимние осадки могут оказывать на лес и отрицательное действие, вызывая снеголом и снеговал. Снег, задерживаясь на кронах, способствует поломке сучьев и вершин деревьев. От снеголома страдают особенно хвойные породы -- сосна и кедр. Снеговал бывает, значителен при большой густоте древостоя и сомкнутости полога.

Лиственные породы меньше повреждаются навалом снега, так как сбрасывают на зиму листья и имеют гибкие ветви. Кроме дождя и снега, источниками влаги являются град, морось, ледяной дождь, роса, иней, изморозь, ожеледь.

Град -- ледяные ядра или кристаллы диаметром от 0,5 до 2 см, иногда до размера куриного яйца -- очень часто сопровождает ливневые дожди и вызывает градобой. От града нередко погибают посевы и посадки леса, наблюдается обивание коры у груши, ольхи, лещины.

Морось -- осадки, выпадающие из слоистых облаков или из тумана в виде мелких капелек. Скорость передвижения их очень мала и почти незаметна на глаз. Морось проникает везде и всюду, смачивая закрытые части кроны дерева, нижние части листьев и ветвей. Мелкие капельки мороси с растворенными в них отдельными частицами минеральных веществ, находящихся во взвешенном состоянии в воздухе, обеспечивают дополнительное внекорневое питание леса через листья.

Ледяной дождь -- мелкие ледяные шарики диаметром от 1 до 3 мм. Они образуются в результате замерзания капелек дождя при прохождении их через более холодные слои воздуха.

На поверхности растений, деревьев, почвы и отдельных предметов часто наблюдаются и другие различные явления природы (роса, иней, изморозь и ожеледь).

Ночью в редком лесу поверхность почвы несколько остывает. Приземной слой воздуха охлаждается. Еще интенсивнее охлаждаются растения и листья деревьев. Если температура приземного слоя понизится и станет ниже точки росы, начинается конденсация водяных паров и на шероховатой поверхности травянистой растительности и кронах деревьев образуется роса. Если конденсация происходит при отрицательной температуре, образуется иней (мелкие ледяные кристаллики). Интенсивность образования росы и инея зависит от скорости движения ветра, влажности воздуха, температуры окружающего воздуха и других физических и метеорологических факторов. 156

В течение ночи слой оседающей росы достигает 0,5 мм. Это дополнительная влага для растений. При конденсации паров выделяется скрытая теплота парообразования. Эта теплота препятствует дальнейшему охлаждению приземного слоя воздуха, предупреждая заморозки, часто причиняющие большие бедствия лесокультурному делу.

Изморозь появляется на хвое, листве деревьев, кустарниковых и травянистых растениях. Физический смысл ее заключается в том, что после сильных морозов деревья и кустарники сильно охлаждены. При резком повышении температуры воздуха (появление теплого ветра и др.) на промерзших ветвях и хвое деревьев образуется значительная масса длинных ле­дяных игл, нитей, пластинчатых или призматических кристаллов. Изморозь служит дополнительным источником влаги для леса. Положительная роль изморози заключается также в том, что в образовавшихся кристалликах льда оседает значительное количество аммиака и других, нужных для растений веществ, которые при таянии попадают в почву и становятся дополнительными источниками питания. Изморозь может играть и отрицательную роль, так как при больших образованиях изморози ветви деревьев или их вершины обламываются. Но это бывает редко. Обычно образовавшиеся иглы легко отваливаются и падают на землю. В кристаллах льда могут содержаться радиоактивные частицы, вредные для леса. Однако это отрицательное явление может проявляться только при радиоактивном загрязнении атмосферы.

Ожеледь -- слой льда на поверхности ветвей и стволов. Образуется при быстром наступлении дождливой погоды после морозов. На ветви, покрытые инеем, попадает влага, которая превращается в лед. Ожеледью чаще повреждаются насаждения с разомкнутым пологом. Кроме того, страдают породы с негибкими ветвями, например осина, сосна.

В течение ночи на небольшом дереве сосны в возрасте 10--15 лет образуется до 150--180 кг льда. Ветви и вершины стволов, не выдерживая тяжести льда, с треском и грохотом отламываются и падают на землю. В условиях юга нашей страны такие явления бывают часто и приносят лесу вред. почва насаждение древесина влажность кислотность

Меры борьбы: создание с наветренной стороны плотных опушек из устойчивых лиственных пород; создание смешанных насаждений, повышение сомкнутости древесного полога, особенно на первых этапах жизни насаждений (20--40 лет).

Вода, потребляемая лесом. Вода обладает чрезвычайно ценными свойствами, обеспечивающими существование живых организмов на Земле и развитие процессов их жизнедеятельности. Вода является наилучшим растворителем, обладает большой теплоемкостью, входит в состав клеток и тканей животных и растений. В молодых растениях количество ее может достигать 90--95 % общей их массы. В зависимости от концентрации воды в тканях растений меняется количество поглощаемой углекислоты. В стволах деревьев консервируется 0,5 % энергии, 0,04 % воды и 22,4 % углекислоты. Максимальная ассимиляция происходит при оптимальном содержании влаги. На дыхание растений уходит 0,9 % энергии, 0,08 % воды и 45 % углекислоты. Большая потеря воды растениями, так же . как и ее недостаток, отрицательно сказывается на фотосинтезе древесных, кустарниковых и напочвенных растений. Благодаря способности к фотосинтезу и ассимиляции растения занимают определяющее место в круговороте веществ в природе. Вода как химическое соединение участвует в реакциях фотосинтеза. Зеленые мхи содержат влаги от 8 до 500%, сфагновые -- до 3000 %. В насаждениях с запасом древесины 500 м3/га вода составляет 200--250 т, а при общем запасе с древесиной ветвей и корней 700 м3/га -- 360 т. Для образования единицы сухого вещества дерево транспортируете огромные количества воды. Так, 1 га букового леса в год дает в среднем около 7 т сухого вещества, из которых 3,9 т древесины и 3,1 т листьев. Зная, что для образования 1 кг сухого органического вещества необходимое количество испарения влаги составляет 310 кг, находим, что для общего годичного прироста букового леса надо извлечь из почвы и транспортировать в атмосферу 2 млн. кг воды в год, или более 2184 м3/га.

Сильно транспонирующие древесные породы -- береза, ясень, бук и сосна. Слабо транспонируют влагу граб, клен остролистный, дуб и ель. Береза в составе хвойного леса в условиях Валдая, например, транспортирует за вегетационный период влаги столько, сколько ее имеется в слое равном 131 мм, сосна -- 153 мм, ель--137 мм. Это меньше, чем расход воды луговой и полевой растительностью, так как поверхность листьев у трав значительно превышает листовую поверхность деревьев. Например, поверхность листвы луговых трав колеблется в пределах от 22 до 50 га на 1 га травостоя. У клевера она достигает 26 га, у люцерны -- 85 га на 1 га посевной площади. Поверхность хвои пихты Дугласа достигает 18--27 га на 1 га насаждений, листьев бука и дуба-- 10--20 га.

Для производства 1 кг растительной массы разные растения в различных условиях расходуют на транспирацию от 150--200 до 800--1000 м3 воды.

На транспирацию растений, произрастающих в СССР, ежегодно расходуется примерно 3500 км3 воды, что составляет 1/3 годового количества осадков [7]. Активность транспирации зависит от многих физических и метеорологических факторов среды: ветра, влажности воздуха, влажности почвы, интенсивности солнечной радиации, атмосферного давления и самой площади испаряющей поверхности. Таким образом, транспирация леса зависит от состояния погоды и влажности почвы. Транспирация дерева зависит также от формы и структуры кроны, освещения и действия ветра на отдельные органы Деревьев и кустарников. Например, при достаточном водоснабжении кроны ели работают равномерно, при недостатке влаги наиболее активна верхняя и освещенная часть кроны.

Наиболее транспортирующие породы -- тополя и ивы, предпочитающие влажные места. Среднее положение занимают остальные лиственные породы. Менее транспортирующими являются хвойные. Транспирация леса обеспечивает саморегуляцию живых растений. Через транспирацию дерево реагирует на увеличение солнечной радиации или ускорение движения воздуха. Резкое падение относительной влажности воздуха отрицательно сказывается на устричной транспирации листьев. В процесс транспирации вовлекается 97,9 % энергии и 99,8 % воды. *

Транспирацию леса следует рассматривать как один из важнейших процессов его жизнедеятельности. Этот процесс то ослабляется, то усиливается у деревьев и в целом у лесного полога в зависимости от возрастной структуры леса, типа леса, характера почвы и обеспеченности их влагой, уровня грунтовых вод, метеорологических условий, массы листьев и их расположения и многих других факторов.

Распределение осадков в лесу. Выпавшие над лесом атмосферные осадки проникают под полог и стекают с поверхности почвы, часть их проникает в почву, некоторая доля задерживается кронами деревьев, кустарников, живым напочвенным покровом, а часть испаряется обратно в атмосферу. Наибольшее количество осадков задерживают еловые и пихтовые насаждения, меньше задерживают сосновые и лиственные. Количество задержанных осадков зависит от их интенсивности, а также от состава, полноты, возраста и структуры насаждения. Чем медленнее выпадают осадки, тем больше их задерживается кронами и меньше попадает в почву. При сомкнутости крон 0,9 значительная часть выпадающего дождя задерживается кронами верхнего яруса древостоя. Однако проникновение влаги под полог леса зависит от длительности и характера выпадающих осадков. Молодые высоко полнотные насаждения задерживают осадков кронами больше, чем насаждения зрелого возраста.

Отношение древесных пород к влаге. Древесные породы по-разному относятся к влажности почвы и воздуха. Некоторые из них произрастают только в теплых районах с большой влажностью воздуха, например бук, а другие древесные породы могут выдерживать сухой климат (дуб).

Обеспеченность древесных пород влагой зависит от количества осадков и температуры воздуха. Чем температура воздуха выше, тем интенсивнее испарение с поверхности почвы и тем больше потребность растений во влаге при транспирации.

У древесных пород, которые произрастают при недостатке влаги в почве и воздухе, корневая система обычно сильно разветвлена, листья или хвоя покрыты кожицей (у сосны, дуба, можжевельника). У некоторых растений (саксаул) листья редуцированы в чешуйки. Другие древесные породы, как ясень обыкновенный, хорошо чувствуют себя в пониженных местах, ольха черная на мокрых почвах, но с проточной водой.

Лиственница, ель, пихта, липа, береза, дуб, бук, орех и др. хорошо растут на свежих почвах. На состав и характер древесной растительности большое влияние оказывает разный режим влажности. Например, в горных районах Северного Кавказа и Закавказья, Карпат влажные северные и западные склоны заняты буком, а более сухие южные и восточные -- дубом; на Урале западные склоны заняты елью, восточные -- сосной.

Многие древесные породы плохо реагируют как на недостаток, так и на избыток влаги. Временное затопление переносят такие породы, как дуб, тополь, ива. На увлажненных почвах успешно растут сосна обыкновенная, кедр сибирский, береза пушистая. Избыточное увлажнение часто приводит к заболачиванию лесов.

Потребность и требовательность к влаге. Количество влаги, необходимое для нормальной жизнедеятельности растения, называют потребностью. Под требовательностью понимают способность растений удовлетворять свою потребность при той или иной влажности почвы. Требовательность древесных и кустарниковых пород к влаге характеризуется шкалами П.С. Погребняка (1968) и А.Л. Бельгарда (1971).

Шкала требовательности древесных пород к влаге по А.Л. Бельгарду:

1) ксерофиты -- сосна обыкновенная, гледичия, белая акация, айлант, дуб пушистый, сосна крымская, тамарикс, можжевельник виргинский;

2) мезоксерофиты -- берест, шиповник собачий, крушина слабительная, миндаль степной, вишня степная, терн;

3) ксеромезофиты -- дуб черешчатый, берест, груша, ясень обыкновенный, яблоня;

4) мезофиты -- граб, ель, лещина, ильм, липа обыкновенная, клен остролистный, гордовина, бересклеты бородавчатый и европейский, сосна веймутова, лиственница сибирская, клен явор;

5) мезогигрофиты -- тополя чёрный и белый, осина, береза пушистая, вяз, крушина ломкая, бузина черная, калина;

6) гигрофиты -- ивы белая, ломкая и серая, ольха черная, черемуха, ясень обыкновенный (болотный).

Характеризуя отдельные древесные породы по требовательности к влаге, следует иметь в виду, что некоторые породы, например сосна, имеют широкий ареал. Сосна, как и другие хвойные, может быть и мезофитом.

Водный баланс -- это количество выпавших осадков, равное сумме испарившейся влаги и стоку. Водный баланс распределения осадков в лесу в общем виде характеризуется формулой Г. Н. Высоцкого: N=A+F+V+T, где N -- общее количество выпадающих на поверхности суши осадков; А -- поверхностный сток, который составляет 15--35 % количества осадков, в зависимости от склона, характера выпадающих осадков и насаждения; F -- подземный сток, который составляет 15--35 %; V -- физическое испарение с кроны и почвы, которое составляет 15--50%; Т -- транспирация, физиологическое испарение (20-40 %).

Испарение влаги с поверхности растений. Кронами деревьев задерживается значительная доля выпадающих осадков, а затем снова под действием тепловой энергии и движения воздуха превращается в парообразное состояние и уходит в атмосферу. Величина и скорость испарения влаги с поверхности древесного полога зависят от типа леса, возраста деревьев, степени сомкнутости лесного полога, а также от интенсивности осадков, силы ветра, температуры воздуха и его влажности.

В отличие от лиственных хвойные насаждения задерживают значительно больше осадков летом и зимой. Так, сосновые насаждения задерживают 17,4 % осадков, березовые -- 24,7 %, осиновые -- 26,6 %, еловые -- 53,4 %.

Меньшее задержание осадков сосной в сравнении с елью объясняется структурой ветвления и охвоения и направленностью ветвей вверх, что увеличивает стволовой сток. Кронами отдельно стоящих деревьев задерживается влаги на 8--13 % больше, чем в древостоях. Стекание осадков по стволам составляет 0,6--5 % и зависит от древесной породы и характера дождя. Меньше всего пропускают осадков под полог леса пихтовые и еловые высоко полнотные насаждения. Лиственные леса из бука и липы задерживают осадков больше, чем березовые и осиновые насаждения. Если под лиственным лесом на поверхность почвы попадает в отдельных случаях 424мм осадков, то в одном и том же районе под сосновым пологом их оказывается 280 мм. Таким образом, хвойный лес значительно сильнее увлажняет воздух, возвращая атмосфере до 10--22 % годовых осадков.

Изменяя состав леса, его полноту, форму и возрастную структуру, можно регулировать количество задерживающихся на кронах и проникающих под полог леса осадков.

Испарение с поверхности почвы. Значительная часть выпадающих осадков проникает под полог леса, достигает поверхности почвы и испаряется, поступая обратно в атмосферу. При этом испаряется и влага, задерживающаяся в результате различных причин на поверхности почвы и поднимающаяся по капиллярам почвы. Эту влагу транспортируют напочвенные растения, забирая ее в различных почвенных горизонтах.

Интенсивность испарения с поверхности почвы зависит от многих факторов. Главные из них: тип леса, полнота, форма, видовое разнообразие напочвенных трав, кустарников и взаимосвязанные с ними влажность воздуха, ветер, солнечная радиация. Кроме того, на испарение с поверхности почвы под пологом леса влияют механический состав почвы, температура и глубина залегания грунтовых вод. В целом почва под пологом леса испаряет влаги меньше, чем почва открытого места. Это происходит в результате ослабленного ровного движения воздуха в лесу у поверхности почвы, которое возникает благодаря более низким температурам воздуха и почвы летом. Кроме того, лесная почва более рыхлая, изрытая червями, кротами, личинками насекомых и т. д.

Лучшему испарению воды из верхних горизонтов почвы способствуют также корневые системы, непрерывно изменяющие свою величину, состояние и направление роста. В каждом типе леса имеется лесная подстилка. В качестве естественной покрышки она предохраняет почву от солнечных лучей и ветра. Непрерывно передвигающиеся в ней представители животного мира и сам процесс ее разложения нарушают капиллярную связь с почвой и тем самым в 4--6 раз задерживают испарение с поверхности почвы по сравнению с испарением на открытом месте. Скорость испарения влаги зависит от состава и строения лесной подстилки.

Поверхностный сток влаги и перемещение снега. Величина и характер поверхностного стока определяются состоянием поверхности почвы, а также зависят от суммы и интенсивности выпадающих жидких осадков. Часть выпадающих осадков стекает или сдувается с поверхности почвы, занятой лесом, и попадает в овраги, ручьи, реки, а затем в моря и океаны. По территории нашей страны протекает более 150 тыс. рек общей протяженностью около 3 млн. км. Кроме них, имеются многочисленные озера и водохранилища, пруды и водоемы. Все они в значительной степени пополняются за счет перемещения снега и поверхностного стока воды с почвы. Лес переводит 80--100 % поверхностного стока во внутрипочвенный и грунтовой. Количество и скорость стока зависят от состояния почвы, продолжительности и интенсивности дождя, уклона местности, структуры лесной подстилки и других факторов.

Большое значение при формировании поверхностного стока имеют водно-физические свойства почв: инфильтрация, влагоемкость, объемная плотность, механический состав.

Поверхностный сток в лесу выражен значительно слабее, чем на открытом месте. Под кронами часть воды проходит в почву и мало испаряется с ее поверхности. Это объясняется рыхлостью лесной подстилки, особенно в хвойном лесу, густой сетью корневых разветвлений, пронизывающих почву и способствующих проникновению влаги в почву. В весеннее время снег в лесу тает медленнее, чем в поле. За это время большая часть воды успевает проникнуть в почву, так как снежный покров, защищая подстилку и поверхностный слой почвы от промерзания, обеспечивает в весеннее время быстрое попадание снеговой воды в почву. Таяние снега в лесу происходит гораздо медленнее, на 4--5 недель дольше, чем на открытом месте.

Пониженная скорость и слабая интенсивность снеготаяния в лесу объясняется задержанием значительной части прямой и солнечной радиации пологом леса и стволами деревьев, а также малой скоростью ветра в лесу. В лесу интенсивность снеготаяния бывает наибольшей в разомкнутых и низкой полноты древостоях, причем в березняках и осинниках выше, чем в чистых сосняках. Самая низкая интенсивность снеготаяния наблюдается в смешанных сосново-еловых древостоях, а особенно в сосняках с густым еловым ярусом. Лес играет определяющую роль в таянии снега. Влияние леса на таяние снега зависит от густоты древостоя, высоты деревьев и положения деревьев относительно друг друга.

Таяние снега меняется в широких пределах и зависит от степени сухости снега. Свежий сухой снег может не подвергаться таянию, так как он состоит из почти полностью замерзшей воды, высока также его излучательная способность. Влажный снег может содержать до 20 % незамерзшей воды, что снижает его термические качества. Интенсивность таяния в лесу составляет лишь от 50 до 60 % таяния на открытой местности. Имеются различия в интенсивности снеготаяния в густом лесу на открытой площади и на вырубках. Продолжительность снеготаяния на вырубках варьирует от 6 до 12 дней, на прогалинах -- от 10 до 20 дней, в чистых сосновых лесах--от 15 до 25--30 дней, в смешанных -- от 22 до 30--45 дней. Уклон местности несколько ускоряет стекание воды с поверхности почвы, покрытой лесом, особенно в горных условиях. Однако рыхлый слой лесной подстилки подобно губке и весной и летом впитывает воду и отдает ее нижележащим слоям почвы.

Излишек влаги, который не успевает поглотить верхний слой почвы, медленно перемещается по склону вниз, встречаясь с мелкими взрыхлениями, стволами деревьев, выступающими корнями и гниющим древесным отпадом. Таким образом, он теряется на своем пути, насыщая верхний горизонт лесной почвы и переходя во внутрипочвенный сток. В зависимости от типа леса поверхностный сток воды разный. В сосновом сухом бору, произрастающем на сухих крупнозернистых песках, подстилаемых грунтом с легким механическим составом и маломощной лесной подстилкой, поверхностный сток слабее, чем в сосняках, растущих на суглинистых почвах, подстилаемых покровными суглинками или глинами. Интенсивность стока заметно сокращается вследствие задержания осадков на поверхности травы, мха и другой растительности под древостоями.

Весенние снегозапасы на вырубках выше на 25 %, чем под пологом леса (темнохвойные насаждения). Снегозапасы в лиственных молодняках близки к снегозапасам на вырубках. Интенсивность снеготаяния в лесу по сравнению с вырубкой в 1,5-- 2 раза ниже.

Почвенная влага. Попадание осадков в почву зависит от типа леса, лесной подстилки, полноты леса и других факторов. В почву просачиваются различные количества воды, составляющие от 1,5 до 6 % выпадающих осадков в год.

По наблюдениям Г. Н. Высоцкого, в 25-летнем кленово-ясеневом насаждении влажность почвы была выше там, где поверхность ее более закрыта кронами деревьев. Наименьшая влажность почвы на глубине 0,1--0,5 м оказалась под нераспаханной целиной, затем (в сторону увеличения влажности) -- под полем, лесом и черным паром. Наибольшая влажность, а значит наименьшее иссушение почвы, отмечается после обработки ее под черный пар, так как почвенные капилляры закрыты.

В лесу концентрация влаги в почве и ее распределение иные, чем в обработанном и нетронутом поле. Верхний горизонт почвы может быть влажнее, хотя и иссушается сильнее. Корнеобитаемый слой почвы беднее влагой в результате высасывания ее корнями деревьев и кустарников. В степной зоне лес служит накопителем и хранителем влаги благодаря большому скоплению ее в зимнее время. И хотя лес много ее расходует, влаги все-таки остается больше в глубоких слоях лесной почвы, чем в степи.

Запасы почвенной влаги пополняются в результате инфильтрации дождевой и талой воды. Время преимущественного расходования влаги из почвы разделяется на два периода: весен-не-летний, характеризующийся наиболее интенсивным испарением (2--4 мм в сутки), и летне-осенний (испарение 0,5--2 мм в сутки), лимитирующийся количеством выпадающих за это время осадков. Влажность почвы влияет на ее промерзание и оттаивание. Замерзает почва при температуре ниже 0° С. Это объясняется тем, что почвенная влага представляет собой раствор различных солей и кислот: чем больше концентрация раствора, тем ниже температура замерзания почвы. Содержание раствора зависит от механического состава почвы и растительности, произрастающей На ней. Рельеф местности влияет на влажность почв. На возвышениях почва в лесу промерзает сильнее, чем во впадинах, где собирается много снега, предохраняющего почву от промерзания. Оттаивать промерзшая почва начинает весной благодаря теплу солнца и теплу, приходящему из более глубоких слоев материнской горной породы, подстилающей почву.

Грунтовые воды. Часть воды, проникшей в почву в результате перенасыщения верхних слоев под действием своей массы, уходит вглубь и пополняет запас грунтовых вод. Накапливаются они в песчаном каменистом или супесчаном грунте, лежащем на водонепроницаемых глинистых и гранитных пластах материнской породы. Грунтовые воды пополняются преимущественно в весеннее и осеннее время при снеготаянии и интенсивном выпадении осадков. Грунтовая вода, медленно передвигаясь по насыщенным горизонтам, находит выходы на поверхность почвы в виде родников, пополняющих в летнее время ручьи, реки, озера и другие водоемы. Лесные реки всегда полноводнее, так как пополняются водой за счет грунтовых вод. Грунтовые воды поднимаются также по капиллярам и пополняют влагой верхние горизонты почвы, в которых развиваются корневые системы деревьев и кустарников. Лесные насаждения благоприятствуют проникновению осадков в почву. Уровень грунтовых вод под лесом держится ниже, чем на соседних безлесных участках местности. Объясняется это расходом влаги лесом на ее транспирацию. В отдельных случаях состояние уровня грунтовых вод может повышаться в лесу или быть одинаковым с уровнем воды на безлесных площадях. Это зависит от рельефа местности, механических и физических свойств почвы, времени года и других факторов.

Так, на песчаных почвах не отмечается заметной разницы между уровнями грунтовых вод в лесу и вне леса, а колебания их по сезонам года могут быть одинаковыми, что также зависит от выпадающих осадков. В равнинных районах средней и северной полосы европейской части СССР уровни грунтовых вод в лесу находятся так же высоко, как и на открытом месте.

Грунтовые воды по-разному расположены в различных типах леса. Например, в сосновом бору залегание грунтовых вод 2,8--3,5 м, летом уровень понижается незначительно (на 10 см); при залегании грунтовых вод 1,4--1,7 м в бору черничном снижение грунтовых вод летом достигает 0,4--0,5 м. В еловых насаждениях уровень грунтовых вод снижается сильнее, чем в сосняках на 20--30 см, так как ель транспортирует влагу интенсивнее и задерживает осадков кронами больше, чем сосна.

Вырубка леса влияет на уровень грунтовых вод. На севере страны многочисленны факты поднятия грунтовых вод после рубки леса, пожаров и других бедствий. Поднятие уровня иногда приводит к заболачиванию вырубок. Это явление наблюдается в равнинных лесах, произрастающих на слабодренированных почвах, т. е. там, где слаб отток грунтовых вод или его совсем нет. Пополнение грунтовых вод за счет осадков приводит к выходу застойной влаги па поверхность, и тогда деревья, кустарники и напочвенные-растения меняют свой облик, плохо растут, суховершинят и могут погибнуть. Плохо переносят постоянный избыток влаги в почве бук, пихта, ель, ясень и др. Успешно растут на почвах, насыщенных водой, болотный кипарис, туя, ветла, кедр, сосна, ольха черная и др.

Засухи сопровождаются понижением уровня грунтовых вод, который продолжает снижаться после года засухи в течение 1--2 лет. На второй и третий годы после засухи в лесу наблюдается преждевременное усыхание листьев, особенно на кустарниках, слабый прирост по высоте и диаметру, суховершинность деревьев, а в некоторых случаях массовое усыхание леса.

Лес и чистота воды. Лес оказывает положительное влияние на чистоту стоковой воды, поступающей в водоемы с водосборных площадей. Лесные насаждения уменьшают щелочность, жесткость, улучшают органолептические свойства воды (прозрачность, цвет, запах и т. д.). Чтобы вырастить богатый урожай, человек употребляет все больше минеральных удобрений. Для борьбы с вредителями и сорняками применяются также химикаты. Их значительная часть достигает цели. Но другая доля с талыми водами весной, а также во время ливневых дождей попадает в водоемы, и тогда эти вещества становятся опасными. В воду также попадают отбросы промышленных предприятий. Сейчас в стране действует законодательство, установившее ответственность за чистоту окружающей среды. Для очистки стоков промышленных вод строятся специальные сооружения. Но на огромных пространствах сельскохозяйственных полей таких сооружений не построишь. Единственным защитником здесь может быть лес. Вода несет в озера различные примеси. Но вот на пути потока встречаются различные насаждения. Сила потока гасится. Лесная подстилка, подобно губке, впитывает воду. Встречаясь с мелкими корнями, взрыхлениями в почве, воды постепенно проникают в почву, пополняют грунтовые воды, выходят на поверхность, питают реки, озера, водохранилища. Проникновение воды в почву зависит от ее физических свойств и в первую очередь от ее водопроницаемости. Плотность твердой фазы с глубиной увеличи­вается и наибольшего значения достигает в горизонте В, а в горизонте С снова уменьшается. Но наименьшая плотность твердой фазы в горизонте А здесь много органического вещества, больше чем на пашне. Пока вода проходит по почво-грунту, она фильтруется, химически вредные вещества чаще всего вступают в реакцию с элементами почвы и нейтрализуются.

Установлено, что количество кишечных палочек вдвое меньше в 1 л воды, прошедшей через лесную полосу шириной 30--45 м, а число бактерий в 1 см3 воды, проходящей через овражно-балочную, полезащитную и лесную полосы, сокращается в 26 раз и более.

Обычно наиболее существенным показателем загрязнения воды является содержание в ней аммиака. В воде, проходящей через лесную полосу, аммиака содержится 0,16 мг/л. А в воде с безлесной стоковой площадки -- 0,24 мг/л. Фильтрующий эффект лесополосы зависит от ее ширины. Например, с безлесного склона длиной 380 м поглощается воды (°/о): почвой 56, 10-метровой полосой леса 80, 20-метровой 84, 40-метровой 93, 80-метровой 99, т. е. поверхностный сток почти полностью переводится в грунтовой.

Насаждения по-разному влияют на чистоту и качество воды. Вода, поступающая с безлесной площади, имеет высокую цветность, а после прохождения соснового насаждения цветность резко снижается. Прозрачность воды, поступающей с безлесной площади, отсутствует, а после прохождения через сосновое насаждение увеличивается. Лесные насаждения уменьшают жесткость воды. Таким образом, лесные насаждения играют роль естественного фильтра очистителя и улучшают органолептические свойства воды.

Лес влияет на изменение химического состава воды; например, атмосферная влага, проникая сквозь древесный полог, обогащается минеральными веществами, качество и количество которых зависит от состава, возраста, полноты насаждения. Количество химических элементов в осадках, проникающих сквозь древесный полог, выше, чем в осадках, выпадающих на безлесный участок. Атмосферные осадки, проникающие через насаждения ясеня, содержат больше химических элементов, чем осадки, проникающие через полог дубового насаждения. Вода, соприкасаясь с почвой, занятой лесом, и остатками органических веществ, вымывает из них различные соединения, приобретая определенный химический состав. Поэтому способы рубки леса и очистки лесосек влияют на качество воды.

Гидрологическое значение леса. Лес влияет на количество влаги и характер ее распределения. Над лесом воздух всегда влажный, конденсация водяных паров больше. Водорегулирующая роль лесов зависит от лесистости водосбора и размещения в нем лесных массивов. При равномерном распределении лесов по водосборному бассейну с увеличением лесистости до 40% поверхностный сток уменьшается, при дальнейшем уве­личении лесистости сток почти не увеличивается.