Влияние лесополос на микроклимат облесенного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние лесополос на микроклимат облесенного поля

Введение

лесной полоса облесенный насаждение

В приземном слое воздуха различают два микроклимата, играющих большую роль в жизни зеленых растений. Первый заключен внутри растительного покрова и тесно связан с ним, его называют внутренним, второй расположен над растительным покровом и составляет нижний край свободной атмосферы, он называется внешним.

Внутренний микроклимат отличается относительным спокойствием, умеренностью температуры, рассеянным светом и значительной влажностью воздуха. Внешний неустойчив и отличается значительней резкостью. Наиболее типичные черты внутреннего микроклимата зависят от характера и состояния растительной группировки, а также от особенностей местоположения ее.

В ряду других растительных группировок большую роль играют лесные насаждения. Высокие с большой полнотой они во всех физико-географических районах и во все времена года имеют свой особенный микроклимат. На обрабатываемых полях внутренний микроклимат возникает и изменяется по мере роста сельскохозяйственных растений.

Имея значительные различия, внутренний и внешний микроклиматы постоянно находятся между собой в противоречивом взаимодействии. Ведущую роль в этом взаимодействии играет внешний микроклимат, отличающийся резкими метеорологическими показателями. Главной сферой взаимодействия двух микроклиматов служит поверхность растительного покрова, которая является фабрикой по созданию органического вещества. Таким образом, внутренний и внешний микроклиматы, их взаимодействие и влияние на деятельную поверхность представляют не только теоретический, но и практический интерес.

Влияние полезащитных лесных полос сказывается как на внешнем, так и на внутреннем микроклимате. На внешний микроклимат они действуют непосредственно, изменяя воздушный поток, а на внутренний - путем улучшения роста сельскохозяйственных растений.

1. Ветровой режим

Ранее выполненными исследованиями установлено, что полезащитные лесные полосы оказывают существенное влияние на микроклимат облесенных сельскохозяйственных угодий. Эффективность полезащитных лесных полос проявляется, в первую очередь, в снижении скоростей ветра на межполосных полях. Кроме того, лесные полосы уменьшают интенсивность вертикального движения воздуха в самом нижнем слое атмосферы, вблизи поверхности земли. Способность снижать скорость ветра определяет все остальные защитные функции лесных полос: задержание и распределение снега на полях, изменение температурного режима, повышение влажности приземного слоя воздуха, а также влажности почвы, снижение интенсивности транспирации и физического испарения.

Эффективность лесных полос в значительной степени зависит от конструкции лесных полос и их ориентации на местности относительно господствующих ветров.

Воздушный поток, просачиваясь через лесную полосу, дробится, интенсивность вихревых движений ослабляется, и за лесной полосой скорость ветра значительно снижается.

По своим защитным свойствам полезащитные лесные полосы делятся на три основные конструкции - плотную, ажурную, продуваемую и переходные (умеренно-ажурную, ажурно-продуваемую, ажурно-плотную).

Лесные полосы плотной конструкции (табл. 5) в облиственном состоянии почти не имеют сквозных просветов в продольном профиле (не более 10%). Сквозь такие насаждения ветер почти не проникает, а переваливает через них. В приземном слое за лесополосой создается зона затишья (штиля). По мере удаления от насаждения скорость ветра быстро нарастает. Зона влияния плотной лесной полосы с заветренной стороны обычно равна 15-20 Н. С наветренной стороны плотные лесные полосы на расстоянии до 5 Н снижают скорость ветра, но не более чем на 25%. Изменение ветрового потока вызывает иное, чем на открытых полях, распределение снега (и мелкозема): большая его часть задерживается в лесополосе и на опушках в виде вала разной высоты или шлейфа, за пределами которого его запасы значительно уменьшаются и нередко образуется зона выдувания. Почва на полях между лесными полосами обычно оттаивает неравномерно. В приопушечной зоне увеличивается суточная амплитуда температур. Лесные полосы плотной конструкции по сравнению с ветропроницаемыми обеспечивают меньшую прибавку урожая сельскохозяйственных культур. Наиболее пригодные плотные конструкции для защиты животноводческих сооружений, скота на пастбищах, дорог от заносов.

Лесные полосы ажурной конструкции узкие с мелкими сквозными просветами, равномерно расположенными по высоте. Они делят ветровой поток на две части: одна проходит через полосу, другая переваливает через нее. Вследствие тормозящего взаимодействия двух частей ветрового потока ажурные лесополосы на более значительном расстоянии (до 30 Н) снижают скорость ветра на 30-70%, в основном с заветренной стороны. В зависимости от количества сквозных просветов иногда выделяют еще как промежуточные между плотной и ажурной умеренно-ажурную конструкцию с несколько меньшей ветропрони-цаемостью, чем у типичных ажурных полос, и ажурно-плотную конструкцию в полосах с ажурным верхним пологом и густым подлеском и / или плотными кустарниковыми опушками. Последняя может образовываться вследствие отрастания поросли срубленных деревьев или кустарников при формировании полос ажурной конструкции. Полосы ажурной конструкции рекомендуются для защиты полей в районах, подверженных пыльным бурям, сильным суховеям, с неустойчивым снежным покровом и с мягкой зимой (Северный Кавказ, Нижнее Поволжье).

Лесные полосы продуваемой конструкции сильно ветро-проницаемы в нижней части благодаря крупным просветам между стволами деревьев (площадь просветов 60-70%), но мало ветропроницаемы в верхней части (площадь просветов до 10%). Они также делят ветровой поток на две части и снижают скорость ветра на расстоянии 3 Н с заветренной стороны. Продуваемые лесные полосы равномернее, чем ажурные, распределяют снег на полях и достаточно эффективно защищают посевы от суховеев. Они рекомендуются для районов с холодной снежной зимой (Сибирь, Северное Поволжье, север Центрально-Черноземной зоны).

Таблица 1. Характеристика конструкций лесных полос в облиственном состоянии (по Е.С. Павловскому)

Значительные площади занимают полезащитные лесные полосы, в которых много деревьев верхнего яруса усохло или вырублено, но сохраняются густой подлесок, кустарниковые опушки и нередко доброкачественный подрост основных пород. Конструкция этих лесополос условно называется редкая вверху - плотная внизу. Она наименее эффективна как ветроломная, но достаточно пригодна, например, для стокорегулирующих, прибалочных, приовражных лесных полос. Правильное суждение о конструкции складывается лишь с учетом просветности и ветропроницаемости, а также возраста лесных полос и сезонности года. Ветропроницаемость насаждений при переходе их к безлистному состоянию существенно возрастает. Она изменяется также при разных углах подхода ветрового потока к лесной полосе, уменьшаясь по мере его отклонения от перпендикуляра. Необходимая конструкция устанавливается до начала проектирования, которым предусматриваются ширина лесных полос, число рядов, густота посадки, состав пород. Затем конструкция поддерживается с помощью рубок ухода, обрезки нижних ветвей и других лесохозяйственных мероприятий.

Кроме рассмотренных конструкций, в практике агролесомелиорации встречаются конструкции несплошных лесных полос: крупносетчатые (С.Н. Андрианов), колковые (Г. Тимофеев), разрывные (А.А. Комаров, Г.И. Матякин), прерывистые (Б.И. Скачков) и т.п. Такие лесные полосы состоят из отдельных небольших блоков древостоев, чередующихся с пустыми участками такого же размера или участками с невысоким кустарником. В свою очередь, блоки древостоев могут иметь разные конструкции в зависимости от породного состава и структуры насаждения отдельного блока.

Анализ полученных в процессе научно-исследовательских работ данных позволяет установить характер влияния лесных полос на структуру воздушного потока. Воздушный поток в процессе движения, встречая на своем пути преграду в виде лесной полосы, деформируется; часть его просачивается через просветы в лесной полосе и существенно меняет свою структуру; другая часть воздушного потока переваливает через лесную полосу. При этом главную роль играет конструкция лесной полосы. При встрече воздушного потока с лесной полосой плотной конструкции только незначительная часть может просочиться через лесную полосу, большая часть его перевалит через нее (будет обтекать полосу сверху). При повышении продуваемости просачивание обычно увеличивается, а переваливание уменьшается. Изучение пути перевалившего через лесную полосу воздушного потока показывает, что часть его обрушивается вниз, а другая продолжает дальнейший подъем. Основной воздушный поток и обрушивающаяся часть в зоне смыкания имеют повышенный турбулентный обмен и способствуют усилению этого обмена за лесной полосой. За непродуваемой лесной полосой снижение скорости ветра происходит на расстоянии 5-7 Н, за ажурной - 15-18 Н, за продуваемой полосой обрушивание происходит менее интенсивно и на большем расстоянии от полосы.

Ветрозащитные свойства лесных полос изменяются от высоты, конструкции и степени ажурности, а также от природно-климатических факторов. Важную роль при этом играют температурная стратификация приземного слоя атмосферы, скорость ветра и угол подхода ветра к лесной полосе.

Наибольшее снижение скорости ветра у лесных полос плотной конструкции происходит в самой лесной полосе и на ее заветренной опушке. В этих местах снижение скорости ветра происходит до 5-15% скорости ветра в открытой степи. На удалении 25 Н от лесной полосы скорость ветра приближается к скорости ветра в открытой степи.

Установлено, что хозяйственно-эффективное влияние лесных полос плотной конструкции простирается на расстояние 13-15 Н с заветренной стороны и 5-10 Н с наветренной стороны от полосы.

Кинетическая энергия воздушного потока при обтекании лесной полосы непродуваемой конструкции расходуется только на переваливание нижних слоев воздуха через полосу и на трение этих слоев о кроны деревьев. В связи с этим общее влияние такой полосы на ослабление скорости ветра не столь значительно. Установлено, что ветрозащитная эффективность малопроду-ваемых и непродуваемых лесных полос увеличивается с ростом скорости ветра.

Лесная полоса ажурной конструкции способствует лучшему прохождению ветрового потока через лесную полосу и образованию перед полосой узкой области повышенного давления и пониженной скорости ветра. Это зона затишья перед полосой в 3-5 Н насаждения. Внутри самой полосы скорость ветрового потока снижается до 40%, при этом значительная доля его энергии тратится на преодоление сопротивления древостоя движению воздушных струй. В связи с этим и за лесной полосой на расстоянии 3-5 Н продолжается снижение скорости ветра на 15-40% от скорости ветра в степи. По мере удаления от полосы скорость ветра возрастает, но значительно медленнее, чем за лесополосой плотной конструкции. На расстоянии 25 Н древостоя, где еще проявляется хозяйственно эффективное влияние лесных полос, скорость ветра составляет 85% от скорости ветра в открытой степи. Наиболее рациональными являются полосы с максимальной ажурностью в 30-35%. В этом случае дальность действия лесной полосы может достигать до 40 H древостоя.

Лесные полосы продуваемой конструкции образуют небольшую воздушную подушку, при этом ветровой поток разбивается на две части: нижняя часть проходит между стволами насаждения, а верхняя часть обтекает полосу сверху. При движении между стволами нижняя часть воздушного потока в некоторых случаях увеличивает свою скорость в связи с сокращением сечения потока. В этом случае на легких почвах возможно выдувание почвы внутри полосы в теплый период года, а в зимнее время происходит вынос снега из полосы, что может привести даже к гибели самой полосы.

Наибольшее снижение ветра на подветренной стороне происходит на расстоянии 5-8 Н от опушки, а скорость ветра снижается на 30-50% от скорости ветра в открытой степи.

Указанная особенность ветропроницаемых лесных полос наиболее резко проявляется при ветрах, направленных по отношению к полосе под углом, близким к 90°, т.е. при ветрах в основном перпендикулярного к полосе направления, но даже и при параллельном лесной полосе направлении ветра имеет место значительная ветрозащитная эффективность лесных полос. Следует помнить, что лесная полоса представляет собой вертикальную стенку, обладающую большой шероховатостью, и поэтому ее подтормаживающее влияние сказывается на значительное расстояние в перпендикулярном к полосе направлении.

С ростом боковой шероховатости ветрозащитное действие лесных полос при параллельном ветре возрастает. В целом ветрозащитное действие полосы в этом случае остается значительным, составляя примерно 25% от ее ветрозащитного действия при перпендикулярном направлении ветра. Если ветер подходит к лесной полосе под углом, то происходит снижение расстояния защитного действия полосы. Если угол подхода ветра не превышает 30°, то защитное действие полосы снижается на 10-13%. При увеличении угла до 45° дальность влияния лесных полос снижается на 13-15%, а при угле больше 45° это снижение бывает свыше 35%. В целях регулирования поверхностного стока и предупреждения эрозии отклонение направления лесных полос от перпендикулярного к вредным ветрам допускается до 30-450.

В безлистном состоянии характер изменения скорости ветра у лесных полос различных конструкций примерно такой же, как и в облиственном, только снижается абсолютная величина скорости и увеличивается дальность защитного действия полос, так как плотные лесные полосы в безлистном состоянии приобретают ажурную конструкцию, которая в большой степени снижает скорость ветра.

Ветрозащитная роль лесных полос проявляется с различной результативностью при разной скорости ветра. Эффективность лесных полос с коэффициентом продуваемости 0,35 при уменьшении скорости ветра падает, а с коэффициентом 0,5-0,7, наоборот, - возрастает. При этом ширина лесных полос до определенных размеров не влияет на снижение ветра не хуже, чем широкие.

При сравнении защитных качеств лесных полос особо следует учитывать их высоту, так как этот показатель определяет не только дальность влияния полос, но и некоторые особенности их влияния в пределах защищаемой зоны. Защитная высота полосы характеризуется средней высотой продольного профиля полосы, т.е. средней высотой защитной зеленой стены, оказывающей непосредственное сопротивление ветровым потокам.

Дальность эффективного благотворного влияния лесополос в зависимости от погодных условий данного года, а также иных факторов колеблется в значительных пределах показателя кратности высоты древостоя. Так, при сильном ветре и при ширине межполосного поля 400 м почву выдуло на глубину 2,3 мм при расстоянии 746-754 м на 4,5 мм, а при расстоянии 996-1083 м - на глубину 9,8 мм (высота лесных полос составила 7,7-9,1 м).

Значит для получения наибольшего эффекта по защите почв от ветровой эрозии необходимо выращивать высокорослый древостой, поэтому в основу расчета допустимой ширины межполосных пространств закладывают два главных показателя: эмпирически выявленную дальность эффективного благотворного влияния лесополос и высоту, которую в массовом порядке могут достичь лесные полосы в данных почвенно-климатических условиях.

2. Температура и влажность воздуха

При возделывании сельскохозяйственных культур огромную роль играет солнечная радиация. Исследованиями установлено, что в лесостепной зоне радиация колеблется от 20 до 25 ккал/см/мин. в степной зоне - от 40 до 50 ккал (зона наиболее развитого земледелия), а в полупустынных районах страны радиация увеличивается до 60-80 ккал/см/мин.

Увеличение радиации, как правило, вызывает перегрев почвы, усиливает физическое испарение влаги с поверхности почвы и непродуктивную транспирацию. Снизить эти неблагоприятные процессы можно путем сохранения и увеличения количества водяных паров в воздухе. Достигнуть этого можно при помощи защитных лесных насаждений, которые могут повысить относительную влажность воздуха в период вегетации. Влияние лесных полос на температуру приземных слоев воздуха происходит от уменьшения скорости ветра и от ослабления вертикального турбулентного обмена, что и приводит к уменьшению теплообмена в приземном слое воздуха.

Возле полос плотной конструкции, в дневные часы в зоне затишья температура воздуха может повышаться на 1-3 °С, а иногда и больше, за полосами ажурной конструкции - на 0,5-1 °С, за продуваемыми лесными полосами повышение температуры воздуха практически не наблюдается. Такое повышение температуры воздуха на защищаемой лесными полосами территории может быть благоприятным фактором, особенно в начальный период вегетации, когда запасы тепла необходимы для прорастания семян сельскохозяйственных культур. Особенно это важно для теплолюбивых культур: кукуруза, просо, бахчевые и др. При некоторых уровнях погоды под защитой плотных лесных полос в результате их отепляющего влияния может быть вызван перегрев воздуха, а во влажные годы со слабым ветровым режимом - развитие грибных болезней. Возле ажурных и продуваемых лесных полос подобные отрицательные явления наблюдаются значительно реже.

Особенно полезно отепляющее действие защитных лесных насаждений для садов в весеннее время, во время цветения, когда им угрожает понижение температуры на 4-5 °С, что ниже определенного минимума.

На температуру межполосного поля оказывает влияние состояние его поверхности (черный пар, стерня или посевы зерновых или кормовых трав) и погодные условия. При достаточной влажности почвы и наличии хорошо развитого транспирирую-щего травостоя (трава или зерновые культуры) температура воздуха зависит от степени его сухости и от конструкции лесных полос. Следовательно, при наличии на межполосном поле хорошо развитого травостоя зерновых культур или кормовых трав, лесные полосы в несуховейные дни способствуют повышению температуры воздуха в зоне ослабления его обмена, зато при суховейном комплексе погоды температура воздуха снижается. Объясняется это увеличением затрат тепла на транспирацию и уменьшение турбулентной теплоотдачи.

В пределах межполосного поля увеличение относительной влажности воздуха не превышает 2-3%, а абсолютный - 0,5-1,0 мм. Более высокая разница во влажности воздуха проявляется в засушливые жаркие летние дни на полях, покрытых растительностью. Исследованиями установлено, что на высоте 150 см в межполосном пространстве относительная влажность воздуха на 8-10% выше, чем в открытой степи, или в абсолютных величинах влажность была выше на 0,6-1,4 мм. Наименьшая влажность воздуха отмечается на паровых участках в открытой степи, а на участках среди лесных полос она удерживается выше открытой степи на 11%.

3. Испарение с поверхности почвы

Испарение влаги с поверхности почвы - важнейший фактор, определяющий водообеспеченность растений, их биологическую устойчивость и урожайность в засушливых районах, особенно в период засух и суховеев. Это влияние зависит от изменения скорости ветра при прохождении его через полосы. Значительно меньшее влияние на испарение оказывают те изменения, которые вызывают лесные полосы в турбулентном обмене, температуре и влажности воздуха. Установлено, что чем сильнее лесные полосы снижают скорость ветра, турбулентный обмен и температуру воздуха, тем больше снижается испарение. Имеются сведения, что влияние лесных полос на испарение прямо пропорционально скорости ветра. При этом большое значение имеет погода: во влажную погоду уменьшение испарения достигает 10%, а при суховее - 25%.

Уменьшая испарение, лесные полосы увеличивают показатель увлажненности климата, т.е. отношение количества осадков к испарению. Благодаря наличию полезащитных лесных полос степные районы по степени обеспечения их влагой становятся лесостепными, а за счет уменьшения скорости ветра полосы способствуют улучшению роста и развитию сельскохозяйственных растений.

Еще большее положительное влияние оказывают лесные полосы на транспирацию растений. Они снижают коэффициент транспирации и повышают ее продуктивность. Коэффициент транспирации показывает количество воды в граммах, израсходованной на образование 1 г сухого вещества растений, а продуктивность транспирации определяется количеством синтезируемого органического вещества в граммах, приходящегося на 1 кг транспирируемой воды.

Под защитой лесных полос в зоне максимального затишья (100-105 м от полосы) наблюдается наименьшая интенсивность транспирации (коэффициент транспирации 435-483) и наибольшая продуктивность ее - 2,007-2,196.

4. Снегорегулирующее влияние лесных полос

Лесные полосы являются хорошим средством для задержания снега. При этом часть снега задерживается внутри лесной полосы, а значительная часть распределяется на прилегающей к полосе территории. На открытых полях при неустойчивом ветровом режиме сносится в среднем 30-50% снега, а иногда -70-100%.

Снегораспределительная способность лесных полос зависит от их конструкции, высоты и ширины. Плотные и широкие лесные полосы, резко снижая скорость ветра внутри лесной полосы и на ее подветренной стороне, способствуют отложению снега в виде высоких сугробов высотой более 3 м. При этом наветренная сторона сугроба бывает пологая, а подветренная - крутая, обрывистая. Это приводят к переувлажнению почвы вблизи лесной полосы и задержанию начала весенних полевых работ. Такие полосы желательно создавать там, где необходимо задержать большее количество снега: вдоль дорог, у населенных пунктов, объектов народного хозяйства, животноводческих ферм и комплексов.

Ажурные лесные полосы ослабляют скорость ветра на значительные расстояния и снег лучше распределяется на полях. Вершина сугроба обычно находится на расстоянии 1-3 Н с заветренной стороны полосы и не превышает в многоснежные зимы 1,5 м. За сугробом формируется длинный пологий шлейф снега в сторону поля. Длина снежного шлейфа достигает 10-15 Н. Ажурные лесные полосы предотвращают выдувание почвы внутри полосы и способствуют накоплению твердых осадков.

Лесные полосы продуваемой конструкции (рис. 21) более равномерно задерживают снег в межполосных пространствах. В самой полосе, как правило, снег не задерживается, а регулярно выдувается. Высота отложения снега редко превышает 1,0 м, зато длина снежного шлейфа часто достигает 12-20 Н. Лесные полосы этой конструкции создаются на средних и тяжелых почвах в районах с большим количеством твердых осадков и с частыми метелевыми ветрами. На легких почвах в районах с недостаточным количеством осадков в лесных полосах продуваемой конструкции выращивают низкий кустарник для защиты почвы под лесной полосой от выдувания и для снегонакопления, т.е. для пополнения запасов влаги.

Лесные полосы ажурно-продуваемой конструкции и полосы аллейного типа - хорошее средство для наиболее равномерного распределения снега. Возле таких полос снежные сугробы практически не образуются, так как снег распределяется в виде длинного шлейфа на расстоянии 12-20 Н от полосы. Здесь снег из самой лесной полосы не выдувается. Такие полосы рекомендуются создавать на сухих почвах в районах с холодными и ме-телевыми зимами. Количество задерживаемого снега зависит от размера межполосного поля, с которого сдувается снег. При этом объем задержанного лесной полосой снега зависит не от ширины междурядий в полосе, а от числа рядов деревьев в полосе.

Лесные полосы начинают задерживать снег в возрасте 2-3 лет, если созданы из быстрорастущих пород. При этом «зимняя» работа лесных полос в большинстве случаев способствует повышению урожая сельскохозяйственных культур за счет дополнительного накопления влаги на защищаемой лесными полосами территории. Прибавка урожая пшеницы составляет 1,7-2,5 ц/га.

В увлажнении почвы решающая роль принадлежит снегу, который составляет около 20% годового количества осадков. Запас воды в снеге в полезащитных полосах из березы повислой и тополя бальзамического в 10-12-летнем возрасте составляет 186-822 мм. Высокая водопроницаемость почвы под лесными полосами (до 213 мм/час), низкая полевая влагоемкость (около 570 мм в 4-метровом слое почвогрунта) при дружном снеготаянии весной создают условия для просачивании воды за пределы корнеобитаемого слоя. На участках с залеганием грунтовых вод 2,0-3,0 м под полосными насаждениями складывается промывной тип водного режима почвы, а при глубине залегания 5 м - периодически промывной тип (рис. 22).

Задерживая в лесных полосах и на опушках значительное количество снега, что способствует поступлению талых вод в почву, лесные полосы оказывают заметное влияние на уровень грунтовых вод, особенно при их близком залегании. В наибольшей степени грунтовые воды поднимаются под лесными полосами плотной конструкции, где снега обычно накапливается больше всего, наименьшее влияние оказывают продуваемые лесные полосы. Растекаясь в стороны от лесных полос, талая вода поднимает уровень грунтовых вод в межполосных пространствах, при этом более сильный подъем отмечается ближе к лесной полосе. Таким образом, лесные полосы постоянно способствуют обводнению облесенной территории в целом.

Анализ величин опускания зеркала грунтовых вод за зимний период показал, что его величина тесно коррелирует с коэффициентом условного охлаждения почвы, являющимся частным от деления суммы среднемесячных температур ноября-марта на количество твердых осадков этого периода.

Для условий сухой степи Западной Сибири амплитуда колебания уровня грунтовых вод в лесоаграрном ландшафте не превышает 1 м. Максимальная величина ее характерна для участков с мощностью зоны аэрации около 2,5 м против участков с более глубоким залеганием грунтовых вод. Несмотря на определенную цикличность в изменении уровня грунтовых вод наблюдается тенденция пополнения их в системе лесных полос в сравнении с открытой степью, т.е. создание защитных лесных полос в Кулундинской степи способствует формированию положительного баланса водной территории.

Задерживая и сравнительно равномерно распределяя снег на облесенных полях, кулисные полосы способствуют уменьшению промерзания почвы. Под лесной полосой и в межполосной клетке начинается более раннее оттаивание почвы, чем в открытом поле. В связи с этим на защищенном поле талая вода на 10-30% больше поглощается почвой по сравнению с незащищенным полем. Это способствует уменьшению поверхностного стока и смыва почвы. При этом снег быстрее сходит в открытом поле и в широких межполосных клетках, чем в узких. В открытом поле в это время нижние слои еще не оттаяли, и талая вода плохо впитывается почвой, она, стекая по поверхности, вызывает смыв и размыв почвы. Быстрому таянию снега в открытом поле способствуют большая скорость ветра и большая интенсивность турбулентного перемешивания частиц ветрового потока, а также меньшее количество снега, чем на облесенном поле.

Кроме повышения урожая сельскохозяйственных культур на облесенных полях, лесные полосы оказывают влияние и на почвообразовательные процессы непосредственно под самой полосой, а также на прилагающие к ним полях. В лесостепной зоне лесные полосы, способствуя накоплению снега, снижению испаряемости и увеличению промачивания почвы, вызывают сдвиг почвообразовательного процесса в сторону формирования выщелоченного чернозема. При этом отмечаются хорошо выраженные процессы выщелачивания.

На каштановых почвах отмечается вынос легко растворимых солей в более глубокие горизонты почвы, а верхние горизонты обогащаются перегноем и приобретают более прочную структуру. На темно-каштановых почвах под влиянием лесных полос увеличивается мощность гумусированных горизонтов, понижается горизонт вскипания.

Установлено, что процесс улучшения солонцов и солонцеватых светло-каштановых почв под влиянием древесной растительности происходит очень медленно. Для успешного роста лесных насаждений на таких почвах требуется проводить плантажную вспашку, вносить 5-8 т/га гипса, 20-40 т/га перегноя. При наличии солонцов в комплексе свыше 50% необходимо проводить дорогостоящую и трудоемкую мелиорацию почв.

5. Влияние лесополос на урожай сельскохозяйственных культур

Исследования о роли лесных полос на урожай сельскохозяйственных культур в Алтайском крае начаты в 1935 г. сотрудниками Лебяжинской ЗонЛОС. В последующие годы данные исследований и метеорологические наблюдения этой же станции были сгруппированны:

1) по засушливым годам;

2) по среднеувлажненным годам;

3) по годам с повышенной влажностью.

Засушливые годы характеризуются меньшим, чем средняя многолетняя норма, количеством осадков за вегетационный период, меньшим числом дождевых дней и высокой средней температурой воздуха в июне и июле.

Влияние полезащитных лесных полос на расстоянии 20-кратной их высоты на урожай различных сельскохозяйственных культур в засушливые годы в различных хозяйствах Алтайского края показано в таблице 2.

Среднеувлажнённые годы характеризуются близким к средней многолетней норме количеством осадков за вегетационный период, температурой воздуха и числом дождливых дней в мае-июне.

Таблица 2. Влияние полезащитных лесных полос на урожайность зерновых культур в хозяйствах Алтайского края

За годы, когда количество осадков было близким к средней многолетней норме, прибавка урожая под защитой лесных полос составила 5,9 ц с 1 га. Годы с повышенной влажностью характеризуются значительным по сравнению со средней многолетней нормой количеством осадков за вегетационный период, большим количеством дождливых дней и более низкой температурой воздуха в мае и июне.

За годы с повышенной влажностью полезащитные лесные полосы в среднем обеспечивают прибавку урожая зерна 0,9 ц с 1 га, но в некоторых случаях урожай зерна в зоне влияния лесных полос был ниже, чем в открытой степи. Это было вызвано образованием около полос непродуваемой конструкции больших сугробов снега, медленным его таянием, переувлажнением почвы и вследствие этого - поздним посевом яровой пшеницы.

В 1951 г. (засушливом) в Егорьевском районе получен урожай яровой пшеницы с 1 га защищенного полосами поля в 5 раз больше, чем с незащищенного. В 1955 г. в этом же районе кукуруза, высеянная под защитой 20-летней березовой полосы продуваемой конструкции, имела высоту 165 см, а на незащищенном участке - 150 см. Урожай зеленой массы был, соответственно, 285 и 185 ц/га, вес початков восковой спелости - 75 и 25 ц/га.

В Чистюньском совхозе под защитой 120 га лесных полос получали высокие и устойчивые урожаи. В 1960 году совхоз принял в свой состав необлесенные земли бывшего колхоза «Первое мая».

Под защитой лесных полос средний урожай яровой пшеницы за три года составил 18,2 ц/га, а на открытых полях без лесных полос - только 12,3 ц/га. Еще большая разница в урожаях кукурузы на силос под защитой лесных полос - 304 ц, а на открытых полях - 167 ц/га.

Эффективность агротехнических мероприятий в системе лесных полос намного выше, чем в открытой степи. Так, урожай яровой пшеницы по черному пару в системе лесных полос на 5 ц/га выше, а при дополнительном внесении минеральных удобрений еще на 2,6 ц/га больше по сравнению с урожаем яровой пшеницы в открытом поле.

В 1972 г. урожай яровой пшеницы в совхозе «Кулундин-ский» в защищенных лесополосами полях составил 18,2 ц/га, по Кулундинскому району - 16,1, а в не облесенных полях соседних районов - 13,9-14,4 ц/га.

Кроме того, в течение ротации севооборота в пределах межполосного поля имеет место различная урожайность. Максимальная прибавка урожайности (3,8 ц/га) около лесных полос получена на первой культуре после пара. Здесь же за счет агроклиматического влияния лесных полос в целом по полю получена прибавка 3,1 ц/га по сравнению с открытым севооборотом. На 2 и 3 культурах урожайность пшеницы резко снижается как на облесенных, так и на открытых полях, однако преимущество сохраняется за первыми (0,3-0,7 ц/га). В среднем по севообороту урожайность получена в системе лесных полос на 1,4 ц/га выше, чем на открытых полях.

Исследованиями Ю.И. Илясова, проведенными в 1983-1986 гг. на агролесомелиоративном стационаре (Орловка) в совхозе «Кулундинский», установлено влияние различных видов основной обработки почвы в полях зернопаровых севооборотов, находящихся в системе защитных лесных насаждений и в открытой степи, на урожайность и качество зерна яровой пшеницы.

Агротехника выращивания пшеницы на облесенных и открытых полях была одинаковой. В целом по севообороту все прибавки урожая зерна были существенными. На варианте первой культуры прибавка урожая составила 3,5 ц/га без применения удобрений и 4,7 ц/га - при их внесении, на полях второй и третьей культуры - соответственно, 1,4-2,9; 1,7 и 3,0, а в целом по севообороту - 1,6 и 2,7 ц/га.

Полученные данные подтверждают, что основная обработка почвы, удобрения и ЗЛН, способствуя повышению урожайности зерна пшеницы, обеспечивают весьма значительный дополнительный выход белка и клейковины по всем полям севооборота.

Западно-Сибирским филиалом ВНИАЛМИ проведены исследования по агрономической продуктивности пашни в зоне каштановых почв в Кулундинском районе Алтайского края с лесистостью 3,0% и в Щербактинском районе Павлодарской области с лесистостью 0,4%. Оказалось, что в расчете на одинаковую структуру посевных площадей общий выход составил по Щербактинскому району 66, а по Кулундинскому - 75 т. к.ед. на 100 га пашни, т.е. продуктивность пашни под защитой лесных насаждений оказалась выше на 13,6%. Но даже в более благоприятных климатических условиях лесостепи эффективность ЗЛН оказывается значительной. При обследовании 175 участков с яровой пшеницей оказалось, что на защищенных полях ее урожай составил 15,5 ц/га, а в открытой степи - 11,4 ц/га. Положительный эффект сказывается и на урожайности других сельскохозяйственных культур. По данным BHИАЛМИ, урожай зерновых под воздействием агролесомелиоративных насаждений повышается в среднем на 15-20%, подсолнечника - 10-15, проса - 20-25, картофеля и сахарной свеклы - 25-30, овощей -45-50, трав - 100%.

6. Природоохранная роль защитных лесных насаждений

лесной полоса облесенный насаждение

Создание лесных насаждений на бросовых и неудобных для сельскохозяйственных производств землях позволяет возвратить их в хозяйственное использование. В качестве примера может служить облесение песчаных земель, которые занимают значительные площади и представляют серьезную эрозионную опасность. Первичное закрепление подвижных песков надежно осуществляется лесомелиоративными приемами в комплексе с механическими защитами. После закрепления пески могут использоваться для посева трав овощных, бахчевых и зерновых культур, для посадки садов и виноградников.

Леса - регуляторы ландшафтного баланса и интенсивности общего влагооборота, надежные стражи земли, главнейшие ее биопродуценты, создающие 66% всей биомассы суши. Они входят в состав биосферы как носители колоссальной энергии, при разумном использовании которой можно влиять на различные процессы, происходящие в ней. Распашка огромных территорий, вырубка лесов, изменение соотношения лесных и сельскохозяйственных угодий, водной поверхности и т.п. вызвали глубокие нарушения в естественных процессах и привели к усилению ряда стихийных разрушительных явлений, к водной и ветровой эрозии, засолению на обширных пространствах, т.е. к опустыниванию значительных территорий.

А.М. Степанов приводит данные о повышении потенциального плодородия почвы, содержании гумуса и биофильных элементов, активизации микробиологических процессов. На пашне, защищенной лесными полосами, гумуса больше на 4-13 т, азота - на 100-400 кг, фocфора - на 30-100 кг/га. Продуктивность биологизированных севооборотов в агролесоландшафтах повышает бонитет почвы на 2,5-19,3 балла, возрастает биоклиматический потенциал продуктивности облесенной пашни на 15-46%. При этом энергетическая ценность в степи больше на 476 тыс. МДж, в сухой степи - на 404 и в полупустыне - на 272 тыс. МДж. Древесная растительность, имеющая в 10-15 раз больше листовой поверхности и массы, способна поглощать на единицу площади в 3 раза больше углекислоты (18-45 т/га), чем травянистая растительность, и снижать углеродную перегрузку агроландшафта.

Наряду с агрономической ролью лесных насаждений существует и другая? не менее, а может быть и более, важная функция лесополос - природоохранная. Лесополосы защищают почву от разрушения водой и ветром, сохраняют важнейшие режимы почвообразования, снижают запыленность воздуха, сохраняют видовой состав птиц, зверей, насекомых и т.д.

Интенсивность распашки земли, а также уничтожение лесов уже привели к обеднению биосферы и снизили порог ее устойчивости. При этом усилились водная эрозия и возможность проявления пыльных бурь, интенсивно идет засоление земель, т.е. ускорены процессы опустынивания, что, в свою очередь, ведет к снижению уровня грунтовых вод, потере естественной флоры и фауны.

В последние годы сельское хозяйство все больше уходит от ландшафтно-географического принципа построения системы земледелия, ссылаясь на отдельные агроприемы. А ведь успех в защите почвы может быть достигнут только комплексом мероприятий с обязательным участием защитных лесных насаждений. На сельскохозяйственных землях они значительно изменяют процессы почвообразования, экологическую и биологическую емкость территории.

Почвенный покров - это гигантская экосистема, которая оказывает значительное влияние на всю биосферу. В почве (гумус, внутрипочвенные вещества) удерживается огромное количество связанной энергии. При этом ее наиболее энергоемкой частью является гумус, каждая тонна которого соответствует 5х106 ккал потенциальной энергии. Вся эта энергия поставляется почвой живому миру и человечеству, и она не может быть заметна ничем другим. Здесь происходят весьма сложные биохимические процессы, которые создают благоприятные условия для роста и развития растений и накопления биомассы.

Интенсивное воздействие человека на почвенный покров вызывает эрозионные процессы. Активную роль в охране почв от эрозии играют защитные лесные насаждения, которые существенно изменяют агрохимические и физико-химические свойства почвы. Они оказывают влияние на изменение морфологических признаков почвенного профиля, которые связаны с активизацией биологической аккумуляции под лесными полосами, насыщением кальцием за счет остатков травянистых растений и выщелачивания элементов из почвенного профиля древесными компонентами.

В условиях Алтайского края под полезащитными лесными полосами 22-37-летнего возраста мощность горизонта А+В увеличилась на 4-7 см, глубина вскипания снизилась на 8-16 см по сравнению с пахотной почвой в середине поля. Окраска почвы под лесными полосами становится более темной, однородной. Почвенная структура улучшается, грани структурных отдельностей становятся более гладкими, почвенные карбонаты под лесными полосами - более сцементированными, белоглазка карбонатов выражена не очень отчетливо.

Защитные лесные насаждения увеличивают мощность гумусового горизонта не только под лесополосами, но и на прилегающих полях. Как правило, такое увеличение копирует расположение снежного шлейфа в заветренную сторону до 100 м и более и до 50 м в наветренную сторону от лесной полосы. В этих зонах обычно формируется более высокий урожай, а следовательно, и растительная масса, и более мощные корневые системы растений. В связи с этим здесь все генетические горизонты почвы становятся мощнее, переходы между ними постепеннее, а окраска почвы темнее.

Выдувание глинистых частиц с незащищенных полей и отложение их в зоне влияния лесной полосы приводят к изменению механического состава в аккумулятивном горизонте. В горизонте А под лесными полосами происходит утяжеление механического состава в южном черноземе до 4% и в каштановой почве - до 6,2%.

Полезащитные лесные полосы оказывают определенную роль на формирование структуры почвы на прилегающих к ним полях. На защищенных полях наблюдается неодинаковая степень промораживания почвы, увлажнения и высушивания, создаются неодинаковые условия для накопления гумуса. Исследованиями установлено, что на выщелоченном черноземе под защитой продуваемой лесной полосы увеличивается содержание фракций (0,25 мм) и уменьшается содержание более крупных. При этом положительное влияние складывается на расстоянии до 100 м в сторону поля. Здесь же больше содержится иловатой фракции. Увеличение количества водопрочных агрегатов установлено и в зоне влияния ажурно-продуваемой лесной полосы. В зоне защиты лесной полосы улучшается структура не только в пахотном горизонте, но и в более глубоких слоях, вплоть до горизонта АВ. Это связано с изменениями гумуса, физических и физико-химических свойств почвенного профиля, увлажненности почвы.

Накопление гумуса зависит от возраста и ширины лесных полос. Молодые лесные полосы накапливают гумус в незначительных количествах. С возрастом насаждений процесс накопления гумуса проходит более активно, но до определенного предела, который зависит от гидротермических условий гуму-сонакопления. Содержание гумуса в южном черноземе Алтайского края в слоях 0-10; 35-45; 50-60 см составило, соответственно, в защитном лесном насаждении 4,12; 2,61; 1,83, в то время как на пашне (открытое поле) эти данные выглядели так: 3,24; 2,19; 1,65. При этом следует отметить, что наиболее интенсивное накопление гумуса происходит на черноземных почвах. Интенсивность накопления гумуса на полях, защищенных лесными полосами, определяется многими факторами: механическим составом, развитием корневых систем культурных растений, водно-физическими условиями. Установлено, что с утяжелением механического состава почвы процессы образования гумуса ускоряются. При этом подмечено, что в зоне защиты лесной полосы наблюдается более равномерное распределение корневой системы по почвенному профилю, что, в свою очередь, связано с более высоким увлажнением почвы, улучшением физико-химических свойств почвенного профиля. В зоне защиты лесной полосы по всему профилю почвы сумма гуминовых кислот увеличивается, а фульвокислот уменьшается.

Активное участие в процессах почвообразования принимают беспозвоночные животные (дождевые черви, многоножки, ногохвостки, клещи и др.). Все они способствуют изменению многих физико-химических свойств почв и их плодородия. Создание систем защитных лесных насаждений изменяет ландшафты территории, создает новые, неизвестные ранее. Это приводит к существенным изменениям видового состава, численности и экологии беспозвоночных животных и микроорганизмов, видового состава насекомых, животных и птиц. При этом одни виды животных полностью изгоняются с территории, защищаемой лесными полосами, или предельно подавляются (узкоприспо-собленные ксерофиты - степняки), другие, наоборот, получают лучшие условия для развития и размножения (животные мезо-фильного склада), третьи перемещаются из других, иногда отдельных районов вслед за древесными насаждениями. Причина этого явления не только в улучшении микроклимата, но и в повышении гумуса в зоне влияния лесной полосы. При этом изменение численности и качественного состава почвенных животных напоминает изменение гумуса облесенного поля.

Защитные лесные насаждения оказывают заметное влияние на численность дождевых червей. При этом происходит заметное изменение видового состава червей в сторону типичных лесных видов, которые встречаются во влажных биотопах. Более высокое содержание дождевых червей приходится на лиственные насаждения, в которых создаются наиболее благоприятные условия для их деятельности.

Численность дождевых червей меняется с возрастом лесного насаждения, при этом увеличение количества, например, в дубовом насаждении происходит до 20-23 лет, а потом начинает уменьшаться. На их численность оказывают влияние и виды сельскохозяйственных культур на прилегающих полях, так как количество и качество выбросов дождевых червей зависят от количества и характера поглощаемых растительных остатков. Растительные остатки в пищеварительном тракте подвергаются глубоким биохимическим превращениям, результатом чего являются синтез гумусовых веществ и накопление биогенного кальция. Происходит улучшение водно-физических и физико-химических свойств почвы под лесной полосой и на прилегающих полях.

Активную роль в переработке мертвого органического субстрата в почве (опад, подстилка, корни и т.д.) и в процессах почвообразования играют многоножки. Значительная часть многоножек обитает в лесных полосах, а на прилегающих полях их значительно меньше. В результате жизнедеятельности многоножек происходят перемешивание и перетирание подстилки и рыхление поверхностных слоев почвы. Выбросы многоножек являются хорошим энергетическим материалом для микроорганизмов и дополнительным источником элементов питания для высших растений.

Защитные лесные насаждения оказывают положительное влияние на микрофлору прилегающих полей. Почвенные микроорганизмы участвуют в расщеплении растительных и животных остатков, а также в синтезе гумусовых веществ почвы. Смена групп микроорганизмов проходит в следующем порядке: плесневые грибы и неспороносные бактерии - споровые бактерии - целлюлозные микробактерии - актиномицеты. Наибольшее количество микроорганизмов находится в подстилке березового насаждения, наименьшее - под сосновыми насаждениями.

За счет повышенной влажности полей под защитой лесных полос в разные периоды отмечается различная активность микроорганизмов. Весной вблизи лесных полос она ниже за счет повышенной влажности и худшей аэрации, а в центре межполосного поля выше, летом возле лесных полос становится выше за счет влажности почвы, а в центре поля - ниже из-за недостатка влаги.

Состав и численность микрофлоры определяются типом почвы, характером климата и растительностью. Защитные лесные насаждения оказывают положительную роль на микрофлору прилегающих полей, при этом происходит усиление процессов аккумуляции биогенных элементов на прилегающих полях.

В пределах межполосного пространства интенсивность аккумуляции неодинакова - по мере приближения к лесной полосе она усиливается. Одновременно с процессом аккумуляции биогенных элементов в ненасыщенных основаниями почвах возникает противоположный процесс - минерализация и распад органического вещества, вынос иловатой фракции за пределы пахотного слоя.

Таким образом, под влиянием лесных полос происходят увеличение мощности гумусового слоя, понижение горизонта вскипания, возрастание емкости поглощения, улучшение физических свойств почвы. Все это позволяет не только сохранить плодородие, но и наращивать его.

На защищенных полях создаются благоприятные условия не только для культурных растений, но и для сорняков. Под защитой лесных полос происходят изменение видового состава сорных растений, изменение видового и численного состава микро- и макрофауны. При этом наблюдается уменьшение числа ксерофильных насекомых, приспособленных к недостатку влаги (почвенной и атмосферной), а мезафильные и гидрофильные виды концентрируются вблизи лесных полос.

Все типы лесных насаждений в полосах, на овражно-балочной сети, транспортных магистралях, полевых дорогах, бросовых землях и на отчужденных территориях, а также естественные участки должны равномерно располагаться на территории хозяйства, чтобы составить единую экологическую систему. Только такая взаимосвязанная система компонентов окружающей среды может обеспечить стабильную численность диких опылителей и высокую продуктивность культурных растений.

Системам полезащитных лесных полос в их сочетании с насаждениями других категорий (на песках, гидрографической сети, вдоль дорог и каналов, декоративных и др.) свойственны все функции массивного леса: очищение воздуха от пыли и обогащение его кислородом, улучшение гидрологического режима местности, химических, радиационных и бактериологических показателей поверхностных и грунтовых вод, а также эстетическое и эмоциональное воздействие на человека.

Лесополосы самых разнообразных назначений способствуют увеличению экологического разнообразия флоры и фауны, расширению энергетических связей между лесными и полевыми биотопами, служат экологическими нишами, в них развиваются и находят укрытие, кроме насекомых, птицы, звери.

В качестве примера может служить Каменная степь (Воронежская область). До создания лесных полос здесь насчитывалось 12 видов зверей и 46 видов птиц, в том числе 17 гнездящихся. Спустя 60 лет после посадки леса резко изменились флора к фауна: типично степные растения уступили место растениям луговых формаций, культурным сортам, плодовым и древесным породам. Сейчас здесь насчитывается свыше 800 видов растений, 30 видов зверей, 178 видов птиц, из которых 103 гнездящихся, в прудах водится 18 видов рыб.

Изменилась экологическая характеристика Кулундинской степи, значительная часть которой находится в Алтайском крае. До недавних пор она была безлесной и сухой. Создание системы лесных полос на части ее площади изменило экологическую характеристику территории, ставшей зеленым оазисом в полупустынной степи. Здесь появились и прижились зайцы, лисы, дикие козы, белка, корсак и др. На степных озерах появились утки, гуси, лебеди и др. В лесных полосах поселились грачи, сороки, дрозды, свиристели, снегири и др. Степь благодаря лесным полосам стала более живой и полноценной, так как многие животные и птицы находят в защитных лесных полосах корм и защиту, охотно селятся в них летом. Замечено, что там, где нет лесных волос, нет и птиц, сдерживающих размножение вредителей.