Атмосферный воздух и лес

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Атмосферный воздух и лес

Воздух как экологический фактор влияет на лес двояко: обусловливает физиологические и биохимические процессы; действует как физический фактор. Первое обычно связано с влиянием состава воздуха, второе- с его движением. Однако, эти две стороны тесно взаимосвязаны: движение воздуха, физически воздействуя на деревья, может одновременно повлиять и на их биологические и физиологические процессы. При рассмотрении воздуха как экологического фактора, надо учитывать и физическое состояние его компонентов (электрических свойств, температуры, влажности и т. д.).

2. Состав воздуха и его значение в жизни леса

воздух лес газ углекислота

В воздухе содержатся важные для растений газы: углекислота и кислород, обусловливающие - первый - фотосинтез, второй - дыхание. Азот, занимающий наибольшую часть в составе атсмосферы (78%), не играет существенной роли в жизни леса. Исключение составляют некоторые соединения, попадающие из атмосферы в почву вместе с осадками, а также азот, усваиваемый растениями из воздуха через клубеньковые бактерии. Другое дело - азот почвенный: его значение огромно.

В кислороде атмосферного воздуха растения обычно не испытывают

недостатка, изменения концентрации его в воздухе нe отражаются на их жизненных процессах. Содержание же кислорода в воде и почве имеет большое значение для растений и леса в целом, оно отражается на его продуктивности. Особую роль в жизни леса играет углекислота, хотя в составе воздуха ее и не так много (0,03%). Леса ежегодно используют более 25 млн. т углекислоты. Углекислота, имеющаяся в воздухе, используется лесом: при фотосинтезе; как ферментативный ингибитор дыхания и ингибитор раскрывания устьиц; при нефотосинтетическом связывании СО₂ (например, ночное поглощение). Подавляющая часть СО₂ поглощается в результате фотосинтетической деятельности леса. Незначительное изменение ее в составе воздуха уже сказывается на фотосинтезе. Увеличение

концентрации СО₂ даже при ослабленном свете (до определенного

предела) увеличивает интенсивность фотосинтеза. Не вся углекислота, поглощаемая лесными растениями, поступает из атмосферы. Важным ее источником является почва, особенно лесная.

Действие на лес дымовых газов и других вредных примесей атмосферного воздуха. В индустриальных и урбанизированных районах в составе воздуха имеются различные примеси, в том числе газы, вредные для человека, животных и растительности. Леса в этих местах ослабляются, страдают от отравления, отмирают деревья и даже целые лесные участки. Из дымовых газов и других выбросов промышленных предприятий, а также выхлопных газов автомашин вредное действие на древесную растительность оказывают сернистый ангидрид или двуокись серы, хлор, этилен, фтор, окислы азота, аммиачные выделения и др. Существенным загрязнителем приземного слоя воздуха являются также скопления пыли. Двуокись серы в условиях влажного воздуха может окисляться до серной кислоты. Примесь в воздухе двуокиси серы в количестве даже одной миллионной объема при продолжительном воздействии вызывает опадение листвы или раннее пожелтение ее осенью. Причина вредного действия двуокиси серы заключается в ингибировании фотосинтеза.

Загрязнение атмосферы и вредное воздействие его на древесную растительность в немалой степени связано также с горючими веществами. Многие болезни лесных древесных пород, особенно сосны, вызываются не насекомыми или патогенными организмами, а такими загрязнителями воздуха, как хлор, перицитил нитрил, озон.

В избыточных количествах и углекислота может отрицательно влиять на лесную растительность, что бывает обычно при выделении ее вместе с другими вредными газами. Индустриальная деятельность человека, связанные с нею окислительные процессы все больше нарушают постоянство в атмосфере состава СО₂ (0,03%), увеличивая ее содержание (в настоящее время до 0,032%). Это, по мнению ряда ученых, вызывает так называемый тепличный (парниковый) эффект, ведущий через потепление климата на Земле к опасности катастрофических последствий для человечества. Правда, имеются и обоснованные концепции, отрицающие возможность тепличного эффекта, в том числе, утверждающие общемировую тенденцию к похолоданию. Однако это не устраняет полностью опасностей, возникающих под влиянием индустриальной деятельности человека. Наиболее важный фактор, препятствующий повышению содержания СО₂ в атмосфере, - фотосинтетическая деятельность леса.

Загрязняющие вещества закрывают устьица или проникают через них в растения. При выпадении осадков и повышенной влажности воздуха влага с кислотами попадает через раны (обломы сучьев, ветвей, обдир коры и т. д.). Действие кислых газов сказывается не только непосредственно через надземные органы растений, но и косвенно - через почву. В результате газового отравления хвоя или листва утрачивают зеленую окраску, приобретают желтый, желто-бурый, бурый или бордовый цвет, уменьшаются в размерах, опадают. При систематических отравлениях происходит деформация побегов и почек (рис. 1). Хвоя становится недолговечной, например, у ели в этих условиях она живет до 2-3 лет. Преобладает однолетняя хвоя. Для хвойных это характерный признак газового отравления.

Деревья начинают обнажаться сверху: образуется суховершинность, в дальнейшем полностью отмирает крона. У деревьев, остающихся живыми, кроны приобретают зонтичную форму. Текущий прирост резко снижается. На ослабленные газами насаждения нападают вредные насекомые. Деревья поражаются грибными заболеваниями. В результате отмирания деревьев и происходящего вследствие этого (а так же в связи с санитарными рубками) осветления полога в напочвенном покрове разрастается светолюбивая злаковая и исчезает из него лесная растительность.

Рис 1

Последняя исчезает не только вследствие осветления, но и непосредственного влияния на нее газов. Об этом свидетельствуют факты исчезновения после вырубки отравленного древостоя не только теневых лесных растений, как черника, зеленые мхи, но и таких, как вереск, брусника, кукушкин лен (Илюшин, 1953), т. е. растений со световой экологией и к тому же многолетников, а многолетние вечнозеленые растения уязвимы прежде всего вследствие длительного действия на них газов. Особенно чувствительны к загазованности воздуха лишайники из напочвенного покрова, а также ряд эпифитных растений. В США, например, обнаружена очень высокая чувствительность к урбанизации испанского мха, обволакивающего деревья болотного кипариса и некоторых других пород.

Таким образом, определенные растения могут служить индикатором загрязнения воздуха. Действие загазованности на лес зависит не только от состава и концентрации газов, но и от времени года, погоды, почвы, древесной породы, состава древостоя, его полноты и сомкнутости, структуры, а также и от расстояния до источника отравления.

Вредное действие дымовых и других ядовитых выделений на лес проявляется в основном в период вегетации, т. е. весной и летом. Хвойные, за исключением лиственницы, страдают от ядовитых выбросов и в зимнее время, хотя и в меньшей степени. Загазованность воздуха особенно проявляется во влажную погоду. Опасность длительного накопления яда в ассимиляционном аппарате хвойных ставит эти породы в значительно более трудное положение по сравнению с лиственными, обновляющими листовой аппарат ежегодно. Но и среди хвойных с многолетней хвоей имеются большие различия в газоустойчивости. За последние годы увеличилось число публикаций о влиянии загазованности на древесные породы (Илькун, 1971; Илюшин, 1953, и др.). Однако сведения о различиях в газоустойчивости древесных и кустарниковых пород недостаточно полные, пока можно дать на их основе лишь некоторые предварительные придержки (табл. 1).

По газоустойчивости древесные и кустарниковые породы можно разделить на пять классов: к 1-му классу относятся породы наиболее, к 5-му - наименее устойчивые. Для хвойных совсем исключается 1-й; для лиственных 5-й класс. Древесные породы в пределах класса по возможности расположены в ряд, начиная от более чувствительных к менее чувствительным к отравлению. Необходимо учитывать, что одна и та же порода обладает неодинаковой чувствительностью в разном возрасте-в юном и старом возрасте сопротивляемость ослабляется.

Газоустойчивость различных видов растений связана с их биологическими, морфологическими, анатомическими, физиологическими особенностями, продолжительностью жизни листьев и др. Н.П. Красинский (1950) выделяет три вида газоустойчивости: биологическую, морфолого-анатомическую и физиологическую. Первая связана со способностью растения быстро восстанавливать поврежденные газами органы растений (листья, побеги); вторая- с морфолого-анатомическим строением, ограничивающим газообмен и потому затрудняющим поступление газов в ткани листьев; третья- со способностью растений противостоять вредному действию газов вследствие особенностей физиологических процессов, а также физико-химического состояния клеточной среды. Эти виды взаимосвязаны и нередко проявляются совместно.

Таблица 1 Газоустойчивость древесных растений.

Чистые древостои страдают от отравления газами больше смешанных (с учетом породы), сомкнутые и сложные - меньше разреженных и простых, старые больше молодых и средневозрастных. Сопротивляемость отравлению выше на плодородных почвах. Подбор газоустойчивых пород и их сочетаний имеет большое значение для озеленения, а также для восстановления леса в местах с сильной загазованностью. Создание газоустойчивых насаждений - задача трудная, требующая осуществления комплекса мероприятий. В зависимости от местных условий комплексы могут быть разными.

Для иллюстрации приведем опыт, применяемый в Силезии - индустриальной области Польши с развитой угольной, металлургической и химической промышленностью. Хвойные леса здесь испытывают сильное отравление газами. На ослабленные ими деревья нападает подкорный клоп, корневая система поражена корневой губкой. В результате искусственное насаждение сосны в 40 лет еще достигает высоты 3-5 м. Такие насаждения лесоводы вынуждены вырубать. На месте их проводится следующий комплекс мероприятий: корчевка и распашка; внесение минеральных удобрений; биологическая мелиорация внесением растений из бобовых (люпин и др.); введение ольхи черной и серой в целях улучшения почвы и создания смешанных насаждений. В опытном порядке вводятся дуб красный (вместе с ольхой) и под их покровом ель и сосна. Положительные результаты дала посадка лиственницы, особенно японской.

3. Влияние леса на состав воздуха

Содержание и распределение СО₂. На открытой местности углекислота распределяется в атмосфере равномерно и является величиной постоянной (0,03%), исключая индустриальные районы с сильно развитой промышленностью, особенно химической. Лес сильно влияет на содержание и распределение СО₂. В лесу происходят циклические изменения в содержании СО₂ в пространстве и во времени. Они могут отклоняться до 100% от нормального содержания углекислоты в воздухе открытой местности. В 20-х годах текущего столетия шведский исследователь

Люндегорд (Lundegardh, 1925) показал, что в лесном воздухе углекислоты содержится в 1,2-1,6 раза больше, чем на открытой местности. Но это превышение можно отнести только к нижним слоям воздуха, до высоты 1 ,5 - 2 м.

Эти и другие исследования ученых, проведенные за последние полвека, показали закономерное изменение содержания СО₂ в лесном воздухе по вертикали: наибольшая концентрация ее отмечается в приземном слое воздуха. В пространстве между поверхностью почвы и кронами количество ее несколько снижается, но наиболее резко оно уменьшается в зоне расположения ассимилирующих крон. Так, по данным Т. Мейнеке (Oekers, 1930), в средних слоях воздуха (между почвой и кронами) СО₂ содержится (в %): 0,04, среди крон ели- 0,02, под еловым подростом высотой 1 м- 0,081 (в жаркие дни). Исследования в елово-лиственном древостое дали следующие результаты (Коссович, 1936):

Таблица 2

Существует несколько причин неоднородности распределения углекислоты в лесном воздухе. Углекислота обладает тяжелым молекулярным весом, ее диффузия идет медленно, но запасы СО₂ пополняются из почвы. Уменьшение ее в зоне крон связано не только с физическими особенностями СО₂, но и с ассимилирующим действием крон. Доказательством является то, что после листопада наблюдается постепенный переход СО₂ из леса в воздух поверх крон без заметного влияния последних (рис.). Распределение СО2 внутри леса связано с его морфологией, особенно с составом, ярусностью, сомкнутостью, густотой древостоя, характером размещения деревьев (равномерное, неравномерное), наличием прогалин и пр. При густом древостое под плотным сомкнутым пологом наблюдается большая концентрация СО2, чем в разреженном древостое.

По данным К.И. Кобак (1967), принявшей за 100% концентрацию углекислоты в свободной атмосфере, в лесу у поверхности почвы в вечерние часы (различия в это время наиболее отчетливы в связи с прекращением фотосинтеза и турбулентного воздухообмена) концентрация СО₂ оказалась (в %) : в березняке 185, осиннике 167, в смешанном насаждении 155, в ельнике и сосняке соответственно 137 и 139.

Наиболее важный источник образования углекислоты в лесу - верхняя часть почвы, прежде всего подстилка и гумус. Здесь под влиянием животных, грибов, бактерий протекают интенсивные биологические процессы, сопровождающиеся образованием углекислоты. Другие источники СО₂ прямо или косвенно связаны также с почвой - углекислота образуется в процессе корневого дыхания, поступает из почвенного воздуха, выделяется в связи с нахождением в почве солей угольной кислоты (СаСОз) и др. Концентрация углекислоты в припочвенном слое воздуха имеет большое значение для растений нижних ярусов, особенно в сильно затененных местах, т. е. в условиях плохого светового питания.

Возникает вопрос о передвижении СО₂ в лесу. Каким образом углекислота из припочвенного слоя попадает в область крон? Путей может быть несколько: диффузия; температурная конвенция; ветер и турбулентность воздуха. Наибольшее значение имеют последние два фактора. При слабом ветре и горизонтальном его движении углекислота не переносится им в кроны. Но как только течение воздуха наталкивается на какое-то препятствие, например, в виде группы подроста, подлеска, изменения рельефа, оно направляется вверх и этим создается возможность снабжения крон углекислотой. Это особенно характерно для горных лесов. Движение ветра со скоростью до 0,5 м/с благоприятствует обеспечению крон углекислотой. При большей скорости влияние ветра отрицательно, так как СО₂ выносится в атмосферу за пределы крон (Oelkers, 1930). Сильный ветер сглаживает различия в содержании СО₂ по вертикали. Однако в области крон и непосредственно над ними усиливаются турбулентные течения, которые перемешивают воздух, способствуя притоку углекислоты из атмосферного воздуха к ассимилирующим кронам. Вопрос о количественных соотношениях атмосферной и почвенной углекислоты в снабжении ассимиляционного аппарата деревьев 1-го яруса не выяснен еще окончательно. Но, по-видимому, основная роль и здесь принадлежит углекислоте, поступающей из лесной почвы, прежде всего из ее подстилочно-гумусовой части.

Практика лесоводства должна учитывать и использовать благоприятные для нижних ярусов леса моменты, создающиеся под пологом в связи с концентрацией углекислоты в приземном воздухе. Накоплению СО₂ может способствовать органическое удобрение в виде хворостяной массы. Концентрация СО₂ в нижних ярусах лесного сообщества так же, как и ее передвижение в верхний ярус, не означает увеличения вследствие этого содержания углекислоты в атмосферном воздухе за пределами леса. Напротив, интенсивная фотосинтетическая работа лесного полога вследствие использования углекислоты, поступающей снизу и сверху, является важным фактором, предохраняющим атмосферу от избытка углекислоты.

Лес является большим потребителем углекислоты. Еловый лес площадью 1 га поглощает 33 т СО₂ ежегодно (Assmann, 1961; по Diirk'y, 1966). К тому же, как показывают недавние исследования (Р. Стэнли, Хэтч-Слэк-Корчак), усвоение углекислоты при повышенных ее концентрациях может происходить в лесу не только за счет повышенной интенсивности фотосинтеза, но и путем фиксации СО₂ незелеными тканями (стеблями, побегами, пыльцой и др.), а также фиксацией ее другими путями. Эти процессы, способствуя дополнительному использованию углекислоты лесом, свидетельствуют и о некотором дополнительном продуцировании органического вещества.

Другие вещества в составе лесного воздуха.

Кислород так же, как и углекислота, характеризуется относительным постоянством содержания в атмосфере. Лес можно считать одним из факторов, поддерживающих это постоянство на планете. Заметного увеличения содержания кислорода в лесу не обнаружено. Однако нельзя отрицать влияния леса на его качественную сторону- кислород, выделяемый при фотосинтезе, имеет определенные физические особенности, например может нести отрицательный заряд. Появляется все больше данных об ионизации лесного воздуха, т. е. об обогащении лесного воздуха ионизированным кислородом.

В составе лесного воздуха имеется много различных летучих химических веществ, выделяемых надземными и подземными органами лесных растении и другими организмами. Состав их зависит от характера леса, от времени года и суток, особенностей погоды. Каждому, кто бывал в лесу, знаком смолистый запах соснового бора в теплый или жаркий летний день, неповторимый аромат березы весной при пробуждении почек и распускании листвы, запах опавшей листвы осенью или специфичный запах грибов во время грибного сезона. Многие вещества, находящиеся в лесном воздухе, не имеют запаха и могут быть обнаружены только специальными методами. Химическая природа летучих соединений в лесу еще недостаточно раскрыта. Известно, что значительную роль играют терпены, входящие в состав живицы, эфирных масел, бальзамов и др., углеводороды (особенно этилен), летучие витамины и др. За вегетационный период в атмосферу выделяется непредельных и ароматических углеводородов приблизительно: кедровыми насаждениями 450-500, сосновыми 400-450 и березовыми 200-220 кг/га (Протопопов, 1975).

Ряд летучих веществ оказывает влияние на жизненные процессы растительных и других компонентов леса. При этом проявляются взаимные аллелопатические (биохимические) влияния лесных растений и других организмов. Многие из лесных выделений прямо или косвенно могут влиять на состояние и здоровье человека, особенно благодаря фитонцидным свойствам.

Среди летучих органических соединений имеются вещества, губительно действующие на насекомых, на бактерии, грибы, другие микро- и макроорганизмы. Такие вещества названы фитонцидами. Основоположником учения о фитонцидах является Б.П. Токин (1974). Вопрос о природе фитонцидов хотя еще не вполне ясен, но многочисленные факты влияния их показывают его большую практическую и научную значимость. Замечено, напримeр, что выделения из измельченных листьев черемухи, рябины, эвкалипта могут убить слепней, комаров. Кашица из чеснока, помещенная вблизи чашечек с питательной средой, на которой выращиваются бактерии- возбудители холеры или брюшного тифа, быстро их убивает. Выделения листьев дуба убивают дизентерийную палочку. Высокими бактерицидными свойствами обладает багульник. В лесу 1 м³ воздуха содержит всего лишь около 500 бактерий. В городах это количество увеличивается в 70 раз и более (Токин, 197 4).

Б.П. Токин (1974) и некоторые другие исследователи (Колесниченко, 1968, и др.) несколько расширили понятие фитонциды. Фитонцидами названы биологически активные вещества, выделяемые в процессе жизнедеятельности растений в окружающее пространство, способные вызывать физиологические изменения у других организмов. Фитонциды могут быть не только газообразном, но и в жидком и твердом состояниях.

4. Лес и пыль

Лес способствует очищению воздуха от пыли и ослабляет действие других вредных примесей. Механизм этого влияния леса проявляется в виде двойного фильтра: влияние на проникновение в лес и поглощение пыли и газов со стороны и сверху. В первом случае роль фильтра играют опушка и приопушечная часть леса, во втором- лесной полог. Фильтрующая способность леса зависит от состава, возраста, структуры, сомкнутости насаждения. По данным Р. Мельдау (Meldau, 1956), еловое насаждение собирает из воздуха пыли 32 т, сосновые 36,4 т, буковое 68 т на l га.

5. Молния и лес

Молния повреждает деревья, является причиной лесных пожаров, оказывает влияние на рост леса. Атмосфера и лес, помимо рассмотренных ранее взаимовлияний, взаимодействуют и через электрическое поле. Природа этих взаимодействий еще недостаточно выяснена. В лесу на поверхности листвы, хвои, побегов в сухую погоду сосредоточивается отрицательный заряд, ослабляемый смачиванием во время дождя.

Повреждение молнией зависит от типа грозы, характера ее разрядов, а также и от особенностей электрического поля деревьев (в корне, стволе, корнях). Опасность и степень поражения деревьев связаны с породой, их высотой, содержанием влаги (снаружи дерева и внутри его) и другими особенностями. Деревья, возвышающиеся над основным пологом леса так же, как и одиночные деревья, повреждаются чаще. От молнии больше страдают хвойные, из лиственных - тополь, дуб, груша, ясень, реже ольха, рябина, клен, бук. Это - ориентировочные придержки, основанные на визуальных наблюдениях. Любая из древесных пород может повреждаться молнией. Наибольший вред лесу молнии приносят порождаемыми ими пожарами. Лесные пожары от молний в некоторых регионах возникают очень часто.

Так, в западных штатах США молния является главнейшей причиной лесных пожаров. В связи с этим за последние годы там проводятся комплексные исследования природы молний и лесных пожаров: выявляются особенности грозовых бурь, вызывающих пожары, механизм загорания леса от молний и повреждения от них, разрабатываются методы и системы для предотвращения гроз и модификации погоды, в том числе путем засева облаков для создания ядер кристаллизации из йодистого серебра, изучается влияние гидрометеорологических факторов на процессы пробоя газов, которые участвуют в зарождении молний.

Широкие эксперименты по засеву облаков для образования осадков над лесными пожарами проводятся Ленинградским научно-исследовательским институтом лесного хозяйства.

Размещено на Allbest.ru