3. Роль лесов в жизни биосферы
3. Лес – один из основных типов растительного покрова Земли, представленный многочисленными жизненными формами растений, среди которых главную роль играют деревья и кустарники, второстепенную – травы, кустарнички, мхи, лишайники и т. д. Характерная особенность леса заключается в том, что образующие его компоненты связаны между собой и с окружающей средой. Так, солнечную энергию – главный источник в растительных сообществах – в лесу поглощают в основном кроны деревьев в процессе фотосинтеза и тем самым накапливают органическое вещество. Основная масса солнечной энергии отражается от поверхности крон и от почвы на прогалинах и уходит в атмосферу, незначительная часть расходуется на транспирацию.
Леса как экологические системы интересны и важны во многих отношениях. Во-первых, это одни из немногих экосистем суши, сохранившиеся в естественном или слабо измененном человеком состоянии; во-вторых, это самые крупные экосистемы на Земле, которые характеризуются высокой продуктивностью и в которых аккумулируется большая часть органического вещества планеты в виде древесины, детрита, гумуса, используемого затем человечеством как для собственного потребления, так и для восстановления исчезающих в процессе его хозяйственной деятельности компонентов биосферы.
Влияние леса на ход процессов, протекающих в природных комплексах, весьма разнообразно. Лесные экосистемы очень важны для жизни биосферы: они обогащают атмосферу кислородом и поддерживают уровень содержания в ней диоксида углерода. Леса играют большую роль в круговороте воды. Лесные почвы фильтруют воды, стекающие с полей и промышленных площадок, и очищают их от многих вредных примесей. Лесные экосистемы испаряют в атмосферу влагу и благотворно влияют на климат, повышая влажность воздуха.
По роли, которую они играют в биосфере, различают три группы лесов. К лесам первой группы относятся леса, основным назначением которых является выполнение водоохранных, защитных, санитарно-гигиенических, оздоровительных функций, а также леса особо охраняемых природных территорий. Леса этой группы располагаются вдоль рек и по побережьям озер, вдоль крупных шоссейных дорог, в зеленых зонах городов, в заповедниках. Их вырубать нельзя. К лесам второй группы относятся леса в регионах с высокой плотностью населения и развитой сетью наземных транспортных путей; леса, выполняющие водоохранные, защитные, санитарно-гигиенические, оздоровительные и иные функции и имеющие ограниченное эксплуатационное значения. В таких лесах проводят рубки, но так, чтобы древостой полностью не уничтожался, и шел процесс его самовосстановления. Это леса в регионах с недостаточными лесными ресурсами, для сохранения которых требуется ограничение режима лесоиспользования. Наконец, К лесам третьей группы относятся леса многочисленных регионов, имеющие преимущественно эксплуатационное значение. При заготовке древесины должно обеспечиваться сохранение экологических функций этих лесов. В таких лесах древостой можно вырубать почти полностью, оставляют лишь отдельные деревья как источники семян для восстановления леса естественным путем или проводится посадка деревьев. Леса третьей группы разделяются на освоенные и резервные.
Водоохранное значение лесов. Начало системной экологии (синэкологии) в отечественной, а затем и в мировой литературе связано прежде всего с наблюдениями за влиянием лесов на водные ресурсы. Люди давно заметили зависимость водности рек и уровней воды в колодцах от наличия лесов. Вырубка лесов обычно приводит к обмелению рек, исчезновению родников, пересыханию ручьев. В народе давно существуют выражения «Леса – хранители вод», «Леса – рождают реки», «Где лес – там и вода, где вода – там и жизнь» и т. п. Особенно большое внимание проблеме связи лесов и вод стали уделять в конце 19 – начале 20 столетия. В это время резко усилилось уничтожение лесов в связи с развитием промышленности, участилась повторяемость засух на юге и юго-востоке России. Одну из причин этого явления видели в уменьшении лесистости.
Леса оказывают прямое влияние на величину испарения, поверхностного и внутригрунтового стока, в целом на водный баланс, на гидрологический режим рек.
Влияние лесов на грунтовые воды. Положительное влияние лесов на питание грунтовых вод обычно не вызывает сомнений. Это связано с переводом значительной части поверхностного стока вод в подземный. Грунтовые воды, в свою очередь, питая реки, обеспечивают более высокий уровень воды в них зимой и летом (период межени). Весной же и при летних ливнях больше воды в реки поступает с безлесных площадей за счет поверхностного стока. Последний неизбежно связан с загрязнением вод продуктами эрозии почв и другими агентами, а также с вероятностью наводнений, их разрушительной силы. Грандиозные наводнения в бассейне Хуанхэ, катастрофические разливы Миссисипи, Дона, Вислы и многих других рек в значительной степени связаны с вырубкой лесов в их бассейнах.
Основной причиной увеличения грунтового и уменьшения поверхностного стока лесами является сохранение под ними хорошей водопроницаемости почв (защищена лесной подстилкой, разрыхлена корнями и т. п.), а также более равномерным поступлением влаги на ее поверхность (замедленная интенсивность таяния снега, гашение силы дождей пологом леса и др.). Во время дождя упругие струи воды с силой падают на ветви и с них мягко стекают на лесную подстилку, состоящую из опавших листьев и лесного разнотравья. Через подстилку вода медленно уходит в почву и по глубинным ее слоям стекает в реки. Таким образом, лес защищает почву от эрозии, берега рек от размывов. Зимой на кронах лиственных пород задерживается не более 3-5 % осадков, но зато тот снег, что упадет на лес, лежит там прочным мягким покрывалом. В хвойных лесах, особенно еловых, кронами задерживается до 60% зимних осадков.
Талые и дождевые воды в лесу интенсивно пополняют запасы грунтовых вод. Запасы грунтовых вод под лесами больше и потому, что в лесу происходит накопление влаги. Зимой толщина снега в лесу больше, чем в полях, поэтому почва меньше промерзает. Весной она быстрее оттаивает и начинает впитывать в себя талые воды. Рыхлая лесная подстилка, мхи обладают большой влагоемкостью. 1 м этой своеобразной губки в состоянии поглотить в условиях южной тайги до 6 кг дождевой воды. В лесу меньше скорость ветра и, следовательно, испарение. Летом подстилка уменьшает нагревание почвы и тем самым способствует сохранению в ней влаги. Под защитой леса земля медленно насыщается живительной влагой.
Вырубка лесов резко изменяет характер стока и гидрологический режим рек, вызывает бурные весенние паводки и резкое обмеление рек в летнее время. Для того чтобы водорегулирующее значение лесов проявлялось с максимальной эффективностью, они должны располагаться равномерно по всему водосборному бассейну реки.
Влияние лесов на качество вод. Положительное влияние лесов на качество вод связано с процессом их фильтрации через почвенно-грунтовую толщу. Лесные воды (в том числе и поверхностного стока) всегда несут меньше взвешенных частиц и растворенных химических веществ, чем воды, поступающие с сельскохозяйственных полей, урбанизированных и других подвергающихся антропогенному воздействию территорий. Степень преимуществ качественного состава лесных вод над водами других категорий по мере возрастания антропогенных нагрузок продолжает увеличиваться.Это является свидетельством того, что леса как мощные экосистемы сохраняют еще значительный потенциал способности к самоочищению и противостоянию разрушительным силам техногенеза.
Водоочистительная роль лесных экосистем настолько существенна, что их всё более используют для очистки загрязнённых вод.
Лесные экосистемы оказывают также благоприятное влияние на бактериологические и физические свойства воды. Вода осадков, взятая на пашне, имела коли-индекс (кол-во кишечных палочек в 1 литре воды), равный 18, а после прохождения воды через 45-метровую лесную полосу он уменьшился в 2 раза – до 9. В 5 раз увеличилась прозрачность воды.
При рубках лесов их водоохранные свойства резко снижаются или пропадают полностью. Если вырубки зарастают в результате вторичной сукцессии, то эти свойства довольно быстро восстанавливаются.
Когда условия для проявления вторичной сукцессии нарушаются в результате цепных реакций, вырубки могут приходить в состояние опустынивания. Это наиболее вероятно в горных районах, где после сведения лесов интенсивно проявляется эрозия почв.
На воды особенно влияют те леса, которые растут по берегам рек. Такое влияние также значительно для небольших рек, которые почти полностью находятся в конусе тени прибрежной растительности. Имеются данные, что после удаления прибрежной древесной растительности температура воды в реке повысилась на 7 С. Это отрицательно сказалось на жизни отдельных видов животных, например форели, адаптированной к существованию в прохладных водах.
Леса перспективны для очистки вод, загрязненных удобрениями, ядохимикатами и другими веществами. Для этой цели ландшафты должны быть организованы таким образом, чтобы воды с полей, до того как попасть в источники, проходили через лесные массивы или лесные полосы рассредоточенным потоком.
Почвозащитное значение лесов. Леса резко уменьшают поверхностный сток. Этим они препятствуют смыву и размыву почвогрунтов талыми и дождевыми водами, выступают в качестве важного почвозащитного фактора. Лес – надежный защитник почв от выдувания (дефляция); он закрепляет подвижные пески.
Влияние лесов на сопредельные пространства. Леса изменяют факторы среды не только вместе произрастания, но и за его пределами. Эти свойства издавна используются человеком для защиты с помощью леса населенных пунктов, транспортных путей, сельскохозяйственных полей и других объектов от неблагоприятных погодных явлений. Наибольший опыт в этом отношении накоплен в сельском хозяйстве, где лесные полосы используются для защиты почв и посевов
Леса защищают сельскохозяйственные угодья, урожай от неблагоприятных природных процессов. Пашни, окруженные лесами, имеют более благоприятные для земледелия микроклиматические условия.
В результате мелиоративного воздействия лесонасаждений интенсивность поверхностного стока на полевых склонах уменьшается в 2-3 раза. Следовательно, поля, расположенные в пределах защитной зоны, поглотят снеговой воды на 40-60 % больше, чем такие же поля в безлесной местности. Лучшая водообеспеченность гарантирует высокие урожаи всех возделываемых на неорошаемых землях культур. Особая ценность запасенной снеговой влаги в том, что она доступна растению в самый критический момент его роста – в начале всходов, когда слабая корневая система еще не в состоянии добывать воду из более глубоких слоев почвы.
Летом лесные насаждения не только защищают окружающие поля от суховеев, но постепенно отдают им накопленную зимой и весной влагу через грунтовые воды и внутрипочвенный сток. Таким образом, поля, окруженные лесами, в меньшей степени подвержены климатическим и погодным колебаниям.
Полезащитные и почвозащитные функции лесов выполняют в определенной степени лесные полосы, посаженные вокруг оврагов и балок, по границам полей, на перегибах склонов. Густая сеть лесных полос может создавать. Углеродное значение лесов. Основные надежды по выводу избытка углерода из атмосферы и тем самым решению проблемы парникового эффекта люди связывают с лесными экосистемами. Известно, что при образовании 1 т (абсолютно сухой вес) растительной продукции связывается 1,5-1,8 т углекислого газа и высвобождается 1,1-1,3 т кислорода. В расчете на 1 га среднепродуктивного леса в таком случае связывается за год 6-7 т углекислого газа и выделяется 5-6 т кислорода.
Концентрация больших масс углерода в лесах связана с большой биомассой древостоев. Именно благодаря этому только лесные экосистемы способны на длительное время выводить углерод из атмосферы и тем самым как бы давать людям время и шанс для поиска путей решения проблемы парникового эффекта. Из всей массы углерода, сконцентрированного в растениях земного шара, 92% содержится в лесных экосистемах. В растениях всех других экосистем суши аккумулировано только около 7% углерода, а в растительных организмах океана – меньше 1%. Еще большая масса углерода законсервирована в мертвом органическом веществе лесов (детрите), а также в гумусе почв и торфяных отложениях лесных болот. Ясно, что расширение площадей под лесами как и повышение их продуктивности, способствовало бы если не нейтрализация, то замедлению процессов накопления углерода в атмосфере. Из сказанного следует, насколько важно не допустить высвобождение углерода из лесных «кладовых». Это возможно только в том случае, если площади, продуктивность и биомасса лесов не будут уменьшаться. Более того, для интенсификации процессов связывания углерода должны приниматься меры к расширению площадей лесов, повышению их продуктивности. Такие рекомендации для всех стран содержатся в документах, касающихся лесов, принятых Конференцией Организации Объединенных Наций по окружающей среде и развитию (КООНОСР) в 1992 году.
К сожалению, имеет место весьма тревожная тенденция противоположной направленности – сокращение площадей и биомассы лесов на земном шаре. Это отрицательно сказывается на выполнении ими не только углеродной, но и других многочисленных функций.
Воздухоочистительные функции лесов. Лес, образно говоря, - это легкие планеты. Деревья являются той зеленой фабрикой, которая восстанавливает живительную силу отработанного воздуха. Чем лучше растут леса, тем больше они выделяют кислорода и тем быстрее поглощают углекислый газ. В настоящее время установлено, что более половины фотосинтетического кислорода атмосферы поставляется лесами. Ежегодно они ассимилируют 30-35 млрд. т СО , продуцируя при этом 20-23 млрд. т органической массы. Тем самым леса играют главенствующую роль в регулировании газового состава атмосферного воздуха. Поэтому уменьшение лесистости суши, вырубка за последнее тысячелетие 50-70% естественных лесов должны были в большей или меньшей степени сказаться на углеродно-кислородном балансе атмосферы и океана. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, вероятно, есть результат не только сжигания топлива, но и смены лесов менее продуктивными типами фитоценозов – лугами, пастбищами, посевами, садами и т. п.
Кроме воздействия на баланс углерода, леса способны удалять из воздуха другие посторонние вещества. Очищение воздуха от загрязняющих веществ происходит как в результате их поглощения (первый род деятельности), так и посредством физического осаждения (второй род деятельности).
Первый род деятельности растений проявляется в накоплении загрязняющих веществ, в том числе и ядовитых (сернистый ангидрид и другие), в их теле. Лес – превосходный биологический фильтр воздуха. Он улавливает из загрязненной атмосферы озон, цементную пыль, сажу, свинец, окислы азота и другие «продукты цивилизации», оказавшиеся по недосмотру или несовершенству промышленной технологии а атмосфере. В последующем токсиканты попадают в почву либо с опадающими листьями, либо другими путями. Имеются данные, что 1 кг листьев может поглощать за сезон до 50-70 г сернистого газа, 40-50г хлора и 15-20мг свинца. Соединения азота в виде двуокиси и аммонийных солей, поглощаясь в небольшом количестве, выступают как фактор внекорневой (через листья) подкормки растений. Однако в больших количествах эти вещества, как и другие загрязнители, снижают устойчивость растений или даже ведут к их отравлению.
Уникальные фильтрующие свойства деревьев заключаются в их способности притягивать мельчайшие, взвешенные в воздухе твёрдые частицы – второй род деятельности. Лес, особенно хвойный, выделяет фитонциды, которые убивают болезнетворные микробы, оздоровляют воздух. В определённых дозах фитонциды благотворно влияют на нервную систему человека, усиливают двигательную и секреторную функции желудочно-кишечного тракта, способствуют улучшению обмена веществ и стимулируютт сердечную деятельность. Фитонциды обладают и ценнейшими профилактическими свойствами. Многие из них оказались непримиримыми врагами возбудителей инфекционных заболеваний, поэтому в воздухе лесов их намного меньше, чем над безлесной территорией. Например, в 1м воздуха в кедровом лесу содержится до 700 микроорганизмов (в операционной палате допускается до 1000 микроорганизмов).
Как утверждают учёные, лес создаёт над собой зоны концентрации влаги, и над ним выпадает осадков на 9 – 30% больше, чем над безлесной территорией. Эти осадки смывают промышленную пыль. Однако на участках с загрязнённым воздухом деревья болеют, прирост их снижается. Только около половины вредных примесей (49 – 66%) осаждается на поверхности деревьев, остальное проникает в живые ткани растений. Самыми уязвимыми при этом оказываются молодые леса. Среди лесных древесных пород более стойкие дуб, клён, тополь, а среди кустарников – лох узколистный, боярышник. Совсем беспомощна по отношению к загрязнённому воздуху ель. Сосна и кедр выдерживают лишь четвёртую часть того, что под силу берёзе.
Климатическое и метеорологическое значение лесов. Леса оказывают существенное влияние на метеорологические факторы. Они воздействуют на атмосферные явления и тем самым создают свою специфическую среду. Ее обычно рассматривают как микроклимат, экоклимат и фитоклимат. Изменение метеорологических параметров распространяется и за пределы леса. На этом свойстве основывается использование лесов (чаще всего лесных полос) для защиты почв, посевов, дорог, населенных пунктов и т. п. В этих случаях проявляется в основном второй род деятельности лесных экосистем.
Температура и влажность воздуха в лесу и на открытых пространствах различается несущественно. Только летом при солнечной погоде и больших различиях дневной и ночной температур в лесу она может быть на 2-5 С ниже нуля. В среднем же летом в лесу бывает прохладнее только на 1-2 С. Зимой в лесу несколько теплее. Небольшие различия температур объясняются тем, что как в лесу, так и на открытых местах она измеряется при отсутствии доступа солнечных лучей (в метеорологических будках). Наши же тепловые ощущения связаны в основном с количеством солнечных лучей, которые воспринимает поверхность тела. Леса воздействуют на солнечную радиацию в небольшой степени. Если принять количество солнечной радиации на открытом месте за 100%, то под полог лесов, представленных светолюбивыми видами (сосна, береза, осина и др.) ее проникает 10-15%, а под полог лесов из теневых древесных видов (ель, пихта) – только 3-5%.
Лесу свойственна более высокая влажность воздуха и верхних горизонтов почв. Глубинные слои почв под лесом обычно суше, чем под травянистыми сообществами.
Движение воздуха в лесу. В глубине леса обычно практически полностью отсутствует ветер. Здесь имеют место в основном конвекционные перемещения воздуха. Если слои, прогретые в верхней части крон деревьев, как более легкие, поднимаются вверх, а их место занимает воздух, поступающий из-под полога. Ночью могут наблюдаться токи воздуха противоположного направления. Такие перемещения воздуха имеют существенное экологическое значение. Во-первых, семена многих подпологовых растений (кислица, орхидеи и др.) настолько малы, что захватываются и перемещаются конвекционными токами воздуха. Во-вторых, благодаря таким токам выравнивается концентрация углекислого газа. Обогащенный углекислотой воздух приземных слоев (результат разложения органических веществ в почве) поднимается в фотосинтезирующую верхнюю часть полога.
Температура почв в лесу – несравнимо более инертна. В лесах она практически во всех случаях остается более низкой, чем вне леса. Эти различия между лесом и полем максимальны в верхних слоях и постепенно убывают с глубиной. Весной из-за более позднего схода снега в лесу прогревание почв значительно запаздывает. Волна максимального прогревания смещается на июнь и даже июль. В поле она проходит в мае.
Показателем, который одновременно отражает степень изменения метеорологических элементов среды (температуры, влажности воздуха, скорости ветра, наличия солнечной радиации), является испарение с постоянно увлажняемой поверхности, или испаряемость. Летом этот показатель мало различается в хвойных (вечнозеленых) и листопадных лесах. В условиях Подмосковья под пологом леса испаряемость обычно составляет около ? от ее значений вне леса или над лесным пологом.
Как и другие метеорологические элементы, испаряемость закономерно увеличивается по мере движения от почвы к поверхности леса (рис.6). По таким же закономерностям изменяется интенсивность физиологических процессов и средообразующая роль различных частей полога леса.
Роль лесов в сохранении природных территориальных комплексов.
Растительный покров, и, прежде всего лес, являются одним из важнейших компонентов ландшафтов. Вырубка лесов, замена естественной растительности культурной, смена растительных ассоциаций сопровождаются значительными изменениями в ходе природных процессов, приводят к изменению облика ландшафтов, а иногда и к их значительной перестройке. В любом случае нарушение естественного покрова сопровождается формированием антропогенных модификаций природных территориальных комплексов. Так, на огромных пространствах лесной зоны умеренного пояса широко представлены леса вторичного типа. На вырубках, гарях и болотах леса первичного типа без вмешательства человека восстанавливаются крайне редко. Поэтому место хвойных и широколиственных лесов всё шире занимают осиновые, берёзовые и ольховые заросли.
Замена лесов и кустарников травянистыми ассоциациями и тем более пашней приводит к изменению соотношения тепла и влаги, гидрологических и геохимических условий, изменению почвенного покрова, фауны и т.д. Наиболее значительные ландшафтные изменения происходят при уничтожении естественной растительности по периферии лесных зон, которое может привести к необратимым нарушениям природных процессов, к смене природных территориальных комплексов. Сведение лесов по окраинам лесных зон сопровождается наиболее значительными перестройками существовавших в прошлом ландшафтов. Поэтому леса в подобных экстремальных зонах подлежат особо й охране, а их эксплуатация должна носить строго ограниченный характер.
Принципы рационального использования лесных экосистем.
При рациональном использовании лесных экосистем в них поддерживается экологическое равновесие – естественным путем возобновляются популяции деревьев, промысловых животных, лекарственных трав, грибов. В итоге – сохраняется и биосферная роль лесов. Однако принципы рационального использования лесов соблюдаются не всегда.