1Х.2. Важнейшие экологические функции лесов и их параметры •«>,*>.чо-

Первый род деятельности проявляется через скорость образования органического вещества (продуктивность). В лесах и других типах растительности (луга, агроценозы) этот вид деятельности различается несравнимо меньше, чем второй род деятельности (физико-механический). Последний в наибольшей мере присущ лесным экосистемам. Он проявляется через способность долгоживу-щих древесных растений накапливать большую биомассу, которая сама по себе выступает как фактор воздействия на среду. Параметры экологических функций лесов в общем плане рассмотрены в первой части пособия. Напомним их кратко.

Под биомассой понимается масса живых организмов (г, кг, т) или отдельных их компонентов, содержащаяся на единице площади (м2, га) или объема (см3, м3) экосистем или их звеньев (растения, животные).

Под продуктивностью понимается скорость образования биомассы. Поэтому для ее выражения, кроме площади (объема) и массы, обязательным является время (минута, час, сутки, год) накопления.

Биомассу, как и продуктивность, относят обычно к сухому состоянию вещества. Наиболее часто при определении биомассы или продуктивности в качестве единицы площади используют гектар, единицы веса - тонну, единицы времени - год.

245

г. .-«..і. . .'!<• ? Таблица ЗО

Основные физические параметры 1 га 50-летнего соснового леса. Число деревьев — 1200 шт., средняя высота деревьев - 19,6 м, средний диаметр деревьев - 20,4 см, класс бонитета -1. Размеренность н единицы измерения Части дерева Весь

древостой ствол сучья,

ветви хвоя ?сего

надземная часть пень н крупные корни Объем, мУга 350 60 15 425 105 530 % от общей массы 66 11 3 80 20 100 % от ствола 100 17 4 70 30 100 Длина, км/га 24 122 30000 30146 340 30486 Площадь, га/га 0,4 2,2 8,0 10,6 Продуктивность (биомассу, продукцию), если она производится растениями, называют первичной, если животными, - вторичной. Напомним, что различия между значениями годичной продуктивности и биомассой тем значительнее, чем больше по продолжительности жизни различаются образующие их организмы. Например, годичная продуктивность 1 га однолетних травянистых растений составляет 5-6 т/га. Она ежегодно обновляется и поэтому не отличается по значениям от биомассы, учтенной в конце вегетационного периода на этой же площади. В то же время годичная продуктивность растений взрослого елового леса в тайге обычно также может не выходить за пределы 5-6 т/га, но биомасса растений этого лес!а составляет 300-400 т/га, т. е. в 60-70 раз больше годичной продуктивности.

Кроме общей массы органического (живого) вещества, содержащегося на единице площади, важна его поверхность. С ней связана степень трансформации светового потока, осаждение взвешенных частиц и поглощение химических веществ из воздуха, расходование влаги осадков на смачивание растений и последующее их испарение, конденсация паров воды из воздуха и т. п.

Из таблицы 30 видно, что поверхность надземных органов сред-непродуктивного соснового леса примерно в 10 раз превышает занимаемую им площадь. Около 80% поверхности приходится на хвою,

246

остальная у- на различные части древесины.

Еще более значительны различия в длине отдельных частей и органов растений. Для древесных частей (стволы, ветви) она близка к 150 км/га, а для хвои достигает 30 тыс. км/га. Длина подземных частей только для наиболее крупных фракций (пень, скелетные корни) со ставляет 340 км/га.

Углеродная функция 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 среднепродук-тивного 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 нейтрализации, 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.

247

К сожалению, имеет место весьма тревожная тенденция противоположной направленности - сокращение площадей и биомассы лесов наземном шаре. Это отрицательно сказывается на выполнении ими не только углеродной, но и других многочисленных функций.

Воздухоочистительные функции лесов. 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 (см. выше) проявляется в накоплении загрязняющих веществ, в том числе и ядовитых (сернистый ангидрид и другие), в их теле. 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, 40-50 г хлора и 15-20 мг 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.

До конца не выяснена роль растений во влиянии их на угарный газ. Некоторая часть СО усваивается, по-видимому, через ассимиляционный аппарат. Отрицательное воздействие этого газа на растения не регистрировалось. Имеются наблюдения, что в присутствии угарного газа интенсифицируется отрицательный эффект других полютантов, например сернистого ангидрида. Большая часть СО, по-видимому, превращается в С02 или связывается почвенными бактериями. Замечено, что интенсивность связывания тем значительнее, чем богаче почва органикой. Почвенным бактериям принадлежит также основная роль в усвоении и разложении (до углекислоты и воды) метана.

Со вторым родом деятельности связано в основном осаждение взвешенных частиц.

248

фект проявляют полезащитные полосы по очистке воздуха от продуктов ВетрОВОЙ ЭрОЗИИ ПОЧВ. !< '1

Лесные насаждения существенно уменьшают шумовой эффект, сокращают дальность распространения звуков. Они защищают дороги от заносов снегом и продуктами эрозии почв, снижают сопротивление потоков воздуха движению транспорта, способствуют экономии горючего. Следует, однако, иметь в виду, что плотные лесные полосы вдоль дорог могут играть и отрицательную роль, создавая условия для накопления продуктов сгорания и других вредных веществ в результате замедленного воздухообмена.

С нейтрализацией загрязнений растениями неизбежно связаны и отрицательные последствия для жизнедеятельности растений. Этому посвящен отдельный раздел данной главы.

Климатические и метеорологические функции 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 или 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. 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).

249

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. Его 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 фотосинте-зирующую верхнюю часть полога.

Температура почв в лесу. В разделе VIII. 2 мы обращали внимание на способность почвы накапливать и хранить информацию. Эта информационная функция проявляется и через температурный режим. Температура воздуха в силу его высокой подвижности и малой теплоемкости имеет тенденцию быстро изменяться и выравниваться в смежных экосистемах, например в лесах и на открытых пространствах.

Температура почв - 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. Полное выравнивание температур происходит только на глубинах более 5-6 метров. Так, в Подмосковье в среднем за май - сентябрь на глубине 5 см под еловым лесом почва была холоднее, чем в поле, на 7,5 С, на глубинах 20-120 см - на 3,0-3,3°С, ниже этой глубины различия температур постепенно уменьшаются до 2,4°С на 320 см и практически до нулевых значений - на глубинах 6-7 м. 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,

250

влажности воздуха, скорости ветра, наличия солнечной радиации), является испарение с постоянно увлажняемой поверхности, или испаряемость. Летом этот показатель малораэлича-ется в хвойных (вечнозеленых) и листопадных лесах^В условиях Подмосковья под пологом леса испаряемость обычно составляет около 1/4 от ее значений вне леса или над лесным пологом.

Как и другие метеорологические элементы (температура, солнечная радиация), испаряемость закономерно увеличивается по мере движения от почвы к поверхности леса (рис.23). По таким же закономерностям изменяется интенсивность физиологических процессов и средообразующая роль различных частей полога леса. Влияние лесов иа сопредельные пространства. Леса изменяют факторы среды не только в месте 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.

Степень влияния лесных полос на прилежащие территории зависит от высоты деревьев и от плотности поло-

Испарлемость

Рис. 23

Испаряемость на различных уровнях полога елового леса (Н. А. Воронков, 1988).

Периоды наблюдений: 1 - сутки; 2 - с 12 до 18 ч.; 3 - с 8 до 12 ч.; 4-с 18до 8 ч.

251

га лесопосадок. Так, скорость ветра замедляется вблизи леса на расстоянии^ равном 20-30-кратной высоте деревьев. Примерно в этих же пределах смягчается действие температур, влажности воздуха ипочв, уменьшается степень и вероятность ветровой эрозии, увеличивается урожайнолъ. Положительное влияние лесных посадок проявляется так же в предотвращении снегопереноса, замедлении снеготаяния, усилении питания грунтовых вод.

В силах человека регулировать экологические функции лесных полос. Полосы плотной конструкции (густые и с кустарниками) способствуют местному накоплению снега в полосах и вблизи них. В то же время не плотные (ажурные) полосы (продуваемая конструкция) обусловливают равномерное распределение снега и продуктов эрозии в межполосных пространствах. Можно создавать полосы и такой конструкции, скорость ветра внутри которых будет повышаться как в аэродинамической трубе за счет занятости части пространства стволами деревьев.

Водоохранные функции 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 XIX - начале XX 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.

В целом по проблеме взаимоотношений лесов и вод, лесов и климата опубликованы сотни книги десятки тысяч статей. Проблема чаще всего рассматривается под названиями «Гидрологическая роль лесов», «Водоохранная роль лесов», «Водоохранно-защитная роль лесов», «Метеорологическая роль лесов» и др.

Обилие литературы по проблеме объясняется тем, что в силу неполноты информации об экосистемах на одни и те же вопросы далеко не всегда даются однозначные ответы. Конкретные примеры таких явлений рассматриваются в разд.ХУП, ч. И.

252

Влияние лесов на грунтовые воды. Положительное влияние лесов на питание грунтовых вод обычно не вызывает сомнений Это связано с переводом значительной части поверхностного стокавод 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 силой.

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.).

Более значительное питание грунтовыми водами лесных рек ни в коем случае не означает, что эти реки всегда получают больше влаги и в суммарном выражении (за счет поверхностного и грунтового стока вместе). Ответ на последний вопрос не однозначен и зависит от конкретного сочетания различных факторов (погодные явления, породный состав лесов, их густота и т. п.). Этим и объясняется отмеченная выше неоднозначность точек зрения по вопросу влияния лесов на водное питание рек.

Влияние лесов и другой растительности на качество вод. Положительное влияние лесов на качество вод связано не только 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.

253

> Таблица 31

Вынос взвешенных частиц и химических элементов водами поверхностного стока с леса и поля (Н. А. Воронков, 1988) Объекты Еди- Взве- 1ЧН4 N0, Са Мя. Сум- наблюде- ница шен- ма ний изме- ные рения час- тицы Лесной кг/га 5,1 0,5 0,4 0,1 1,0 2,5 1,3 10,9 водосбор мг/л 18,6 1,8 1,5 0,4 4,0 9,1 4,7 40,1 Полевой кг/га 16,7 4,3 4,3 0,2 1,2 13,2 4,9 44,8 водосбор мг/л 35,4 9,1. 9,1 0,4 3,7 28,0 10,4 96,1 Данные таблицы 31 свидетельствуют, что с леса выносится в 8-10 раз меньше соединений азота и в 2-3 раза меньше фосфора и других химических элементов, чем с сельскохозяйственных полей.

Водоочистительная роль лесных экосистем настолько существенна, что их все больше используют для очистки загрязненных вод. Имеются данные (Г. Б. Паулюкявичус, 1974), что в воде, прошедшей через лесную полосу шириной 30 м, содержание >Ш4 уменьшилось в 5 раз, 802 - более чем в 6 раз, а фосфора и калия в 10 раз и более.

Лесные экосистемы оказывают также благоприятное влияние на бактериологические и физические свойства воды. Так, вода осадков, взятая на пашне, имела коли-индекс (количество кишечных палочек в 1 л 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 (В. Т. Николаенко, 1968).

При рубках лесов их водоохранные свойства резко снижаются или уничтожаются полностью. Если вырубки зарастают В результате вторичной сукцессии, то эти свойства довольно быстро восстанавливаются.

В тех случаях, когда условия для проявления вторичной сукцессии нарушаются в результате цепных реакций, вырубки могут переходить в состояние опустынивания. Последнее наиболее вероятно в горных районах, где после сведения лесов интенсивно проявляется

254

эрозия почв. Так, исследования показали, что на склоне крутизной 20°, занятом буковым лесом, эрозия почвы практиче ски полностью отсутствовала. После вырубки леса и вывоза древесины е помощью тяжелой техники эрозия достигла стадии овражной, и вынос ее продуктов водами поверхностного стока составил 300 т/га в год. Такие явления не единичны. В ряде случаев они заканчиваются опустыниванием обширных географических районов.

На воды существенно влияют те леса, которые растут по берегам рек. Такое влияние также особенно значительно для небольших рек, которые практически 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.

Велико значение растений для очистки вод непосредственно в водоемах. На Американском континенте для этой цели широко применяется один из видов гиацинтов. У нас в стране используют заросли тростника, камыша, рогоза для очистки шахтных и сточных вод. Наряду с элементами, включающимися в биологические процессы (азот, фосфор, калий и другие биогены), растения очищают воду и от таких загрязнителей, как фенолы, нефть, пестшщды. Правда, нагрузки при этом не должны превышать пределов устойчивости растений. В противном случае система полностью теряет способность самоочищения.

Водоочищающая способность растений (совместно с другими организмами) широко используется для очистки вод на полях орошения. Это территории, занятые различными сельскохозяйственными культурами, куда подаются бытовые и другие сточные воды, насыщенные биогенными элементами, органикой и другими веществами. Благодаря высокой очищающей роли растений такие системы функционируют десятилетиями.

В качестве компонентов полей орошения можно использовать не только агроценозы, но и лесные экосистемы. Последние, в частности, 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.

255