Лес и атмосфера. Лес и влага.

Лес и атмосфера. Лес и влага. 1. Лес и атмосфера. 2. Лес и влага.

ЛЕС И АТМОСФЕРА l Атмосфера (воздух) является средой для жизни леса и одним из источников его питания. Она уменьшает амплитуду колебаний температуры, предохраняет лесное сообщество от отрицательного воздействия ультрафиолетового излучения. Атмосфера служит источником снабжения лесных растений углекислым газом для фотосинтеза и кислородом для дыхания, а также средой для распространения пыльцы, спор, семян и плодов.

Состав атмосферного воздуха l 78% азота, l 21% кислорода, l около 1% благородных газов (аргон, неон и др. ), l 0, 03% углекислого газа, l 0, 01% водорода. l В воздухе содержатся водяные пары, концентрация которых зависит от многих факторов. l В составе воздуха имеется также пыль органического происхождения – пыльца древесных и кустарниковых пород, фитонциды, эфирные масла, бактерии, вирусы и другие мельчайшие примеси и микроорганизмы.

ЛЕС И АТМОСФЕРА l Основными источниками свободного азота, поступающего в атмосферу, являются вулканические извержения, горячие источники, каменоугольный взрывчатый газ. Азот необходим растениям, так как ни один физиологический процесс не обходится без его участия. Азот является важнейшим элементом, из которого создается сама структура клетки. Он входит в состав всех белков, хлорофилла, витаминов, нуклеиновых кислот, многих ферментов. Наибольшее количество азота потребляется деревом на синтез белка и образование хлорофилла. В составе сухого вещества дерева азота содержится 1 3%.

ЛЕС И АТМОСФЕРА l Содержание кислорода в атмосфере (воздухе) не является лимитирующим фактором. Почти весь кислород атмосферы имеет биологическое происхождение. В процессе фотосинтеза повышается содержание кислорода по отношению к углекислому газу. Содержание кислорода, накопленного в процессе фотосинтеза, снижается дыханием микроорганизмов, животных, растений. l Кислород необходим для нормальной жизнедеятельности всех животных и растений и входит в состав белков, жиров и углеводов. В составе сухого вещества деревьев его около 42%. Основным источником возобновления кислорода в атмосфере является жизнедеятельность зеленых растений. Кислород нужен растениям для дыхания. Корни растений получают кислород из почвы. Для их нормальной жизнедеятельности необходимо, чтобы в почве было около 7 8% кислорода. За день деревья выделяют кислорода в 5 6 раз больше, чем поглощают его в процессе суточного дыхания.

ЛЕС И АТМОСФЕРА l Углекислый газ – незначительная составная часть атмосферного воздуха, но необходимая для жизни зеленых растений, потому что участвует в процессе фотосинтеза. Углекислый газ нужен растениям для питания, т. е. для создания органических веществ. Сухое вещество деревьев примерно на 40 50% состоит из углерода. l Содержание углекислого газа в воздухе находится в минимуме, поэтому даже незначительные его колебания существенно влияют на жизнь зеленых растений. Зеленые растения ежегодно связывают 67% углекислого газа атмосферы. l Основными источниками поступления углекислого газа в воздух являются: дыхание, горение, гниение, извержение вулканов и гейзеров.

ЛЕС И АТМОСФЕРА l Содержание углекислого газа в воздухе изменяется во времени. Оно большей частью носит сезонный характер. Осенью количество углекислого газа в атмосфере выше, летом заметно снижается. Происходит изменение и в течении суток. В лесу с восходом солнца начинается фотосинтез, и концентрация СО 2 резко падает. Это связано с потреблением и превращением СО 2 листьями в органические соединения. К полудню с повышением температуры усиливается дыхание и содержание СО 2 в воздухе несколько выравниваеся. l Количество углекислого газа в лесу изменяется в зависимости от высоты над поверхностью почвы. Меньше всего углекислого газа в кроне дерева (0, 02%), больше в приземном воздухе над живым напочвенным покровом (0, 08%). Увеличение содержания СО 2 в атмосфере, усиливает фотосинтез , но до определенного предела. При количестве СО 2 более 0, 3% фотосинтез замедляется, если же количество достигает 2%, то у растений закрываются устьица. l Глобальную проблему представляет накопление СО 2 в атмосфере. Чем больше углекислого газа, тем меньше тепла отдает земная поверхность путем излучения и выше температура этой поверхности. Увеличение содержания СО 2 в воздухе с 0, 03 до 0, 06% повысило бы среднюю температуру почвы на 40 С что привело бы к изменению климата и растительного мира.

ЛЕС И ФИТОНЦИДЫ l Фитонциды – это образуемые высшими растениями летучие биологически активные вещества, убивающие или подавляющие рост и развитие микроорганизмов. Фитонциды содержаться в эфирных маслах, смолах, дубильных веществах и других соединениях. По степени фитонцидности древесные и кустарниковые породы подразделяются: l на очень сильно фитонцидные – пихта сибирская, дуб черешчатый, клен остролистный; l сильно фитонцидные – береза повислая, береза пушистая, сосна обыкновенная, ель, осина, лещина, черемуха, можжевельник; l средне фитонцидные – лиственница сибирская, ясень, липа, ольха, рябина, сирень, жимолость; l слабо фитонцидные – вяз, бересклет; l наименее фитонцидные – бузина красная, крушина ломкая.

Вредные химические вещества l В атмосфере во взвешенном состоянии содержатся такие инородные примеси, как дымовые газы и пылевые выбросы литейных, алюминиевых, цементных, целлюлозных, химических заводов. l Вредные химические вещества (поллютанты) снижают прирост деревьев и их плодоношение, вызывают суховершинность деревьев, тормозят фотосинтез. Особенно губительны они для вечнозеленых пород. l По степени газоустойчивости древесные и кустарниковые породы разделяются на 5 категорий: l I очень слабая подверженность отравлению ильм, дуб красный, ольха черная и серая. l II слабая подверженность отравлению – лиственница европейская, сибирская, можжевельник казацкий, туя, дуб черешчатый, вяз, тополь канадский. l III – средняя – ель колючая, дугласия, можжевельник обыкновенный, клен татарский, остролистный, липа. l IV – сильная – сосна Веймутова, крымская, кедр сибирский, каштан конский, бук, рябина, черемуха, береза. l V – очень сильная – пихта, ель, сосна обыкновенная.

Категории состояния древостоев

Влияние ветра на лес. l l Положительное влияние проявляется в следующем: l 1. С помощью ветра разносится пыльца (сосна, ель, береза, осина); l 2. С помощью ветра распространяются семена большинства древесных растений. Многие из них имеют специальные приспособления (крылышки, зонтики) для увеличения дальности разлета. l 3. Слабый ветер содействует газообмену, притоку СО 2 к кронам деревьев и при скорости до 3 м/с повышает интенсивность фотосинтеза, регулирует транспирацию. l 4. Ветер способствует перемешиванию охлажденных масс воздуха с более теплыми и тем самым уменьшает опасность образования радиационных заморозков. l 5. Раскачивание стволов деревьев ветром положительно влияет на развитие корневой системы. Ветер освобождает кроны от снежного покрова и перераспределяет снег на местности.

Влияние ветра на лес. l Отрицательное влияние ветра заключается в следующем; l Под влиянием сильного ветра у деревьев снижается скорость роста в высоту и усиливается прирост по диаметру, особенно в комлевой части. l Возникновение ветровала (деревья вываливаются с корнями).

ВЕТРОВАЛ Ветроустойчивость отдельных видов зависит от строения корневой системы. Выделяют три типа корневых систем: стержневая (сосна, дуб, береза); поверхностная (ель, пихта); переходная (основная часть лесообразующих пород). Древесные породы со стержневым корнем меньше других подвержены ветровалу. В наибольшей степени подвержены ветровалу породы, имеющие поверхностную корневую систему. 13

Меры повышения ветроустойчивости древостоев 1. создание смешанных древостоев с включением пород со стержневой корневой системой; 2. формирование ветроупорных опушек (удаление крупных, старых деревьев и деревьев с большой парусностью кроны с большим опрокидывающим моментом); 3. увеличение дренированности почв, что приведет к углублению корневых систем всех пород. 14

Влияние ветра на лес. l Бурелом – стволы деревьев ломаются на некоторой высоте

Отрицательное влияние ветра заключается в следующем; l Отрицательная скорость ветра начинает проявляться при скорости больше 5 м/с. Сильный ветер так усиливает транспирацию, что вода из почвы не успевает доходить до вершин деревьев. В результате гибнет их ассимиляционный аппарат (листья и хвоя) и образуется суховершинность.

ОВАЛЬНЫЕ СТВОЛЫ l Под влиянием постоянно дующего ветра годичные кольца вытягиваются по направлению движения ветра, в результате чего сердцевина оказывается не в центре ствола. Ствол становится в сечении не круглым, а овальным. 17

СБЕЖИСТОСТЬ СТВОЛА l Под влиянием сильного ветра у деревьев снижается скорость роста в высоту и усиливается прирост по диаметру, особенно в комлевой части. Поэтому деревья формируются кряжистыми, с резким переходом диаметра от комлевой части к вершинной, что характерно для деревьев, растущих на опушке (фото Н. В. Беляевой). 18

ОХЛЕСТЫВАНИЕ l Значительный вред лесу причиняет ветер, раскачивая деревья, когда ветви одного дерева охлестывают ветви другого, изреживая его крону. Особенно сильно охлестываются ветви сосны и ели ветвями березы (фото Н. В. Беляевой). 19

Лес и ветровые потоки 20

Лес и ветровые потоки l Лес трансформирует ветровые потоки. На расстоянии в 10 средних высот древостоя, скорость ветра начинает снижаться. l На удалении в 40 -60 м от опушки (при высокой сомкнутости полога, в густом древостое) скорость ветра гаснет полностью. l Первоначальная скорость ветра за полосой леса восстанавливается на расстоянии, равном 50 - кратной высоте древостоя (Н. С. Нестеров, 1908). l Это свойство лесных фитоценозов используется в поле- и почвозащитных полосах. 21

ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ l Молекулы некоторых веществ обладают способностью пропускать коротковолновое излучение и поглощать длинноволновое (инфракрасное). Таким свойством обладают трехатомные молекулы водяного пара, углекислого газа и кремнезема, из которого производится стекло. Этот эффект получил название парникового, или тепличного. Весьма небольшое количество углекислого газа в атмосфере (0, 03 %) задерживает до 18 % теплового излучения Земли, что удерживает среднюю температуру на нашей планете на довольно высоком уровне (Лосев, 1985). Естественно, что повышение концен трации СО 2 должно увеличить количество задерживаемого тепла и привести к повышению температуры. l

l Естественный парниковый эффект поддерживает атмосферу Земли в состоянии теплового баланса, благоприятного для существования животных и растений. Биота же и является естественным регулятором температуры, поскольку может испускать или поглощать С 02 благодаря сложному механизму обратных связей, который формировался и "настраивался" в течение миллионов лет. Антропогенный парниковый эффект, наоборот, нарушает сложившийся тепловой баланс в системе атмосфера гидросфера литосфера и может привести поэтому к катастрофическому повышению температуры Земли.

l Концентрация метана в атмосфере возросла по сравнению с наблюдавшейся (по косвенным данным) в 1750 г. в 2. 5 раза и продолжает увеличиваться. Ежегодные темпы роста концентрации С 02 замедлились, однако стали более изменчивыми в 90 е годы по сравнению с 80 ми. За время с 1750 г. концентрация закиси азота! выросла на 16 %. В результате осуществления рекомендаций Монреальского протокола и его дополнений концентрации ряда галогенуглеродных соединений, действующих как парниковые и озоноразрушающие газы, либо возрастали не так стремительно, как раньше, либо стали убывать. Однако был отмечен быстрый рост концентрации их заменителей и других синтетических соединений (например, перфторуглеродпых соединений PFC и шестифтористой серы SF 6).

Реконструкция колебаний содержания углерода и средней глобальной температуры земной поверхности (160 тыс. лет назад 2100 г. )

Значение воды l Вода – один из главных компонентов и источников питания растений. l Значение воды: l 1. Растворяет минеральные вещества почвы. l 2. Участвует в фотосинтезе, транспирации, поддерживает обмен веществ. l 3. Вода входит в состав клеток и тканей животных и растений. l 4. Изменяет температуру воздуха и почвы. l 5. Ослабляет солнечную радиацию. l 6. Усиливает или замедляет процессы роста и развития.

Виды осадков. l В природе вода находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. Источниками влаги для растений являются: l 1. Вертикальные атмосф. осадки – дождь, снег, град; l 2. Горизонтальные атмосф. осадки – туман, изморозь, роса, иней, ожеледь, образующиеся в результате конденсации водяных паров воздуха; l 3. Внутрипочвенная конденсация водяных паров; l 4. Грунтовые воды; l 5. Реки и другие пресные водоемы.

Виды осадков. l Вертикальные осадки – основной источник влаги для растений. Количество выпадающих вертикальных осадков обусловлено географической зональностью, климатом и рельефом местности. l Из горизонтальных осадков наибольшее значение как источника влаги имеют осадки, конденсирующиеся в летнее время из водяных паров воздуха в виде росы, а зимой – в виде инея.

Виды осадков. l От града нередко погибают посевы и посадки леса, обиваются листва, цветки, плоды, кора у деревьев. Изморось – образование на хвое, ветвях, значительной массы длинных ледяных игл, нитей, кристаллов, и особенно – ожеледь – образование льда на поверхности ветвей и стволов при резкой смене морозов оттепелью и дождливой погодой. l Снежный покров служит теплоизолятором, предохраняя почву от промерзания, а корневую систему растений, семена, всходы, подрост, почвенную фауну – от повреждения морозом. Однако, снег, задерживаясь на кронах, ломает сучья и вершины. От снеголома страдают, главным образом, молодые хвойные деревья (сосна, кедр) в возрасте жердняка. При большой густоте древостоя и сомкнутости полога происходит снеговал. Лиственные породы меньше повреждаются снеговалом, так как сбрасывают на зиму листья и имеют гибкие ветви.

l Минимальное количество осадков для роста и развития леса колеблется от 150 до 700 мм в год. Значение количества осадков для леса изменяется в зависимости от сочетания их с другими факторами и распределения от времени года. Так, в умеренном климате возможно произрастание леса при 400 мм осадков, а в Восточной Сибири – 200 мм в год. Здесь существенное значение имеет такой экологический фактор как тепло. При одном и том же количестве осадков в южной тайге на рыхлых бугристых песках лес страдает от недостатка воды, а в равнинных условиях от избытка влаги.

Отношение древесных пород к влаге. l Древесные породы по разному относятся к влажности воздуха. Различают требовательность древесных пород к влажности почвы и потребность во влаге. Потребность – это количество влаги, необходимое для нормальной жизнедеятельности деревьев. Потребность характеризуется количеством транспирируемой влаги при образовании 1 г сухого вещества. Этот показатель называется эвапорационным коэффициентом В основном она зависит от биологических свойств самой породы. Ряд убывания потребности во влаге : акация, береза, дуб, ель, сосна. l Требовательность к влаге – это отношение древесных пород к влажности среды и способность удовлетворять свои потребности при той или иной влажности почвы.

Отношение древесных пород к влаге. l По отношению к влаге древесные породы принято делить на следующие группы по Погребняку: l ультраксерофиты: саксаул, можжевельника, пушистый и пробковый дуб. l ксерофиты: (способные расти на почвах недостаточного увлажнения) сосна обыкновенная и крымская, айлант, лох, облепиха, абрикос, вяз мелколистный, самшит, ива. l ксеромезофиты: дуб черешчатый, клен полевой и остролистный, берст, гледичия, черешня, яблоня. l мезофиты (средние по требовательности к влажности почвы) – липа, лиственница, бук, каштан, береза повислая, осина, бук, кедровая и веймутовая сосны, пихта, ильм, лещина, бузина. l мезогигрофиты: вяз, береза пушистая, ольха серая, ива, черемуха. l гигрофиты (способные расти в условиях избыточного увлажнения) – болотистый экотип ясеня, черная ольха, кустарниковые березы.

Водный баланс в лесу l На распределение выпадающих осадков лес оказывает существенное влияние. l Пихтовые древостои задерживают кронами до 70 80%, еловые – до 55 60%, сосновые до 30%, лиственные до 15% осадков.

Водный баланс в лесу l Существует прямо пропорциональная зависимость между количеством задерживаемых осадков – полнотой древостоя и сомкнутостью крон. Высокопродуктивные древостои обычно задерживают больше осадков. Это связано во первых с более ранним смыканием крон в высокопродуктивных древостоях, во вторых с большим запасом органической массы.

Водный баланс в лесу l Осадки, задерживаемые пологом древостоя частично стекают на почву по стволам деревьев. Такие осадки обычно составляют около 1%(для хвойных) от выпавших и 3 5% (для лиственных пород). Наибольшее количество воды стекает по стволу бука в пределах 10%.

Водный баланс в лесу l Важную роль играет лес и в распределении твердых осадков. Изменения мощности снежного покрова под пологом леса происходит в древостоях разного породного состава. Однозначно признается благоприятное влияние на снегонакопление лиственных пород. Под пологом сомкнутых еловых лесов снега обычно меньше, чем на открытых местах.

Водный баланс в лесу l Прежде чем рассмотреть проблему, связанную с влиянием леса на влагу, необходимо иметь представление о водном балансе в лесу. Одна из известных формул предложена классиком русского лесоводства проф. Н. С. Нестеровым: l О=И+И 1+С+С 1+П+Р+Г+Ю, l где О общее количество выпадающих осадков; l И испарение влаги с поверхности растений; l И 1 – испарение влаги с поверхности почвы; l С – сдувание снежного покрова ветром; l С 1 сток воды с поверхности почвы; l П – влага, впитывающаяся почвой до предела насыщения; l Р – влага, поглощаемая растениями для роста и транспирации; l Г – излишек воды, который в силу тяжести просачивается в глубину почвы и питает грунтовые воды l Ю – вода ювениальная , просачивающаяся в недра земли и питающая артезианские воды.

Водный баланс в лесу l Перейдем к рассмотрению расходной части водного баланса – испарению и стоку воды. Одной из важнейших расходных частей водного баланса является испарение. Которое делится на три вида: l 1 – физическое испарение влаги с поверхности крон деревьев, составляющих полог древостоя, нижних ярусов растительности и т. д. l 2 – физическое испарение с поверхности почвы; l 3 – транспирация.

Водный баланс в лесу l Физическое испарение с крон деревьев проходит интенсивнее в 4 5 раз, чем транспирация и физическое испарение с поверхности почвы. Важное значение имеют при этом показатели этих элементов в годовом балансе влаги. l На интенсивность испарения влаги с почвы влияют: l увлажнение почвы, характер залегания грунтовых вод, l дефицит влажности воздуха и другие факторы. l На подпологовое испарение существенное влияние оказывает не состав и мощность подстилки, а живой напочвенный покров, его видовой состав, мощность и др. На подпологовое испарение влияет и механический состав почвы. Испарение влаги с песчаной почвы меньше, чем с суглинистой.

Порода Листова Средняя Транспирац я масса ежедневная ия транспирация, насаждений г/г годовая Интенсивность транспирации у лиственных пород, как Береза 4, 9 8, 1 430 480 правило, в повислая несколько раз больше, чем у хвойны х . Бук лесной 7, 9 3, 9 320 370 Сосна 10, 7 2 240 300 обыкновенная Ель 26, 1 1, 4 390 450 европейская

Водный баланс в лесу l Лес уменьшает поверхностный сток и переводит часть его во внутренний (внутрипочвенный, грунтовый). Однако характер влияния леса на поверхностный сток неоднозначен и зависит от почвенно грунтовых условий, рельефа, климата, состава, формы древостоя и других факторов. l Уменьшение поверхностного стока в лесу следующими причинами: l более выраженным микрорельефом по сравнению с открытыми местами, связанным, в частности, с присутствием пней, колод, валежа и т. д. l повышенной общей скважностью верхней части почвы из за наличия пустот образованных после отмирания корней, в процессе жизнедеятельности червей, фильтрующей ролью подстилки и меньшей промерзаемостью почвы и замедленным таянием снега.

Водный баланс в лесу l Поверхностный сток в значительной мере обусловлен структурой лесных насаждений (составом, формой древостоев). l Лиственные и смешанные леса играют большую роль в переводе поверхностного стока во внутренний, чем хвойные леса.

Водный баланс в лесу l Н. А. Вороноков делает следующие выводы о влиянии растительных сообществ на грунтовые воды: l 1. На почвах с неограниченной мощностью корнеобитаемой зоны и при лимитируемом увлажнении лес способствует истощению запасов грунтовых вод. l 2. На почвах с нелимитируемым увлажнением темнохвойные породы способствуют истощению влаги, значение лиственных близко к нейтральному. l 3. На почвах с ограниченной мощностью корнеобитаемой зоны в условиях промывного режима и глубокого залегания грунтовых вод лиственные леса способствуют влагонакоплению, густые хвойные леса истощению влаги, влияние смешанных незаметно.