Гидрологическая роль леса

      Итак, лес перераспределяет выпадающие осадки, задерживая их кронами древесных ярусов, а также хотя и в меньшей степени, нижними ярусами, стволами, поэтому не все осадки попадают в почву. К этому надо добавить еще неравномерность промачивания и промерзания почвы. Через просветы между кронами к почве попадает больше осадков, если они не перехватываются нижними ярусами. Имеются ещё два пути не только попадания, но и значительного проникновения осадков в почву: под периферийными частями крон (особенно при ниспадающем расположении ветвей) в виде методичного падения капель в одни и те же места (каплепад); у оснований стволов в результате стока по ним влаги. Влага, попадающая непосредственно на ствол или с кроны, частично стекает вниз, частично испаряется. Количество влаги, доходящей до почвы, зависит от поверхности ствола (гладкая, шероховатая, сучковатый или бессучковый ствол), а также от интенсивности дождя. Хотя по стволу стекает незначительная часть осадков - от 1 до 16 %, а при слабых дождях она равна нулю (Китредж, 1951), приствольное промачивание почвы играет важную роль в жизни леса. Оно имеет экологическое и общегидрологическое значение. Первое связано с влиянием на корневую систему - какая-то часть ее обеспечивается влагой, второе – возможным увеличением инфильтрации в глубинные горизонты почвы.

      Неравномерность промачивания почвы по отношению  к лесу в целом меняется в связи с наличием в лесу прогалин, просек, редин, пересекается с сомкнутыми древостоями. Распределение осадков на лесных прогалинах и других небольших открыты местах среди леса. Небольшие участки без деревьев в лесу (почвы, узкие лесосеки, тропинки, просеки) отличаются режимом влаги как участков, занятых деревьями и другими лесными компонентами, так и обширных открытых безлесных мест. В этих небольших участках до почвой доходит большее количество осадков по сравнению с их количеством в насаждениях. Попадающие на поверхность почвы осадки защищены от выдувания окружающими стенами леса, в отличие от такого влияния на них в открытой степи, на полях и лугах. Особенно заметное влияние такие места оказывают на отложение снега.

      Распределение снега, его накопление и таяние в лесу на лесные прогалинах и на больших открытых площадях происходит по-разному. Открытые площадки характеризуются крайне неравномерным распределением снега: с повышенных мест он обычно сдувается в пониженные (особенно в овраги, балки), накапливается вблизи ветрозащитных преград, в том числе у различных лесных полос, в наветренных частях опушек и т. д. Все это означает, что значительные площади открытой местности недополучают осадки, выпавшие в виде снега. Небольшие открытые участки внутри леса или участки, находящиеся между лесными полосами соответствующей конструкции, характеризуются равномерным размещением снега. Лесные прогалины просеки и тропинки отличаются и большей толщиной снега как по сравнению с лесопокрытой частью, так и с обширной безлесной территорией. Под пологом сомкнутого елового или пихтового леса весной снег исчезает позднее, чем в других древостоях. Однако в прогалинах и других небольших открытых местах, окруженных лесом, где больше накапливается снега, он может задерживаться дольше.

      Таким образом, снег весной сходит в следующей  последовательности: на открытых больших площадях (с колебаниями в зависимости от рельефа и экспозиции); под пологом леса (в зависимости от характера его); на небольших открытых участках среди леса (в зависимости от их размеров и географических условий). Лесные поляны и другие открытые места в лесу характеризуются и определенным режимом горизонтальных осадков, например, здесь, в отличие от сомкнутого насаждения на поверхности почвы образуется роса.

      Влияние леса на влажность воздуха.

      Различия  в лесу и вне леса проявляются главным образом в относительной влажности. В лесу она несколько выше. По средним показателям за год и по отдельным месяцам разница во влажности в лесу и в поле незначительна и составляет около 5 - 10 % (с колебаниями от 1 до 15 % относительной влажности и несколько более). Однако в течение суток различия в ее величине под пологом леса и на соседних открытых местах, особенно в дневные часы, могут быть выше. Под тенистым сомкнутым пологом днем относительная влажность воздуха обычно выше, чем на открытом месте, ночью ниже. От влажности воздуха во многом зависит и интенсивность испарения. 

 Лес и испарение влаги

      Испарение - важнейшая расходная часть водного баланса леса. Оно слагается из трех видов: физического испарения влаги, задержанной при выпадении осадков растениями (кронами деревьев, листовой поверхностью нижних ярусов и т. д.); физического испарения с поверхности почвы, транспирации.

      Влага, задержанная верхним пологом, быстро испаряется. Она может испаряться быстрее, чем с открытой водной поверхности и значительно быстрее (в 4-5 раз) по сравнению с интенсивностью транспирации в одних и тех же климатических условиях (Лейтон, 1970). Этому способствует повышенная турбулентность воздуха в связи с большей высотой, продуваемостью и шероховатостью лесного полога.

      Условия для, испарения с поверхности  почвы в лесу более затруднительны вследствие влияния верхнего полога леса и его нижних ярусов. Это влияние особенно проявляется благодаря ослаблению ветра. По наблюдениям, Н.С.Нестерова (1960), в летние месяцы с поверхности почвы в лесу влаги испаряется в 8 раз меньше, чем с поверхности почвы в открытом месте. Эта величина не может быть одинаковой в разных географических районах и разных по характеру лесах, но по ней можно судить о различии в испаряемости с поверхности почвы в лесу и вне леса.

      Значительное  количество влаги расходуется лесом на транспирацию. На ее величину влияют различия в характере леса.

      Имеющиеся в литературе данные, например для древостоев разного состава, разноречивы. Некоторые физиологи склонны лаже считать, что расход влаги сомкнутыми насаждениями очень мало зависит от их видового состава. Однако они не отрицают, что темпы иссушения почвы зависят от строения корневой системы и физиологических особенностей породы, но степень иссушения в конце вегетационного периода, по их данным, будет для разных пород почти одинаковой (Цельникер, 1964).

      Более определенно выявлена связь величины максимального транспирациоиного расхода с величиной испаряемости для данного места (т. е. количеством влаги, испаренной со свободной водной поверхности) и минимального - с запасом доступной влаги в почве. В соответствии с этим, как показала Ю.Л.Цельникер (1964), расход влаги на транспирацию может колебаться у сомкнутого леса умеренного климата в районах с разным гидротермическим режимом от 100 мм (для засушливых районов) до величины, близкой к испаряемости данного места. Этим же автором составлена сводка данных, характеризующих величину расхода влаги на транспирацию древостоев в разных климатических зонах земного шара. Она показывает, что только в дождевых тропических лесах расход не транспирацию равен испаряемости или даже превышает ее. В других районах этот расход меньше испаряемости и составляет от одной трети до половины годового количества осадков.

      Исключать влияние характера леса на величину расхода влаги на транспирацию и в пределах одного климатического района, по-видимому, нельзя, поскольку физиологией растений доказана зависимость транспирации от света, тепла и влажности почвы, а эти факторы варьируют в зависимости от характера леса. В сухой период у древесных пород с глубокой корневой системой транспирационная деятельность меньше нарушается (или даже совсем не нарушается), чем у пород с поверхностной корневой системой, и они легче переносят засуху. Примерами могут служить дуб (с глубокой корневой системой), способный переносить сухие периоды, и ель поверхностной корневой системой)- обитатель влажного климата и влажных почв, погибающая в крайне засушливые годы или сразу после даже в таежных районах.

      Насколько далеко продвинулось изучение транспирации отдельных растений, настолько еще  пока недостаточно разработана методика учета транспирации древостоя и насаждения в целом. На разрешение данной очень трудной задачи должны быть направлены объединенные усилия физиологов, лесоводов, климатологов, почвоведов. Из всех слагаемых суммарного испарения лесом основное место занимает величина расхода власти в виде физического испарения с поверхности, растительных компонентов (прежде всего с крон деревьев) и на транспирацию. Величины этих видов расхода влаги очень близки. Потери воды на физическое испарение с поверхности крон в густых хвойных лесах обычно больше транспирационного расхода, в лиственных же выше расход на транспирацию. Намного ниже этих двух величин расход на испарение с поверхности почвы под пологом леса.

      Итак, основной компонент леса - древостой испаряет влаги больше, чем соседнее поле, луг или другой вид открытой поверхности земли, не считая случаев применения интенсивной поливной культуры земледелия. Но это не означает, что лес «неэкономен» в расходовании воды и не является ее хранителем. 

 Лес и сток воды

      Различают поверхностный и внутренний (внутрипочвенный, грунтовый) стоки. Первый может вызывать эрозию почвы, разливы и другие неблагоприятные последствия, второй питает более постоянный сток межени. Большое значение имеет сокращение величины поверхностного стока и перевод части его во внутренний. Роль леса здесь, как подчеркивал еще Г.Н. Высоцкий, неоспорима. Эту неоспоримость подтвердили многочисленные исследования как в нашей стране, так и за рубежом, позволившие осветить многие особенности влияния леса на водный сток в различных климатических и почвенных условиях.

      Лес уменьшает поверхностный сток вод. Это уменьшение выражается в разных величинах: в одних условиях - в 2-3 раза, в других даже в 30-40 раз по сравнению с уменьшением стока полем, или лугом. Поверхностный сток в лесу уменьшается по мере перемещения с севера на юг в связи с большим поглощением лесной почвой талых вод. В Ленинградской области в лесу на суглинистой почве вода стекает в 2,5 раза меньше, чем с поверхности залежи, в Московской области талых вод стекает соответственно в 3 раза, в Воронежской - в 25-30 раз меньше, чем с открытых мест (Рутковский, 1949). Эти интересные данные иллюстрируют определенную географическую тенденцию. Но они не отражают всего многообразия явлений: во-первых, и в лесах Севера, как и в других районах, могут быть большие различия. Надо отдельно учитывать также горные районы. В высоко полнотных каштановых лесах Верхней Имеретин (Грузия), например, потери на поверхностный сток по сравнению с потерями на открытых участках сокращаются в 5-6 раз, по сравнению с другими насаждениями - в 1,5-2,5 раза (Двалишвили, 1971). Отдельные показатели из разных районов не всегда позволяют точно представить общую картину. С другой стороны, оценка влияния, леса на сток вод в определенной местности зависит и от лесистости, общей площади лесов, их территориального размещения, в том числе расположения по отношению к речным системам.

      Применительно к большим территориям, охватывающим лесные и безлесные участки, целые  водосборы, многое еще остается невыясненным, дискуссионным. Более определенно, хотя и не полностью, выяснена природа стока воды и факторы, влияющие на нее непосредственно в лесу. Поверхностный сток воды в лесу уменьшается вследствие: неравномерности поверхности-почвы, выраженности микрорельефа (наличие кочек, пней, колод, небольших западинок и т. д.); слабого промерзания почвы; образования в почве макропустот (на месте сгнивших корней, ходов землеройных животных и др.); влияния подстилки, играющей роль фильтра при прохождении влаги сверху вниз и препятствующей ее передвижению в наклонном направлении. Все это способствует быстрому просачиванию воды в почву, т. е. переводу поверхностного стока во внутренний. Причиной уменьшения стока в лесу является также замедленная интенсивность снеготаяния.

      Уменьшение  поверхностного стока воды означает и уменьшение выноса почвы из леса. В этом проявляется почвозащитная роль леса и роль его как очистителя воды, попадающей в реки в виде внутреннего стока. Особенно значительна защитная роль леса в горах при ливневых осадках, таянии снегов, снежных обвалах. Своеобразие отложения и режима таяния снегового покрова в лесу, превращение поверхностного стока во внутренний способствуют более равномерному поступлению воды в реки, ослаблению опасности наводнений и обмелений. В этом проявляется водорегулирующая роль леса.

      В отдельных районах с высоким  потреблением и острым дефицитом  воды могут проявляться и некоторые  отрицательные явления в связи  с высокой влагопоглотительной способностью леса, в том числе вследствие перевода поверхностного стока во внутренний. В некоторых странах рассматривают связанные с этим явления неблагоприятного водного баланса и разрабатывают мероприятия по его улучшению, в том числе путем соответствующих способов рубок, ограничения посадок деревьев в непосредственной близости водоемов. Планы облесения составляются с учетом водного баланса. Для районов полезащитного лесоразведения, в том числе и в нашей стране, большое научное и практическое значение имеет разработка оптимальных параметров защитных лесных полос (их размеров, конструкции, размещения). 

 Лес и уровень грунтовых  вод

      В лесоводстве к 30-м годам утвердилось  положение, что лес иссушает почву в зоне проникновения корней и понижает уровень грунтовых вод. Специальные исследования, по изучению грунтовых вод были проведены П.В. Огоцким (1905) в экспедиции В. В. Докучаева, установившим, что уровень их в лесу всегда ниже, чем за пределами леса. На основе этих и личных исследований Г.Н. Высоцкий пришел к заключению, что усиленная десукция (отсасывание) почвенно-грунтовой влаги лесом значительно понижает под ним уровень грунтовых вод на равнинах. В отношении же гор им сделан вывод об увлажняющей роли леса. В результате Г.Н.Высоцким был сформулирован тезис: «Лес сушит равнины и увлажняет горы» (1932), ставший широко известным в лесоводстве, гидрологии, почвоведении и других смежных областях.

      Этот  тезис в дальнейшем стал подвергаться пересмотру. Вторая его часть и  сегодня не утратила своего значения, первая же половина тезиса начала оспариваться еще в 30-х годах этого столетия.

      Появились разноречивые материалы. М.Е. Ткаченко (1939, 1952) высказал положение, что в различных географических районах, а в пределах района на разных почвах, в разных типах леса, в разное время года и т. д влияние леса на влажность почвы, на уровень грунтовых вод неодинаково. Лес может не только понижать, но и повышать уровень грунтовых вод, или разница в уровнях в лесу и вне леса в ряде случаев может быть незначительной. Это было экспериментально подтверждено последующими исследованиями (Басов, 1948; Молчанов, 1961; Рутковский, 1949; Воронков, 1970). В.И. Рутковский пришел к выводу, что высокопроизводительные леса, произрастающие на суглинках, расходуют влаги примерно на 40% больше безлесных (залежных) пространств, а леса малопроизводительные, молодняки, сосновые насаждения на песках, расходуют столько же или меньше, чем залежи. А.А. Молчанов (1953) установил, что в сосновом бруснично-чернинном типе леса Прокудина бора (Московская обл.) уровень грунтовой воды и летом в лесу стоял выше, чем вне леса. В своих последующих исследованиях он показал различия во влиянии леса на уровень грунтовых вод в более широком географическом диапазоне.