2. Ліс і сонячна радіація

 

2.1. Характер сонячної радіації, її поглинання лісом

 

Основним джерелом енергії, що обумовлює природні процеси у біосфері Землі, є Сонце. Воно забезпечує широтне поясне прогрівання земної поверхні, циркуляцію повітря в атмосфері тощо.

Джерелом світла на планеті є сонячна радіація, вона вимірюється Сонячною константою — кількістю енергії, що припадає на 1 см² по­верхні, перпендикулярної до променів. Для умов Європи константа ста­новить 7,74 Дж/ см² • хв. Сонячна радіація, яка надходить на верхню гра­ницю атмосфери Землі, частково відбивається, а також поглинається самою атмосферою, хмарами, рослинним покривом земної поверхні та самою Землею. Відбита у космічний простір радіація (альбедо) складає приблизно 1/3 від загальної енергії. За довжиною хвиль спектр сонячної радіації поділяють на ультрафіолетові промені, які практично повністю поглинаються атмосферою, видимі промені та ближні інфрачервоні. Промені з довжиною хвиль у 0,4-0,7 мкм складають видиму частину спектра (світло). Вони становлять приблизно половину сумарної радіації, яка надходить на земну поверхню. Але чим нижче Сонце від зеніту і чим товща атмосфера, тим менше видимих променів надходить на поверхню Землі. Тому, чим нижче Сонце над горизонтом, тим менше надходить ультрафіолетових променів до поверхні планети і тим більше — інфрачервоних. Сама атмосфера поглинає значну частину сонячної енергії. Причому, при суцільній хмарності до земної поверхні надходить на 1/3 — 1/2 менше радіації, ніж у безхмарні дні при однакових інших умовах. На кількість радіації, що надходить на земну поверхню, впливає ухил і експозиція поверхні. У північній півкулі схили, зорієнтовані на південь, отримують радіації більше, ніж північні, західні та східні.

Навколишнє середовище через кліматичні фактори надає енергію усьому живому на Землі. Потік енергії впливає на температуру рослин, разом з земним випромінюванням забезпечує конвекцію та транспірацію. Отримана рослинами енергія може накопичуватись у вигляді тепла або під дією фотосинтезу перетворюватись у фотохімічну і т. п. Залишок енергії вважається нетто радіацією.

Вплив лісу на процес поглинання радіації — значний. Лише незначна частка радіації у густому лісі досягає поверхні ґрунту. Так, у широ­колистяному лісі вона становить усього 1-5%, а після листопаду — збільшується до 50-80%. У густих ялинових лісах до поверхні ґрунту доходить усього 2,5% загальної освітленості сонцем.

Листя дерев пропускають від 10 до 25% сонячної радіації, яка надходить на їх поверхню.

Якість радіації під пологом лісу залежить від оптичних властивостей листя та частки радіації, яка надходить через просвіти у полозі лісу. Більш високу здатність пропускати промені мають хвойні породи, а листяним притаманна більша вибірковість певних променів. Найбільше листя пропускає зелених, а зранку — червоних променів. Менша здат­ність листя до поглинання і підвищена до відбиття променів, порівняно з хвоєю, використовується при дистанційному моніторингу у мішаних лісів за допомогою аерофотозйомки.

2.2. Ліс і світло

 

Світло, як форма сонячної енергії, використовується зеленими рослинами, у тому числі і деревними, для перетворення променистої енергії в енергію хімічних зв'язків органічних речовин у результаті фотосинтезу. Щорічно завдяки фотосинтезу на земній кулі утво­рюється близько 150 млрд. т органічних речовин. При цьому засвоюється близько 300 млрд. т вуглекислого газу та виділяється 200 млрд. т вільного кисню. Зімкнуті ліси помірної зони за вегетаційний період здатні поглинати 20-25 т*га^-1 С0₂ і виділяти 15-18 т*га^-1 кисню. При цьому в них утворюється 14-18 т*га^-1 органічних речовин.

Зелене листя і хвоя використовують для фотосинтезу не всі промені сонячного спектру, а лише ті, що належать до фотосинтетично-активної радіації (ФАР) з довжиною хвилі у межах 0,38-0,71 мкм. Інші промені спектру мають своєрідне значення: ультрафіолетові з довжи­ною хвилі 0,29-0,38 мкм — гальмують ростові процеси, а ближня інфра­червона радіація з довжиною хвилі 0,71-4,00 мкм — переважно створює тепловий ефект через поглинання її водою клітин.

К. А. Тімірязєв у свій час встановив, що вирішальну роль у процесі фотосинтезу відіграють теплові промені — червоні, оранжеві (жовто­гарячі), жовті і в незначній мірі — зелені. Фіолетові, сині та голубі приймають участь у процесах росту. Сонячне світло впливає на транспірацію і ряд інших фізіологічних процесів у рослинах. На процеси фотосинтезу витрачається в середньому 28% ФАР.

Професор Л.О. Іванов вважав світло головним важелем, який використовує лісовод при лісовирощуванні для зміни екологічної обстановки у насадженні.

Характер освітлення крон у лісі залежить як від надходження радіації — прямої чи розсіяної (дифузної), так і від породного складу, віку та будови самого насадження. Якщо у середніх широтах освіт­леність на відкритому місці становить у ясний день 150-200 тис. лк, то під пологом діброви вона дорівнює 1 — 2 тис. лк, у сосняку — вдвічі більше. Верхні частини крон дерев при ясній погоді освітлюються прямим промінням, а нижні — розсіяним, яке становить 1/3-1/8 частину сумарної радіації. У похмуру погоду великої різниці в освітленні верхніх і нижніх частин крони немає.

Від освітленості залежить процес листоутворення і гілкування крони, формування габітусу, який притаманний тій чи іншій деревній породі. Внаслідок взаємного притінення дерев у лісовому насадженні формується тіньове листя (хвоя), від частки якого залежить продук­тивність фотосинтезу, відмирає частина гілок, іде процес очищення стовбурів від сучків. При вирощуванні лісових насаджень усі ці процеси спрямовуються за допомогою регулювання освітлення. Це досягається своєчасним, продуманим проведенням рубок догляду. При цьому можна добитися підвищення продуктивності фотосинтезу, регулюючи індекс листяної поверхні, тобто відношення площі поверхні листя (хвої) до площі, зайнятої лісостаном. Для наших умов індекс не повинен бути більшим за 4, бо це не призведе до підвищення продуктивності фотосинтезу.

Оскільки світло впливає на рясність плодоношення, то при формуванні лісонасіннєвих ділянок і плантацій потрібно розріджувати їх до такого стану, щоб дерева переважно освітлювалися прямими променями. Це позитивно впливає на рясність плодоношення та якість насіння.

Ліс, як оптична система, впливає на якість освітлення під його пологом. Світло під пологом лісу збіднене на фотосинтетично-активну радіацію (ФАР) порівняно зі світлом відкритого місця. Якщо на відкритому місці ФАР складають 50% радіації, то під пологом сосняка 30, а молодого дубняка — 10. Кількісні та якісні зміни в освітленні під пологом лісу впливають на характер підпологової рослинності, стан природного поновлення тощо.

З лісівництва відомо, що різні деревні породи по-різному від­носяться до світла. Одні з них світловибагливі, інші тіньовитривалі. Це потрібно враховувати при веденні господарства у насадженнях, створених першими та другими породами. Крім того, ведення госпо­дарства у насадженнях із різних деревних порід потребує врахування притаманного їм фотоперіодизму. Особливо це стосується деревних порід — екзотів.



2.3. Ліс і тепло

 

Промениста енергія Сонця надходить на поверхню Землі у вигляді не тільки світлових, але і теплових променів, які поєднуються між собою. Тобто, світло і теплові промені діють сукупно. Однак значний вплив земного випромінювання і циркуляції повітря на рівень та розподіл тепла викликає необхідність розгляду сонячного тепла і температури повітря окремо від сонячної радіації та світла.

Середньорічна температура повітря будь-якої місцевості є функцією сонячної радіації, яка надходить на поверхню Землі, з урахуванням вторинних переносів тепла, що виникають у результаті випромінювання поверхнею та циркуляції повітря. Вдень температура повітря підвищується, а вночі - знижується, причому на температуру повітря впливає кількість тепла, яку вдень поглинули наземні об'єкти і атмосфера. Впливає і випромінювання тепла в атмосферу. Теплові умови певної ділянки залежать також від широти і висоти над рівнем моря, віддаленості від океану, сезону року, а в гірській місцевості - від крутості та експозицій схилу. Атмосфера Землі у нічні часи не тільки поглинає теплові промені, але і відбиває їх, зменшуючи втрати тепла земною поверхнею. У цілому ж тепловий режим місцевості залежить від річного та добового ходу сумарної радіації. На практиці теплові показники місцевості оцінюють через температуру повітря і ґрунту.

У лісі, коли дерева повністю покриті листям, екстремальні темпе­ратури повітря, як правило, нижчі, ніж за межами лісу. Зменшення припливу радіації до лісу (під полог) спричиняє деяке зниження се­редньорічної температури повітря. Зімкнутий лісовий полог затримує до 95% світла і більшу частину радіаційного тепла (близько 80%), яке надходить на поверхню. Саме цим, у першу чергу, і пояснюється утворення особливого лісового фітоклімату ("лісової обстановки"), який різко відрізняється від клімату сусідньої відкритої місцевості.

Полог лісу відокремлює повітряний простір, який знаходиться нижче від нього, чим порушує турбулентну циркуляцію повітря між лісом і шаром атмосфери, що знаходиться над ним. Це і створює у лісі особливий повітряний і тепловий режим.

Затримання теплових променів пологом (кронами) перешкоджає нагріванню поверхні ґрунту та приземного повітря, тому лісовий ґрунт улітку має нижчу температуру, ніж ґрунт відкритого місця, до глибини 1,0-1,5 м. Взимку лісовий ґрунт, навпаки, тепліший за польовий не тільки під хвойними насадженнями, але і під листяними, головним чином, через лісову підстилку. У середньому лісовий ґрунт холодніший за польовий на 1,0-1,5°С, але взимку — тепліший на 0,5-1,0°С.

Чим континентальніший клімат місцевості, тим більш суттєво впливає ліс на температурні умови під його пологом. Цей вплив послаблюється при зрідженні деревостану. При повноті 0,6 і нижче у світлолюбних порід та 0,4 і нижче у тіньовитривалих температурний режим під пологом наближається до умов відкритого місця. Те ж саме спостерігається на полянах і вирубках. Поляни і суцільні вирубки, які оточені щільною стіною лісу, відрізняються застоєм повітря та більш контрастним ходом температур порівняно не тільки з лісостаном, але і з відкритим простором. У цих місцях виникають температурні крайності, що шкодить процесу поновлення лісу через заморозки. Поновлюються породи, які не бояться заморозків (береза).

Для більшості деревних порід помірної зони процеси життєдіяльності розпочинаються після зимового спокою при переході серед­ньодобової температури через 0°С. Сокорух та ріст коріння починаються мри температурі дещо вищій за 0°С. Зовнішні ознаки життєдіяльності (розкриття бруньок) спостерігаються при переході температури повітря через +10°С. Оптимум фотосинтезу знаходиться у межах 20-30°С і припиняється при +40°С. Це — середні показники. Для більш тепло­любних рослин початок вегетації потребує тривалого прогрівання.

Для широти м. Києва П. С. Погребняк наводить наступну послідов­ність початку вегетації у деревних порід: шелюга та інші верби, модрина, береза, черемха, осика, липа, вільха чорна, каштан кінський, клен гостролистий, явір, дуб ранній, граб, ясен, дуб пізній, катальпа, гледичія, акація біла, айлант, софора японська.

Яким же чином лісовод може регулювати дію теплового фактора на ліс? Перш за все потрібно чим швидше поновлювати вирубки. Це створює лісову обстановку, яка практично виключає шкідливу дію заморозків. При цьому потрібно враховувати, що у місцях, де накопи­чуються холодні маси повітря і можливе пошкодження заморозками молодих рослин, поновлення головних порід доцільно здійснювати під захистом тих, які не пошкоджуються заморозками, наприклад берези. По-друге, на відкритих місцях — полянах, вирубках, оточених дорослими високоповнотними лісостанами та ще й зі щільним узліссям, реко­мендується не створювати лісові розсадники і шкілки місцевого значення (у масштабі лісництва). У таких місцях сіянці і молоді рослини у шкілках можуть не тільки пошкоджуватись заморозками, але і гостро відчувати негативну дію осоння влітку. По-третє, при вирощуванні лісових наса­джень із деревних порід, які мають понижену стійкість до вкрай низьких температур, при вираженому рельєфі їх доцільно висаджувати на схилах північної та західної експозицій. На таких схилах стовбури дерев після сильного охолодження прогріваються повільніше, що дозволяє уникати морозобійних тріщин.

Практично вироблені й інші заходи — напрям головних рубок суцільнолісосічним способом, ширина лісосік тощо, які, враховуючи ті чи інші місцеві умови, зменшують негативні явища на вирубках, чим сприяють швидкому їх поновленню, створенню лісової обстановки.