4. Ліс і волога

 

4.1. Значення вологи для лісу і її джерела

 

Вода необхідна для рослин як будівельний матеріал клітин та тканин, а також для життєдіяльності плазми, підтримання клітинного тургору, переміщення поглинутих корінням з фунту речовин у крону та пластичних речовин з асиміляційного апарату до інших органів рослин, для транс­пірації, яка в значній мірі захищає рослину від дії високих температур.

Першоджерелом забезпечення лісів вологою є опади холодного періоду року: сніг, іній, ожеледь. Джерелами вологи в лісі є також опади літнього періоду, ґрунтові води, що утворилися від опадів зимового та літнього періодів, води річок та прісних озер.

Вода завжди знаходиться в атмосфері у вигляді водяної пари. Її маса в одиниці об'єму становить абсолютну вологість, яка вимірюється у мілібарах або міліметрах ртутного стовпу, а процентний вміст пари вказує на відносну вологість. Пароутримуюча здатність повітря зале­жить від температури. Так, при температурі +27°С повітря може утри­мати у 2 рази більше вологи води, ніж при 16°С, хоча відносна вологість може бути в обох випадках рівною 100%.

Різницю між максимальною та фактичною пружністю водяної пари при однаковій температурі і тиску називають дефіцитом вологості повітря.

Між деревними рослинами і атмосферою відбувається обмін водяною парою. Якщо тиск водяної пари у рослині вищий ніж тиск у атмосфері, то волога із рослини надходить у атмосферу. Це спосте­рігається вдень, коли не йде дощ. Якщо ж картина зворотна, то волога може надходити із атмосфери у рослину, наприклад, при випаданні дощу або коли листя покрите росою. При рівному тиску в атмосфері і рослині також іде вологообмін. Це відбувається вночі.

У звичайних умовах росту повітря, що знаходиться всередині листя, насичене вологою більше ніж зовнішнє, тому водяна пара надходить у навколишній простір. Це явище називається транспірацією. Інтенсивність транспірації залежить від температури рослини, повітря, відносної вологості повітря та його руху на межі листя. Транспірація — основний процес, який відображає залежність рослин від води, бо вона забезпечує енергетичний градієнт, який викликає переміщення води у рослинах та її вихід у атмосферу. Транспірація також викликає дефіцит води у рослинах, що може негативно впливати на їх ріст і, навіть, призводити до загибелі (при певних умовах). Транспірація з поверхні листя дає можливість переміщення вологи до вершин високих дерев, поповнюючи у той же час атмосферу вологою. Опади прямо або опосереднено поповнюють запаси води у ґрунті.

Таким чином, кругообіг води є невід'ємною частиною кругообігу елементів живлення. Це — важливо для розуміння екології лісу.

Для нормального росту деревних рослин потрібно, щоб у ґрунт безперервно надходили волога і повітря. Як правило, великі за розміром порожнини у фунті заповнює повітря, а малі - вода. Оскільки надхо­дження води і повітря прямо протилежні, то при збільшенні надходження одного зменшується надходження другого.

Вміст вологи у фунті залежить від його водоутримуючої здатності. При повному насиченні фунту водою вона розподіляється на три чітких категорії: гравітаційна вода заповнює більші за розміром пори; капілярна знаходиться у вигляді плівок навколо фунтових агрегатів; гігроскопічна вода. Перша категорія доступна для рослин у короткий період, друга — має здатність переміщуватися від більш зволожених ділянок до менш зволожених, вона споживається рослинами довше, а гігроскопічна вода — недоступна для рослин.

Дослідженнями встановлено, що розповсюдження лісів на планеті залежить від кількості опадів. Ліси зростають там, де опадів випадає 400 мм і більше на рік і не ростуть при меншій сумі опадів. Г.М.Висоцький ще в 1895 р. запропонував для визначення межі поширення лісів лісову ксерохору, що визначається величиною відношення річної кількості опадів до величини випаровуваності за Вільдом, що дорів­нює 1,0. Цей показник Г. М. Висоцький назвав омброевапорометричним корелятивом (ОК).

Ліс росте там, де показник рівний 1,0 і більше, а в степу він зни­жується до 0,3. Пізніше, коли з'явилися можливості більш точно визна­чати випаровуваність, межі розповсюдження лісу визначалися іншими величинами, але ОК був першим за часом вдалим цифровим показ­ником.

В умовах України річна сума опадів зменшується у напрямку з північного заходу на південний схід. Важливе значення для лісу має можливість використання опадів. Нерівномірність випадання (великі періоди без дощу) можуть згубно діяти на ліс. Негативний вплив може бути і від надлишку вологи. Так, при надмірному зволоженні ґрунту утворюються шкідливі для рослин сполуки заліза та алюмінію, зни­жується активність нітрифікуючих бактерій, утворюється дефіцит кисню у корененаселеному шарі ґрунту.

Вплив опадів на ліс залежить від їх характеру. Сніг є не тільки джерелом зволоження ґрунту, але й теплоізолятором, який захищає коріння рослин від низьких температур, насіння — від пошкодження, зберігає ґрунтову фауну. Насіння таких порід, як ялина, переноситься по поверхні снігу (насту) на досить значні відстані. Але, накопичуючись у кронах, особливо, коли сніг випадає мокрим, а температура повітря знижується, - він примерзає до хвої. Відбувається пошкодження дерев у вигляді сніголому та сніговалу. Від сніголому більш пошкоджуються сосняки, гілля яких та стовбури непластичні, від сніговалу — ялинники у віці жердняків. Зимньоголі ліси часто пошкоджуються ожеледицею (бук, тополі).

Вологість повітря впливає на ліс як позитивно, так і негативно. При вологості нижче 40% різко підвищується транспірація дерев, може трапитись передчасне усихання листя і навіть відмирання окремих дерев. Висока вологість повітря призводить до прискореного поширення і розвитку захворювань.

Ліс впливає на вологість повітря, підвищуючи її влітку порівняно з відкритим простором на 10-14%. У самому лісостані вологість повітря найвища над поверхнею фунту і найменша біля верхівок крон дерев.

 

4.2. Специфіка споживання води деревними рослинами

 

Значення вологи, як екологічного фактора, для деревних рослин багато чим відрізняється від ролі світла. Сильний ріст у висоту дає деревам великі переваги у боротьбі за світло, але у боротьбі за вологу вони поступаються менш високорослим рослинам. Деревам набагато складніше забезпечувати крону водою, бо вона піднята над поверхнею землі на десятки метрів. Тому деревна рослинність і зростає у природних угрупованнях лише там, де випаровуваність у вегетаційний період не перевищує кількість опадів. Крім того, деревні породи, на відміну від трав'яних рослин, транспірують вологу і взимку, коли немає її надхо­дження із фунту. Проф. Л .О. Іванов провів спеціальні дослідження на дере­вах сосни і берези, які дали можливість вияснити механізм підняття вологи від коренів до крони. Підсумком цих досліджень є те, що для піднімання води від коріння до крони існують два "двигуни": перший створює кореневий тиск, що у листяних порід викликає весняний "плач", а влітку діє менш інтенсивно, а другий — транспірація, завдяки якій волога "всмоктується" кроною. Стовбур дерева у цьому процесі відіграє роль провідника і резервуара для запасів вологи, адже він наполовину пред­ставлений водою. Причому вологість стовбура менша біля окоренка і вища у верхній частині, вологість у цілому підвищується восени.

Транспірація деревними рослинами забезпечує надходження до органів, які ростуть, необхідних поживних речовин, охолоджує листя, не допускаючи їх перегрівання. Але вона часто буває надмірною. Для фотосинтезу ж витрачається лише незначна частка тієї вологи, яка надходить у крону.



4.3. Відношення деревних порід до вологи

 

Різним деревним породам властива неоднакова здатність отри­мувати вологу з фунту. До того ж не всяка ґрунтова волога у рівній мірі доступна рослинам. Так, гравітаційна волога, що заповнює найбільші за розміром пори ґрунту, є найдоступнішою, але вона дуже рухлива, її споживання короткочасне. Капілярна волога, яка знаходиться у капі­лярних проміжках і переміщується під дією сил поверхневого натягу, довготривалий час може споживатись рослинами, якщо вона утри­мується силами, меншими за гігроскопічну вологу, тому вона є найбільш важливою для них.

Інші види вологи у ґрунті — адсорбована, колоїдна, гігроскопічна — недоступні для рослин. Доступність ґрунтової вологи залежить від механічного складу ґрунту. Чим він важчий, тим більшу частку вологи утримує у вигляді недоступних для рослин формах.

Питання споживання води деревними рослинами цікавило вчених — лісоводів давно і не тільки заради пізнання природи лісу, але і за ради практики лісорозведення та лісовирощування. Для вивчення водо­споживання Клаубрехт, Гартіг та Ебермайєр ставили різні досліди, які дозволили опрацювати шкали відношення деревних порід до вологи. Австрійський вчений Гьонель поставив трирічний досвід з молодими рослинами, що дозволило йому побудувати такий послідовний ряд за інтенсивністю транспірації: ясен, береза, бук, граб, в'яз, дуб, клен звичайний, ялина, сосна звичайна, ялиця, сосна чорна (за зниженням транспірації). Дослід Гьонеля пізніше використав Г. М. Висоцький, але отримані ним результати виявилися недійсними. О. О. Молчанов вста­новив, що транспіраційні витрати сосняків становлять не 40-50 мм у рік на 1 га, а в 4-5 разів вищі.

Спираючись на дослідження Л. О. Іванова, Г. Ф. Морозов прийшов до висновку, що про споживання вологи окремими деревними поро­дами свідчить сукупність ознак, зокрема інтенсивність, продуктивність та економічність транспірації. Інтенсивність він розумів як кількість транспіраційної води, що припадає на одиницю площі (або маси) листя; продуктивність - на одиницю приросту деревини, а економічність — на кількість висхідного запасу води у листі або в усьому дереві. Вста­новлено, що близькі за інтенсивністю транспірації сосна і ялина відріз­няються за економічністю: сосна у 2 рази економніше транспірує вологу, ніж ялина.

Г. Ф. Морозов увів такі поняття, що характеризують деревні породи: потребу у волозі та вибагливість до неї.

Потреба у волозі — це кількість вологи, яка необхідна рослині для підтримання тургору у клітинах, нормального ходу фізіологічних процесів (фотосинтезу, дихання, ін.), захисту від перегрівання, обміну речовин між різними органами тощо.

Вибагливість до вологи — це відношення деревних порід до вологості місцезростання, тобто здатність отримувати необхідну кіль­кість вологи з ґрунту у тих чи інших умовах.

П. С. Погребняк підкреслював, що вільха чорна, як порода з великою потребою вологи, росте тільки у вологих місцях, а тополя може рости і в інших. Тобто, вільха чорна має не тільки велику потребу у волозі, але і високу вибагливість до неї.

Потреба у волозі сосни, ялини та ялиці майже однакова, але вони дуже різняться між собою за вибагливістю: сосна, завдяки широко і глибоко розгалуженій кореневій системі, невибаглива до вологи, а дві інші породи — навпаки.

У лісівництві існують різні шкали відношення деревних порід до вологи. Вони складалися з урахуванням різних факторів — географічного розселення видів, відношення до посухи, перезволоження ґрунту тощо. Найбільш повна шкала запропонована П. С. Погребняком. Вона об'єднує деревні породи у шість груп за поступовим зростанням вибагливості до вологи. Це — ультраксерофіти (крайні сухолюби), ксерофіти (сухолюби), ксеромезофіти, мезофіти, мезогігрофіти, гігрофіти.

У практиці лісового господарства, особливо у південних районах, потрібно ретельно враховувати відношення деревних порід до посухи. Посуха визначається тривалістю бездощового періоду. У цей час фактичні витрати води рослинами різко знижуються порівняно з можливими у нормальних умовах. Практичне лісовирощування та лісорозведення у посушливих умовах базується на підборі посухостій­ких деревних порід, які мають могутню кореневу систему.

4.4. Вплив лісу на водний баланс території

 

Водний режим лісу залежить від сукупності явищ, що визначають надходження атмосферних та ґрунтових вод, використання їх лісом,

а також переміщення води всередині лісу та за його межами. Водний режим лісу характеризується водним балансом у системі атмосфера — лісова рослинність — ґрунт для конкретної ділянки за конкретний період, найчастіше за рік.

Оскільки вода має виключне значення у житті і діяльності людини, її надходження та використання цікавило багатьох вчених. Стосовно лісу потрібно згадати роботи Г. М. Висоцького, М. С. Нестерова, О. А. Роде, О.О.Молчанова та багатьох інших, в тому числі зарубіжних — Бюргера, Флемінга, Баумгартнера. Ми зупинимося на уявленні про водний баланс за працями Г. М. Висоцького та М. С. Нестерова.

Для розуміння складових водного балансу у лісі необхідно уявити собі механізм процесів, що відбуваються з водою при її надходженні та витратах. Частина опадів проходить через проміжки у полозі лісу, досягаючи поверхні ґрунту, певна частина затримується кронами дерев та рослин нижніх ярусів. Різниця між кількістю опадів над пологом лісу і тими, що досягли поверхні ґрунту, називається інтерцепцією (затримання опадів). Вона залежить від складу деревних порід, будови лісового пологу, інтенсивності та тривалості опадів. В ялинниках інтерцепція може становити 30-40%, у листяних лісах — 10-20%. Частина затриманих опадів стікає по стовбурах. Величина такого стоку залежить від шершавості стовбурів — у гладкокорих стік більший і, наприклад, у берези дорівнює 3-4% від кількості опадів.

Трав'яний та моховий покрив також затримує до 5-6 мм опадів, а лісова підстилка може акумулювати до 10 мм опадів або талої води. Підстилка поступово втрачає цю вологу, яка всмоктується ґрунтом. Велика шпаруватість лісових ґрунтів та менше їх промерзання взимку забезпечує кращу фільтрацію води, порівняно з полем, та її над­ходження у глибинні горизонти, що й живить підземні води.

Витрата води лісом відбувається як за рахунок випаровування її з поверхні рослин та ґрунту, так і за рахунок десукції і наступної транс­пірації. Ліс порівняно з іншими рослинними формаціями відрізняється більшим сумарним випаровуванням води. Максимальну кількість води випаровують хвойні насадження у віці 40-60 років. Вирубування хвойних лісів і наступна зміна порід на листяні зменшує витрати води, а при відсутності поновлення лісу може статися заболочення території, якщо рівень ґрунтових вод високий.

Г. М. Висоцький спрощено виразив баланс вологи формулою: опади дорівнюють стоку плюс випаровування, плюс буфер. Кожну складову балансу він детально розшифрував. Опади — це як спадаючі, так і горизонтальні опади, а також надходження води через поверхневий стік, ґрунтові води та внутрішньо-ґрунтову конденсацію водяної пари.

Стік — поверхневий, винос снігу, надходження у ґрунтові води, глибинний стік.

Випаровування — фізичне випаровування з поверхні рослин, ґрунту, снігу, транспірація та витрати на органічний синтез.

Буфер — вологість ґрунту та запас ґрунтових вод.

М. С. Нєстєров запропонував більш детальну формулу водного балансу:

 

О=І + І'+С + С'+П + Р + Г+Ю,

 

де О — опади та конденсаційна волога у ґрунті;

І — випаровування опадів з поверхні рослин;

І' — випаровування з поверхні ґрунту;

С — стік води по поверхні ґрунту;

О — здування снігу;

П — ґрунтова волога при повному його насиченні;

Р — засвоєна рослинами волога та транспірація;

Г — волога, що поповнила ґрунтові води;

Ю — ювенальна волога (поповнює артезіанську).

Вплив лісу на внутрішнє і зовнішнє середовище через дію на надходження води і її витрати залежить від кількісних показників складових водного балансу. Нормально сформований ліс практично виключає можливість поверхневого стоку на рівнині, значно його зменшує при вираженому рельєфі. Це виключає ерозію ґрунту.

Переважаючи за сумарним випаровуванням іншу рослинність, ліс зволожує повітряний басейн території.

4.5. Гідрологічна роль та водоохоронне значення лісів

 

Гідрологічна роль лісів, тобто вплив на водний режим території, залежить від її географічного положення. У північних широтах ліси, завдяки високій транспірації, перешкоджають заболоченню місцевості. У середніх та підвищених широтах, гірській місцевості більш відчутний вплив лісу на поверхневий стік. Завдяки наявності лісової підстилки, високої шпаруватості лісових ґрунтів та щілин, що утворюються коре­невими системами при гойданні дерев від вітру, поверхневі води дощо­вого та снігового походження переходять у глибинні шари фунту, утво­рюючи внутрішньо-ґрунтовий стік.

Порівняно з іншими, відкритими, ландшафтами ліс затримує розта­вання снігу весною, чим розтягує цей процес на 2-3 тижні. Це регулює надходження талої води до ґрунту.

Ліс сприятливо впливає на гідрологічний режим річок завдяки саме переведенню поверхневого стоку у підземний. Цим самим регулюється надходження води до них через ґрунтові води.

У кінці 30-х років XX ст. Г. М. Висоцький висловив гіпотезу про трансгресивну роль лісів, маючи на увазі величезний гідрокліматичний вплив лісів північно-західної та північної частини Східноєвропейської рівнини відносно південних регіонів. На думку вченого, забезпечуючи велике сумарне випаровування, ліси цих регіонів зволожують клімат південних регіонів. Питання це — дискусійне, але є окремі роботи, наприклад, кліматолога Г. П. Калініна, які свідчать, що в лісовій місцевості випадає на 12-14% опадів більше ніж у безлісній.

При веденні лісового господарства виділяють водоохоронні ліси, головною функцією яких є саме водоохоронна. Вони виділяються у вигляді смуг вздовж річок, озер, водойм. Такі ліси покращують гідро­логічний режим водозборів, запобігають забрудненню води, підтри­мують високу водність річок, позитивно впливають на запаси ґрунтових вод, захищають береги рік від розмиву тощо. Особливе значення таких лісів у лісостеповій, степовій зонах та у горах.