«Лес и атмосферный воздух» (2 ч)
Материнская порода может косвенно (через формирование почвы) и непосредственно, комплексно влиять на состав и продуктивность древостоя. Например, на европейском северо-востоке, в районах близкого залегания известняков, высокопродуктивные лиственничные древостои могут иметь запас до 600−700 м3/га, а на песках ледникового происхождения растут сосняки, продуктивность которых в 3−3,5 раза меньше. Это… Читать ещё >
«Лес и атмосферный воздух» (2 ч) (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Цель работы: расширить представление студентов о значении атмосферного воздуха в жизни леса, изучить ряды фитонцидности древесно-кустарниковых пород, устойчивость растений к аэрополлютантам, лесохозяйственные мероприятия повышающие устойчивость насаждений к неблагоприятным факторам, влияние атмосферного электричества и молний на лес.
Материалы и оборудование: плакаты, учебные пособия, методические указания, тетради, письменные принадлежности.
Состав воздуха Взаимодействие атмосферного воздуха и леса проявляется в круговороте углерода и кислорода, в действии атмосферных загрязнений на лес и взаимном влиянии ветра и леса.
Сухой атмосферный воздух у поверхности Земли содержит 78,1% азота, 21,1% кислорода (0,1 озона), 0,9% аргона и около 0,03% углекислого газа. На водород, неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, пероксид водорода, иод и другие газы приходится 0,01%.
Кислород — один из наиболее распространенных элементов на Земле. В атмосфере его примерно 1,5*1015т. Он необходим для нормальной жизнедеятельности всех животных и растений, входит в состав белков, жиров, углеводов. В сухом веществе дерева он составляет около 42%. Кислород необходим для дыхания — основного жизненного процесса. Организм получает его извне и выделяет в процессе дыхания продукты окисления — углекислый газ и пары воды.
Корни растений получают кислород из почвы. Для их нормальной жизнедеятельности необходимо наличие в почве около 7−8% кислорода. За день в процессе фотосинтеза деревья выделяют кислорода в 5−6 раз больше, чем поглощают его в процессе суточного дыхания. Убыль атмосферного кислорода вследствие дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяемым при фотосинтезе, который обладает высокой степенью ионизации. В 1 м3 лесного воздуха содержится в 2,5 раза больше отрицательных ионов, наиболее полезных для человека, чем в поле. При сжигании угля, нефти, газа расходуется до 10% кислорода, ежегодно выделяемого растениями в биосфере.
Углекислый газ (CO2) составляет незначительную часть атмосферного воздуха, но он необходим для жизнедеятельности зелёных растений, т.к. участвует в процессе фотосинтеза и нужен растениям для питания. Углерод является составной частью углекислого газа (углекислоты). Сухое вещество деревьев примерно на 40−50% состоит из углерода.
Основными источниками поступления углекислого газа в атмосферу являются: дыхание биоты, горение, гниение, извержение вулканов и гейзеров, пожары.
Концентрация углекислого газа в лесу изменяется, из-за его неравномерного потребления в суточном и годичном циклах и высоты над поверхностью почвы. В кронах деревьев углекислого газа меньше (0,02%), в приземном воздухе над живым напочвенным покровом — больше (0,04%), что зависит от породы, типа леса, возраста, полноты, сомкнутости древостоя. Увеличение содержания CO2 в составе воздуха, окружающего растение, усиливает фотосинтез до определённого предела. При объёме CO2 более 0,3% фотосинтез замедляется, при объёме 2% у растения закрываются устьица: такое количество CO2 вредно для растений.
Глобальную проблему представляет накопление углекислого газа в атмосфере. Годичное поступление в атмосферу углерода при сжигании минерального топлива значительно превышает объём углекислоты, выдыхаемой всем человечеством. Увеличение содержания CO2 в воздухе с 0,03 до 0,06% может повысить среднюю температуру почвы на 40С, что приведет к изменению климата и растительного мира.
Существует ряд методов, направленных на регулирование содержания углекислого газа в атмосферном воздухе в целях повышения продуктивности лесов. К ним относят: создание поглощающих СО2 плантаций из молодых, быстрорастущих деревьев; введение под полог леса почвоулучшающих кустарников, быстрорастущих и почвоулучшающих пород — в основной ярус насаждения; минерализацию поверхности почвы для ускорения разложения лесной подстилки; пополнение органических веществ в почве за счёт порубочных остатков от рубок ухода; внесение в почву удобрений; известкование почвы и др.
Лес и фитонциды Фитонциды, — образуемые высшими растениями летучие, биологически активные вещества, убивающие или подавляющие жизнедеятельность микроорганизмов. Открыл фитонциды в 30-х годах XX в. советский биолог Б. П. Токин. Фитонциды содержаться в эфирных маслах, смолах, дубильных веществах и других соединениях. Многие из них образуются в растениях лишь при повреждении тканей. При этом количество фитонцидов быстро возрастает до необходимого для защиты открытых тканей. Хвойные деревья выделяют фитонциды в течение всего года, а лиственные, главным образом, летом. Наибольшее их количество выделяется с мая по октябрь.
По степени фитонцидности древесные и кустарниковые породы делят на:
высоко фитонцидные — пихта бальзамическая, можжевельник обыкновенный черемуха птичья, дуб черешчатый, клен остролистный, береза повислая, береза пушистая, сосна обыкновенная, ель европейская, осина, лещина обыкновенная;
средне фитонцидные — лиственница сибирская, ясень обыкновенный, липа мелколистная, ольха черная, сосна сибирская, рябина обыкновенная, желтая акация, сирень обыкновенная, жимолость татарская;
слабо фитонцидные — вяз обыкновенный, бересклет бородавчатый, бузина красная, крушина слабительная.
Из кустарничков и травяных растений высокими фитонцидными свойствами обладают багульник болотный, крапива двудомная, ландыш майский и др.
Влияние загрязнения атмосферы на лес В результате деятельности промышленных предприятий и заводов, в атмосфере во взвешенном состоянии содержатся инородные примеси: дымовые и нефтяные газы, сернистый газ, серный ангидрид, фтористый водород, фтор, хлористый водород, сероводород, аммиак, окислы азота, углерода, тяжелых металлов, пылевые выбросы и другие соединения. Только в пылевых выбросах промышленности насчитывают около 140 вредных веществ.
Вредные химические вещества (поллютанты) снижают прирост и плодоношение деревьев, вызывают их суховершинность. Они разрушают покровные ткани листьев и хвои, тормозят интенсивность фотосинтеза, изменяют кислотность клеточного сока, нарушают действие ферментов и водный режим растений. Особенно губительны поллютанты для вечнозеленых пород, которые не сбрасывают на зиму листву (хвою) и вместе с ней не освобождаются от значительной части вредных веществ.
Степень устойчивости древесных и кустарниковых пород к вредным газам различна, и зависит от вида и фазы развития растений, концентрации газа, погодных и почвенных условий, густоты насаждения, удаленности от опушки леса и источников загрязнения. Чувствительность растения к вредным газам также неодинакова и зависит от вида и концентрации газа, плодородия почвы, интенсивности фотосинтеза и дыхания, общего содержания воды в листьях, возраста растения, сезона года и состояния древесной породы.
По газоустойчивости древесные и кустарниковые породы разделены на пять классов: к 1-у классу относятся породы наиболее устойчивые, к 5-у — наименее. Для хвойных исключен 1-й класс; для лиственных — 5-й. Одна и та же порода обладает неодинаковой чувствительностью в разном возрасте — в юном и старом возрастах сопротивляемость слабее.
- 1 класс газоустойчивоси: хвойных нет; лиственные: ильм, дуб красный, ольха черная и ольха серая, ива остролистная, спирея, лох узколистный.
- 2 класс газоустойчивости: лиственницы: европейская, Сукачева, сибирская, японская; можжевельник казацкий, туя западная, тис ягодный, дуб черешчатый, тополь дельтовидный, ясень ланцетный; вяз обыкновенный, ивы: серая и козья; яблоня лесная, груша обыкновенная, карагана древовидная, самшит вечнозеленый.
- 3 класс газоустойчивости: ель колючая, дугласия, можжевельник обыкновенный; ясень обыкновенный, клены татарский и остролистный, тополь бальзамический, липа мелколистная.
- 4 класс газоустойчивости: сосны Веймутова, крымская, сибирская; каштан конский обыкновенный, бук восточный, рябина обыкновенная, тополя белый и черный, черемуха птичья, березы: повислая и пушистая, клен полевой, акация белая.
- 5 класс газоустойчивотсти: пихта сибирская, ель европейская, сосна обыкновенная; лиственных пород нет.
Лес в значительной степени содействует очищению воздуха от пыли и препятствует ее распространению. Пыль, осевшая на хвое и листьях деревьев, смывается дождем на землю. Густой лес на площади 1 га может «отфильтровать» из воздуха до 70 т пыли в год.
Действие ветра на лес Ветер — движение воздушных масс является следствием неравномерного нагрева земной поверхности солнечными лучами и, в связи с этим, изменения атмосферного давления, плотности воздуха.
Роль ветра в жизни леса многогранна, а в зависимости от скорости может быть положительной и отрицательной. При скорости ветра до 2−3 м/с, повышается эффективность фотосинтеза, и при обильном снабжении влагой ассимиляция углерода увеличивается в 4−5 раз. В зимнее время ветер освобождает кроны деревьев от снега, повышая их ветроустойчивость. Ветер разносит пыльцу древесных растений (сосны, ели, лиственницы, пихты, березы, осины, ольхи и др.), происходит их перекрестное опыление, он способствует распространению их семян. Многие из них имеют специальные приспособления (крылышки, пуховые зонтики и т. п.) для увеличения дальности разлета.
Отрицательная роль ветра начинает проявляться при его скорости более 5 м/с. Сильный ветер увеличивает интенсивность транспирации листьев и хвои, вода из почвы не успевает доходить до вершин деревьев, что может вызвать гибель ассимиляционного аппарата и образование суховершинности Ветер влияет на внешний вид деревьев. При одностороннем действии ветра у деревьев формируются флагообразные кроны, искривлённые стволы, годичные кольца вытягиваются по направлению движения ветра, в результате сердцевина смещается, сечения ствола становится овальным.
Под влиянием сильного ветра у деревьев снижается скорость роста в высоту, усиливается прирост по диаметру, особенно в комлевой части. Деревья формируются кряжистыми, с резким снижением диаметра от комлевой части к вершинной, что характерно для опушечных и одиночно растущих деревьев.
В лесу отдельным деревьям может причинять вред охлестывание одного дерева ветвями другого при сильном ветре (сосна и ель — берёзой). У некоторых деревьев возможно обламывание веток (у тополя, черемухи, клена ясенелистного и др.).
Отрицательная роль ветра проявляется в таких явлениях, как бурелом (стволы деревьев ломаются) и ветровал (деревья вываливаются с корнями).
Часто ветровалы наблюдаются в еловых древостоях — из-за поверхностной корневой системы ели. Но на рыхлых, дренированных почвах ель развивает глубокую корневую систему, и способна повысить устойчивость к ветровалу. Сосна с глубоким стержневым корнем на богатых почвах редко вываливается ветром, но на заболоченных участках или в местах с незначительной мощностью почвы это случается. Ветровалу также подвержены взрослые деревья после рубки леса, оказавшиеся на открытом месте, и не способные адаптироваться к изменившимся условиям.
Буреломом чаще повреждаются деревья с рыхлой и хрупкой древесиной (осина, липа, ольха, ель, пихта), а также пораженные грибными болезнями спелые и перестойные древостои. В результате бурелома леса захламляются валежником, в них повышается класс пожарной опасности. При скорости ветра свыше 6 м/с резко увеличивается скорость распространения огня в лесу, низовые пожары переходят в верховые.
Для защиты леса от ветровала создают ветроупорные опушки — полосы леса, преимущественно из лиственных древесных пород с глубокой корневой системой, способных развивать мощную крону.
Врываясь в насаждения, ветер постепенно теряет скорость из-за трения о стволы, ветви, листья. Снижение скорости ветра в лесу зависит от древесной породы, полноты, высоты, формы древостоя, степени облиствения деревьев. Максимальная скорость ветра в лесу наблюдается над пологом деревьев, ближе к кронам она уменьшается, внутри крон падает и у поверхности почвы близка к нулю. Так, в сомкнутых древостоях, в кронах скорость ветра составляет 50%, под кронами — 40, а на высоте 2 м — 30% скорости над вершинами деревьев.
За лесным массивом скорость ветра восстанавливается до первоначальной на расстоянии от 5-и до 15-и кратной (в среднем 10-кратной) высоты древостоя.
Лес и атмосферное электричество Атмосферное электричество — совокупность электрических явлений в атмосфере.
Атмосферные электрические разряды во время грозы из атмосферных азота и кислорода синтезируют окиси азота, которые с дождевыми водами попадают в почву и накапливаются в ней от 4 до 10 кг в год/га в форме селитры и азотной кислоты.
Атмосферное электричество действует на живые организмы посредством разрядов и ионизации воздуха. Из поступающей к корням воды в хлорофилл листьев и хвои попадают электроны, которые способствуют образованию сложных органических веществ — сахаров, крахмала, липидов. Положительные ионы через устьица или периферийные острые части листа выходят в атмосферу. Именно этим можно объяснить факт начала сезона гроз после облиствения деревьев. Процесс продуцирования электрических зарядов в атмосферу прекращается с завершением процесса фотосинтеза осенью.
Физический процесс образования грозовых разрядов весьма сложен. Действие грозовых разрядов на лес в виде молний в значительной степени носит негативный характер. Известно губительное действие молнии при попадании в крупные деревья. Есть определенные закономерности в частоте повреждаемости молнией различных древесных пород. Это связано как с формой кроны, так и с электропроводящими свойствами коры, например, с быстротой ее намокания. Ча поражаются молниями ель европейская, сосна обыкновенная, из лиственных — тополь, дуб черешчатый, береза повислая, груша обыкновенная, ясень обыкновенный, реже — ольха черная, клен остролистный, бук восточный, осина, рябина обыкновенная.
Молнии вызывают механические повреждения деревьев (расщепление стволов, трещины), выпадение крупных деревьев, тем самым оказывают влияние на структуру древостоя, зачастую являются причиной возникновения пожаров.
Задания.
1. Рассчитать скорость ветра (в %) на разном расстоянии от опушки леса (таблица 18). Ветер дует перпендикулярно стене леса со скоростью на открытом месте 6,8 м/с. Построить график в масштабе: по оси абсцисс — 1 см =100 м, по оси ординат — 1 см =10%. Определить скорость ветра с наветренной и подветренной сторон (в % от его скорости на открытом месте) на расстояниях, равных 5, 10, 20 и 30 высотам древостоя (средняя высота древостоя 22 м). Сделать выводы.
Таблица 18 — Скорость ветра на разном расстоянии от опушки.
Расстояние от опушки, м. | Скорость ветра с наветренной стороны. | Скорость ветра с подветренной стороны. | |||
м/с. | %. | м/с. | %. | ||
2,7. | 0,2. | ||||
3,5. | 1,8. | ||||
4,8. | 2,0. | ||||
5,6. | 2,9. | ||||
6,8. | 4,2. | ||||
6,8. | 5,1. | ||||
6,8. | 6,3. | ||||
6,8. | 6,6. | ||||
6,8. | 6,8. | ||||
2. Дать оценку существующего и прогнозируемого состояния сосновых древостоев в зоне влияния промышленных предприятий (таблица 19).
Индекс существующего текущего повреждения древостоя рассчитывается по формуле:
I= n0K0 + n1K1 + n2K2 + n3K3 + n4K4
где I — индекс состояния; n0…n4 — количество деревьев 0−4 категории повреждения, экз. (0 — неповрежденные, 1 — слабо поврежденные, 2 — средне поврежденные, 3 — сильно поврежденные, 4 — сухостой); К0… К4 — баллы жизненного состояния категорий деревьев, соответствующие номеру категории (0−4); N — общее количество учтенных деревьев, экз.
Таблица 19 — Количество деревьев по категориям состояния.
№ варианта. | n0. | n1. | n2. | n3. | n4. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли и др.) и представителей многих беспозвоночных — простейших, червей, моллюсков, взрослых насекомых и их личинок, роющих позвоночных и др. Активная роль живых организмов в формировании почвы определяет принадлежность ее к биокосным природным телам. Все разнообразие почв на земной поверхности, комбинации различных почв на той или иной поверхности (почвенный покров) сформировались в результате взаимодействия факторов почвообразования — климата, материнской горной породы, растительности, животного мира, рельефа, возраста территории, хозяйственной деятельности человека, причем значение антропогенного фактора все увеличивается. Почва отличается незаменимостью, ограниченностью ресурсов, статичностью и плодородием. Плодородие — свойство почвы обеспечивать растения элементами питания и водой, которые являются основой для образования органических веществ. Плодородие зависит от температуры почвы, степени насыщенности ее кислородом для дыхания корней, почвенной мезофауной и микроорганизмами. Внутри климатического региона роль почвы, как фактора внешней среды, является решающей. В лесоводстве принято учитывать геологические условия, материнскую горную породу, рельеф местности. Материнская порода может косвенно (через формирование почвы) и непосредственно, комплексно влиять на состав и продуктивность древостоя. Например, на европейском северо-востоке, в районах близкого залегания известняков, высокопродуктивные лиственничные древостои могут иметь запас до 600−700 м3/га, а на песках ледникового происхождения растут сосняки, продуктивность которых в 3−3,5 раза меньше. Это обусловлено различиями непосредственного влияния почвообразующих пород на древостой, и разным уровнем плодородия развивающихся на них почв: в первом случае формируются почвы, богатые гумусом и питательными веществами, во втором — бедные подзолистые песчаные почвы. Почва оказывает влияние на состав растений всех ярусов лесного сообщества — от напочвенного покрова до древостоя. От нее зависит территориальное размещение древесных пород в пределах их естественных ареалов. Почва воздействует на возобновление леса непосредственно (как субстрат) и косвенно — через изменение состава лесных растений. При подборе древесных пород для выращивания леса важное, часто определяющее значение имеет их отношение к почве. Почва влияет на рост и развитие леса, его состав и строение. Она в значительной мере определяет качественную и количественную продуктивность леса (в виде запаса древесины или общей фитомассы). Качество древесины тесно связано с характером почвы. Например, на севере у сосны на болотных, торфяных почвах формируется древесина низкого качества — мелкослойная, с малым содержанием поздних трахеид. У сосны на минеральных субстратах формируется древесина с высокими физико-механическими свойствами — с большим содержанием толстостенных, поздних трахеид в годичных слоях. Почва используется в качестве диагностических и классификационных признаков леса. Значение некоторых химических элементов в жизни древесных растений Из воды и углекислого газа растения получают водород, углерод и кислород, которые идут на построение древесины. Кроме них используются N, P, K, S, Mg и другие химические элементы. Такие элементы, как азот, фосфор, калий — являются органогенами первого минимума или макроэлементами. Азот — основной химический элемент в составе белков и аминокислот. Лесные почвы, как правило, бедны азотом в виде ионов нитратов или аммония, образующихся под воздействием микробиологических процессов. Фосфор необходим растениям для фотосинтеза и дыхания как химический элемент, непосредственно участвующий в превращении энергии. Он повышает зимостойкость растений. Недостаток фосфора вызывает задержку роста и сроков цветения. Калий влияет на интенсивность ассимиляции углекислого газа, регулирует осмотическое давление в клетках, улучшает передвижение питательных веществ и воды в тканях, активизирует синтез сахаров, белковых веществ, повышает устойчивость растений к холоду и засухе. Кальций оказывает положительное влияние на рост корней, входит в состав клеточных стенок растений. Его вместе с другими катионами (калия, натрия и др.) относят к регуляторам внутренней среды организма, в частности, заряда протоплазматических структур. Кальций улучшает структуру почвы, снижает ее кислотность и предотвращает вымывание из почвы необходимых для растений химических элементов. Сера входит в состав белков; магний — в молекулы хлорофилла; железо имеет значение для синтеза хлоропластов, поэтому при его недостатке листья светлеют. Для фотосинтеза необходимы: хлор, цинк, которые входит в состав фермента, активизирующего дыхание растений. Недостаток бора может привести к снижению устойчивости к заморозкам и ослаблению роста сосны после некоторой стимуляции в результате внесения удобрений. Недостаток марганца затрудняет образование витамина С. При нехватке меди, древесные породы не плодоносят. Молибден защищает растения от токсического действия подвижного алюминия на кислых почвах и входит в состав ферментов, необходимых клубеньковым бактериям. Фтор улучшает условия питания растений, йод — обмен веществ. Растения потребляют еще около 60 химических элементов, входящих в состав физиологически активных веществ. Лесная подстилка достаточно богата микроэлементами, и в лесу недостатка в них нет. Но если лес создают на месте карьера, осушенного болота, пашни, то внесение микроэлементов (меди, кобальта, марганца, бора, бария и др.) ускоряет рост и повышает устойчивость деревьев. В некоторых случаях естественный избыток элементов питания может отрицательно влиять на лес. При избытке азота образуется рыхлая древесина, а накопление нитратов на осушенных низовых болотах может вызвать продолжительный рост деревьев и гибель их от низких температур. Избыток влаги в почве часто приводит к формированию поверхностных корневых систем деревьев, что влияет на прочность закрепления их в почве и удержание в вертикальном положении. Требовательность и потребность лесных древесных растений к зольным элементам и азоту Г. Ф. Морозов различал потребность в зольных элементах и требовательность древесных пород к зольным элементам. Потребность — необходимое количество химических элементов в единице массы сухого органического вещества конкретной породы. Требовательность — способность растений произрастать на почве с определенным плодородием или извлекать из нее необходимое количество питательных веществ. Г. Ф. Морозов (1926) предложил следующие шкалы потребности и требовательности древесных пород к почве. Шкала потребности: акация белая, ильм, ясень обыкновенный, бук лесной, дуб черешчатый, ольха черная, ель европейская, береза повислая, лиственница европейская, сосна обыкновенная, сосна Веймутова. Шкала требовательности: ильм, ясень обыкновенный, клен остролистный, бук лесной, граб обыкновенный, дуб черешчатый, ольха черная, липа мелколистная, осина, сосна Веймутова, лиственница европейская, береза повислая, акация белая, сосна обыкновенная. По требовательности к общему плодородию почвы древесные породы подразделяются на: малотребовательные — олиготрофы — можжевельник, сосна горная, сосна обыкновенная, береза повислая, акация белая; умеренно требовательные — мезотрофы — береза пушистая, осина, ель европейская, сосна Веймутова, лиственница сибирская, рябина, ива козья, дуб красный, дуб черешчатый, ольха черная, каштан съедобный; требовательные — мегатрофы — клен остролистный, клен явор, граб обыкновенный, бук лесной, пихта сибирская, осокорь (тополь черный), клен полевой, бархат амурский, ива ломкая, ива белая, ильм, ясень обыкновенный. Древесные породы чувствительны к реакции почвы. Породы, устойчивые к кислой реакции почвы, называются ацидофилами — ель европейская, сосна обыкновенная, сосна сибирская, пихта сибирская, лиственница европейская, береза повислая, осина, рябина обыкновенная, каштан съедобный, граб обыкновенный, акация белая, рододендроны. Принято также различать растения по отношению к кальцию на: кальциефобы, т. е. отрицательно относящиеся к извести (каштан благородный, сосна приморская) и кальциефилы, положительно реагирующие на присутствие извести в почве (лавр благородный, береза повислая, берест, большинство тополей и древовидных ив, черемуха обыкновенная, бузина кистистая, бересклет европейский); по отношению к кислотности среды — на алкалифилы, относительно устойчивые к щелочной реакции почвы — солонцеватости (тамариск, акация белая, груша обыкновенная, берест, дуб черешчатый — ранняя форма). Выделяют и такие группы растений, как нитро-, фосфоро-, калиефосфорофилы, азотофиксаторы и др. В лесных почвах сравнительно мало свободноживущих микробов-азотфиксаторов, поэтому исключительно велико значение растений семейства бобовых и других растений азотофиксаторов в круговороте азота лесных почв. На корнях этих растений (акация белая, акация песчаная, карагана древовидная, ольха серая, ольха черная, лох узколистный, облепиха крушиновая, аморфа кустарниковая, дереза, ракитник, дрок и др.) находятся клубеньковые бактерии — наиболее продуктивные из всех микробов-азотфиксаторов, что дает возможность использовать многие из этих растений для биологической мелиорации лесов. Влияние почвы на корневую систему Почве принадлежит основная роль в формировании корневой системы деревьев. Влияют также рельеф, механический состав, влажность почвы, уровень грунтовых вод, глубина залегания и характер материнской горной породы и т. д. На глубоких, рыхлых, хорошо прогреваемых, умеренно влажных и достаточно плодородных почвах корни распределяются в большем диапазоне по вертикали, чем на почвах влажных, подстилаемых плотными породами, с низкой температурой, где проникновение их вглубь крайне затруднено. Отсюда различия в корневой конкуренции, например, между особями одного и разных возрастов, различная адаптация растений к почвенным условиям и совместному обитанию, различная устойчивость древостоев к внешним воздействиям и т. д. Сосне обыкновенной свойственна глубокая корневая система, она обладает наиболее высокой пластичностью, большой изменчивостью в зависимости от почвенных условий. На глубоких, легких по механическому составу (супесь, легкий суглинок), достаточно увлажненных почвах сосна образует длинный стержневой корень. На глубоких, песчаных, сухих почвах с глубоким залеганием грунтовых вод у нее образуется поверхностная корневая система, приспособленная к усвоению атмосферных осадков. На болотных, торфяных, переувлажненных почвах у сосны в молодом возрасте отмирает стержневой корень, и формируется неглубокая, поверхностная корневая система с немногочисленными, относительно толстыми корнями. Углублению и развитию корней мешает недостаток кислорода и плохой прогрев в почве, органические кислоты. Такая же корневая система образуется и на неглубоких почвах, подстилаемых карбонатными (известняки) или кристаллическими материнскими горными породами (граниты, гнейсы). Ель европейская имеет типичную поверхностную корневую систему, но на глубоких супесях у нее может развиться стержневой корень, а на осушенных торфяниках — боковые корни, которые, углубляясь, образуют якорную корневую систему (на дренированных почвах). На супесчаных и легкосуглинистых дренированных почвах якорные корни отходят от верхних горизонтальных корней, имеющих длину в спелом возрасте 4−5 м. Лиственница Сукачева обычно имеет глубокие корни, но на почвах, подстилаемых карбонатными породами, формирует поверхностную корневую систему как сосна и ель. В районах многолетней мерзлоты, препятствующей глубокому проникновению корней в почву, у лиственницы также образуется поверхностная корневая система. У сосны сибирской образуется якорная корневая система. У сосны корейской якорные корни не выражены, и развивается поверхностная корневая система, что связано с биологическими особенностями вида. Дуб характеризуется мощной, очень пластичной корневой системой. В поймах с близким залеганием грунтовых вод он образует поверхностную корневую систему. При периодическом затоплении и нарастании почвы (аллювий) дуб образует придаточные корни на стволах. Очень неглубокую, поверхностную корневую систему эта порода имеет на солонцах. Корневая система липы мелколистной в оптимальных условиях глубокостержневая, с развитыми боковыми корнями. При небольшой глубине грунтовых вод липа образует якорные корни, а на многочисленных наносах формируется ярусная корневая система. У липы имеются еще и поверхностные корни, т. е. в целом, корневая система пластична. У березы наиболее ветвистая корневая система. Стержневой корень развит слабо, иногда глубже проникают вертикальные ответвления от горизонтальных корней. Близка к ней корневая система бука с хорошо развитыми якорными корнями. У деревьев семейства ильмовых развиты стержневой и боковые корни. Мощная поверхностная корневая система у ясеня со слабым или отсутствующим стержневым корнем и очень длинными боковыми корнями. Корневая система ольхи черной мочковатая. Осина имеет мощные боковые и поверхностные корни — до 20−35 м. Влияние рельефа на компоненты леса Важным фактором в почвообразовательных процессах является рельеф местности. Он влияет на изменения мощности, состава почвы, водный и тепловой режимы, перераспределение выпавших атмосферных осадков, грунтовых вод, перемещение почвенных частиц. Комплекс этих факторов влияет на характер леса. Рельеф в большей степени проявляется в холмистой и гористой местности. Световой, тепловой и водный режимы склонов зависят от их экспозиции, что отражается на составе и продуктивности лесов. Сочетание склонов северной экспозиции с избыточно увлажненными почвами приводит к наиболее сильному понижению температуры почвы, а на склонах южной экспозиции с песчаными почвами, наоборот, наблюдается повышенная температура в почве. В лесах Восточной Сибири на северных склонах гор преобладает лиственница, на южных — сосна. Локальные изменения в рельефе отражаются на снегонакоплении, содержании и проницаемости влаги в почву, что в засушливые годы положительно сказывается на жизнеспособности насаждений. Кроме макрои мезорельефа значительную роль в жизни леса играет микрорельеф. Опасность выжимания морозом молодых древесных растений проявляется на влажных, тяжелых по механическому составу почвах, приуроченных к пониженным местоположениям (мезорельеф). Наиболее подвержена выжиманию ель с поверхностной корневой системой. Но эта опасность ослабляется или полностью устраняется на микроповышениях. Биологический круговорот веществ в лесу Биологический круговорот веществ в лесу — это совокупность процессов поступления их из почвы и атмосферы в растения, биологический синтез с образованием сложных органических соединений, возвращение веществ из живых организмов в почву и атмосферу, и превращение их в доступные для растений соединения. В лесу круговорот веществ наиболее мощный, благодаря глубокому проникновению в почву корней деревьев и микотрофному питанию многих из них. Первое звено биологического круговорота — ризосферное. Ризосферная почва почти всегда подкислена корневыми выделениями растений, и весьма насыщена микроорганизмами. Второе звено — потребления находится в кроне, где химические элементы, поступающие из почвы, участвуют в образовании органических веществ в процессе ассимиляции в листьях и хвое, а также в синтезе сложных органических веществ в корнях. Третье звено — первичное разрушение органического вещества, в нем начинается процесс разложения опада и отпада. Опавшие листья разлагаются сапрофитами и возбудителями болезней — паразитными грибами, начинающие свое развитие на живых листьях. Весной разрушение опада продолжают микроскопические сумчатые грибы, мелкие дискомицеты и различные плесневые грибы. В последующие годы в разложении подстилки принимают участие несовершенные грибы, базидиальные, шляпочные, в т. ч. микоризообразователи. Четвертое звено — разложения и синтеза, где идёт дальнейшее разложение органических остатков под воздействием мельчайших животных (нематоды, коловратки, простейшие), микрофлоры и выделяемых ими ферментов. Основными таксономическими группами сапрофагов являются бактерии, актиномицеты и микроскопические грибы. Вначале основную роль в разложении играют бесспоровые бактерии и грибы, а на последней стадии распада — спорообразующие бактерии (бациллы) и актиномицеты с мощным ферментативным аппаратом для преобразования более стойких органических соединений. Актиномицеты поселяются на полуразрушенных бактериями и грибами органических остатках, которые под их воздействием превращаются в менее сложные вещества (углеводы — в моносахара, белки — в аминокислоты). Образующиеся в телах микроорганизмов простые соединения участвуют в синтезе новых веществ. После отмирания их тела разлагаются и участвуют в питании растений. Пятое звено — гумификации и последующей минерализации. При вымывании продуктов разложения из подстилки в минеральную часть почвы появляются гигантские молекулы гумусовых соединений — гуминовых кислот, гуминов-фульвокислот и других составных частей перегноя. Гуминовые кислоты могут быть свободны или связаны с подвижными формами полутораокисей: К2О, Р2О5, СаО и др. Гумус почвы является источником питательных элементов для растений, благодаря своей высокой обменной поглотительной способности и возможности минерализоваться до простейших подвижных форм питания. Шестое звено — необменного и обменного поглощения веществ почвой, в котором освободившиеся при минерализации гумуса или на предыдущих этапах химические элементы, не вовлеченные в ризосферное звено, могут перейти в почвенный раствор и закрепиться в почве (обменным или необменным путём). Влияние леса на почву Благодаря глубоким корням, деревья вовлекают в биологический круговорот все новые порции питательных веществ. Древесные породы потребляют меньше зольных элементов для своего роста, чем сельскохозяйственные культуры, поэтому сделан вывод о почвоулучшающем значении леса. Высокими почвоулучшающими свойствами отличаются акация желтая, ракитник, дрок, на корнях которых поселяются клубеньковые бактерии, усваивающие азот воздуха. Обогащение почвы азотом происходит в основном через растительный опад. Кроме того, в процессе жизнедеятельности клубеньковых бактерий образуется аммиак, который растворяется в почвенных водах, и может поглощаться растениями непосредственно, либо после процесса нитрификации. На корнях ольхи, облепихи, лоха поселяются актиномицеты, а затем и клубеньковые бактерии. Постепенно они становятся симбионтами, получая из растений минеральные и углеродсодержащие вещества, предоставляя ему ассимилированные азотистые соединения. Положительная роль некоторых пород (особенно акации белой, лиственницы) заключается в сильном разрыхлении почвы разветвленной корневой системой. Листья ясеня, клена остролистного, граба содержат наибольшее количество зольных элементов. Опад бука, дуба, березы, лиственницы, бузины имеет высокую концентрацию азота, а листья липы, осины, вязов, ясеня, дуба и бузины обогащают почву кальцием и способствуют ее структурному образованию. Почвоулучшающая роль березы, липы, ясеня, вязов, граба, лиственницы, лещины, бересклета, можжевельника, рябины, клена татарского заключается в быстром разложении их опада, более полном вовлечении содержащихся в нем химических элементов в новый цикл биологического круговорота. Породы, образующие грубый покров, дающий сильнокислый гумус, считаются почвоухудшающими (пихта, ель, сосна). Длительное произрастание одной хвойной породы усиливает процесс оподзоливания, что приводит к резкому падению продуктивности древостоев. Это подтверждает западноевропейский опыт с монокультурами ели и сосны, когда после вырубки дубово-буковых древостоев были посажены лесные культуры ели европейской. К возрасту спелости они имели высокую продуктивность — 430−480 м3/га, но второе поколение монокультур росло хуже, отмечалась деградация, раннее старение деревьев и разрушение насаждений. Сосна оказывает оподзоливающее действие в меньшей степени, чем ель. Причины потери плодородия почвы В лесных условиях часто наблюдается явление потери плодородия, т. е. почва утрачивает способность обеспечивать растения необходимыми химическими элементами. К этим явлениям относятся: заболачивание, токсикоз почвы, кислые осадки (кислотные дожди), эрозия, вырубка леса, корчевание пней, лесные пожары, рекреационная нагрузка, подтопление, затопление и др. Заболачивание почвы может происходить из-за прохладного и влажного климата (таежная зона европейской части России). При разрушении древостоя заболачивание может принять интенсивный характер, и заболоченный лес в слабосточных понижениях через несколько поколений может перейти в категорию болот. Избыток влаги вытесняет кислород из корнеобитаемого горизонта почвы. В нем развиваются восстановительные процессы, образуются закисные соединения, происходит оглеение грунта, который менее проницаем для воды. Это подавляет жизнедеятельность почвенных беспозвоночных животных, микроорганизмов и связанные с ней биохимические процессы гумификации и минерализации органического вещества. Идёт накопление неразложившихся растительных остатков. Уменьшение количества подвижных питательных веществ и ослабление при этом дыхательных и сосущих функций корней деревьев нарушают деятельность фотосинтетического аппарата, что вызывает падение прироста общей фитомассы и древесины. В дальнейшем уменьшается возврат в почву азота и зольных элементов с отмирающими частями растений. Токсикоз почвы может возникать при длительном произрастании древесной породы (особенно хвойной) на участке леса. Накопление органических кислот способствует появлению в почвенном растворе ионов алюминия в высоких концентрациях, вредных для растений. Отрицательно влияют на рост ели подвижные формы марганца, а присутствие солей алюминия и железа токсично и для микроорганизмов, разлагающих подстилку. Одной из причин почвенного утомления при длительном произрастании одного вида является накопление аллелопатически активных веществ (колинов), выделяемых корнями. Кислые осадки (кислотные дожди). Кислый дождь имеет рН = 2,5−5,5 и содержит серную, азотную, а иногда и соляную кислоты. Лесные почвы от таких осадков становятся более кислыми, в них увеличивается содержание серы, активного алюминия, железа, подвижной ртути. Со стоком дождевой влаги по стволу в приствольную почву попадают металлы, происходит накопление свинца и меди. Эрозия почвы — разрушение верхних наиболее плодородных горизонтов почвы в результате действия воды и ветра. Значительно обедняется почва после сплошных рубок на склонах гор и оврагов, когда наряду с поверхностной эрозией, происходит и внутрипочвенная. Вследствие быстрой минерализации остатков растений, мелкозем не удерживается в верхних слоях скелетных почв и проникает сначала вглубь, а потом боковым внутрипочвенным стоком перемещается из верхних и средних частей склона в нижние слои. Иногда он выходит на поверхность, и смывается горными потоками в долины. В Орловской, Курской, Воронежской и других областях наблюдается рост оврагов после интенсивных ливней и обильного снеготаянии. Вырубка леса. Исследования отечественных и зарубежных ученых показали, что при сплошной рубке с трелевкой деревьев с 1 га вывозится 250−400 кг азота, 250−300 кг калия, 120−150 кг фосфора. Потери азота с вывозимой древесиной восстанавливаются в биогеоценозе за счет процесса азотфиксации и поступления азота аммиака с осадками через 50 лет, потери кальция и магния восстанавливаются за значительно больший промежуток времени. Корчевание пней. Плодородие почвы резко падает из-за ухудшения ее физических свойств: снижения скважности и водопроницаемости, особенно на тяжелых суглинках и глинистых почвах, обеднения верхних горизонтов. При корчевании перемешиваются горизонты почвы, и малоплодородные слои часто оказываются на поверхности. Лесные пожары ухудшают лесорастительные условия, переводят азот в газообразное состояние, и до 90% его улетучивается в атмосферу. Они уничтожают подлесок из ценных почвоулучшающих растений, оказывают губительное влияние на живой напочвенный покров, почвенные мезофауну и микробоценоз. Быстро загораются и погибают кустистые лишайники, зелёные мхи, вереск, быстровысыхающие злаки (вейники, полевицы, мятлик, белоус, щучка, и др.). Уничтожение лесной подстилки уменьшает количество азота в почве. При лесном пожаре в почву поступает значительное количество зольных элементов, доступных для растений, но снижается кислотность почвы и общее количество валового азота в ней. В отдельных случаях после пожаров наблюдается уплотнение почвы и увеличение влажности её верхних горизонтов. На сухих почвах происходит снижение влажности, колебание термического режима. При слабых низовых пожарах возрастает активность микробоценоза, но после лесных пожаров средней интенсивности, при выгорании гумуса биологическая активность почвы снижается. Гибель деревьев в виде ветровала после низовых пожаров приводит к избыточному накоплению влаги в нанопонижениях. В результате снижаются дренированность почвы, жизнеспособность деревьев, сохранившихся после пожара. На них образуются пожарные подсушины, сухобокость, что сокращает выход деловой древесины. Лесные пожары влияют на лесовозобновительные процессы, смену пород, динамику типов леса. Рекреационная нагрузка. При уплотнении почвы резко снижаются ее водои воздухопроницаемость, порозность; ухудшаются условия дыхания корней, и корневая система приобретает поверхностный характер. Увеличение поверхностного стока воды может привести к возникновению на склонах водной эрозии почв. На песчаных почвах может наблюдаться ветровая эрозия. С уплотнением почвы деградирует древесно-кустарниковая растительность, ухудшается питание деревьев, т.к. на высоких вытоптанных участках почва становится суше, а на пониженных — переувлажненной. Ухудшение питания снижает биологическую устойчивость деревьев, задерживает их развитие. Заметно уменьшается ежегодный прирост биомассы, особенно у хвойных деревьев. Пути повышения плодородия лесных почв Положительное влияние леса на плодородие почвы основано на ёмкости и интенсивности биологического круговорота веществ. Но это не исключает применения малозатратных способов повышения плодородия лесных почв:
Наиболее эффективны комплексные методы улучшения лесных почв, которые способствуют повышению интенсивности биологического круговорота веществ. Задание. 1. Проанализировать сравнительную продуктивность древостоев в зависимости от механического состава почв и сделать соответствующие выводы, используя данные таблицы 20. Таблица 20 — Влияние механического состава почвы на продуктивность древостоев.
2. Определить массу азота и зольных элементов, которые ежегодно попадают в почву в типе леса сосняк вересковый, используя данные таблицы 21. Сделать анализ и дать вывод, в каких частях растения происходит большее накопление азота и зольных элементов. Таблица 21 — Содержание азота и зольных элементов в типе леса сосняк вересковый.
3. Определить количество азота, необходимое для роста различных частей древостоя разного возраста и живого напочвенного покрова. Построить графики потребления азота в типе леса сосняк брусничный, используя данные таблицы 22. Таблица 22 — Возрастная динамика потребления азота в типе леса сосняк брусничник.
Контрольные вопросы.
|