«Лес и влага» (4 ч)

Цель работы: расширить представление студентов о значении влаги в жизни леса, шкалах требовательности к влаге и потребности во влаге растений, отрицательных явлениях, связанных с влагой, влиянии влаги на лес и леса на влагу, понятии водного баланса.

Материалы и оборудование: гигрометры, плакаты, учебные пособия, тетради, письменные принадлежности.

Значение влаги в жизни растений Вода — один из важных экологических факторов в жизни растений. Она составляет основную часть протоплазмы клеток и тканей. Только при наличии воды могут происходить биохимические процессы ассимиляции и диссимиляции, обмен веществ и энергии, и другие жизненно важные процессы. Вместе с растворенными веществами вода обуславливает осмотическое давление клеточных и тканевых жидкостей и межклеточный обмен.

Потребность в воде и ее количество в растениях непостоянны, и зависят от фазы роста и развития любого вида растений, климатических и почвенных условий. Для каждой фазы роста и развития характерен критический период, когда недостаток воды отрицательно сказывается на жизнедеятельности растений. Наземные растения повсеместно, кроме влажных тропиков, испытывают временный недостаток воды в воздухе и почве. Атмосферная засуха особенно проявляется при высоких летних температурах, почвенная — при уменьшении массы доступной для растений почвенной влаги.

В процессе эволюции у растений сформировались многочисленные, сложные анатомо-морфологические, физиологические и иные приспособления, регулирующие водообмен и рациональное расходование влаги. Недостаток влаги, колебание ее запасов в воздухе и почве лимитируют численность и распространение растений на земном шаре, приводят к снижению объёма и качества семян, прироста и продуктивности насаждений.

Источниками влаги для растений являются: 1) атмосферные осадки в виде дождя и снега; 2) конденсационные осадки в виде росы, инея, ожеледи, образующиеся в результате сгущения водяных паров, капелек тумана и дождя; 3) грунтовые воды; 4) реки и пресные водоемы.

Образование дождевых осадков в равнинных районах связано с влиянием двух основных факторов, обуславливающих охлаждение масс влажного воздуха с последующей конденсацией водяных паров: конвекционным и фронтальным.

Твердые осадки — снег, изморозь, иней, ожеледь, град имеют немалое значение в жизни леса. Снежный покров в лесу предохраняет от вымерзания корневые системы, подрост, семена и всходы древесных пород, живой напочвенный покров, почвенную фауну. Рыхлый, пушистый снежный покров в лесу, как теплоизолятор, способен при мощности 20 см и более сохранять положительную температуру в почве на протяжении всей зимы.

В поле из-за сильного солнечного нагрева, снежный покров подтаивает сверху, оседает, уплотняется, теряя свои теплоизолирующие свойства.

Отношение древесных пород к влаге Г. Ф. Морозов ввел понятие потребности древесных пород во влаге и требовательности древесных пород к влаге.

Потребность во влаге — это количества влаги, необходимое растению для: поддержания тургора клеток, нормального хода физиологических процессов (фотосинтеза, дыхания, роста и т. п.), защиты от перегрева, обмена веществ между разными органами растения и т. п.

Требовательность к влаге — это отношение древесных пород к влажности почвы, или способность извлечь необходимое количество влаги из почвы в различных условиях.

П.С. Погребняк (1955) составил шкалу древесных и кустарниковых пород по отношению их к влаге: ксерофиты (сухолюбы) — приспособленные к высокой степени потери влаги, способные расти в условиях недостаточного увлажнения; гигрофиты (влаголюбы) — очень чувствительные к засухе, растут в условиях, обеспеченных влагой, выдерживая при этом недостаток кислорода в почве; мезофиты — средние по требовательности к увлажнению и засухоустойчивости, растущие в промежуточных условиях увлажнений. Он выделил дополнительные категории: ультраксерофиты — крайние сухолюбы и переходные категории ксеромезофитов и гигромезофитов: первые стоят ближе к ксерофитам, вторые — к гигрофитам.

Группа 0. Ультраксерофиты — саксаул, можжевельник обыкновенный, можжевельник казацкий, фисташка обыкновенная, дуб пушистый, дуб пробковый, грабинник обыкновенный.

Группа 1. Ксерофиты — сосна крымская, сосна обыкновенная, сосна Банкса, айлант высочайший, лох узколистный, лох серебристый, облепиха крушиновая, скумпия, абрикос, вяз мелколистный, самшит, ива остролистная.

Группа 2. Ксеромезофиты — дуб черешчатый, груша обыкновенная, клен остролистный, клен полевой, берест, гледичия, черешня птичья, яблоня лесная.

Группа 3. Мезофиты — липа мелколистная, граб обыкновенный, ясень обыкновенный, орех грецкий, лиственница сибирская, бук восточный, каштан съедобный, конский каштан обыкновенный, береза повислая, осина, сосны сибирская, сосна веймутова, пихта сибирская, ильм, бархат амурский, лещина обыкновенная, бузина красная.

Группа 4. Мезогигрофиты — вяз гладкий, черемуха птичья, тополь чёрный (осокорь), ива козья, ива белая, ива ломкая, береза пушистая, крушина ломкая, ольха серая, айва японская.

Группа 5. Гигрофиты — болотный экотип ясеня обыкновенного, ива серая, ива ушастая, ива лапландская, болотный кипарис, ольха черная.

Ряд по убыванию потребности древесных растений во влаге выглядит следующим образом: акация белая, береза повислая, дуб черешчатый, осина, ель европейская, сосна обыкновенная.

Следует отметить, что некоторые породы (акация белая) могут расти на сухой почве, как ксерофиты и, в то же время, нерационально расходовать влагу.

Влияние леса на влагу В лесу влажность воздуха выше, чем в поле. Это обусловлено пониженной скоростью движения воздуха и повышенным суммарным испарением влаги в лесу, которое зависит от формы, сомкнутости, возраста, состава и полноты древостоя, наличия и густоты подлеска и подроста.

Осадки задерживаются кронами, испаряются в атмосферу, стекают по стволам. Теневыносливые древесные породы задерживают больше влаги, чем светолюбивые, хвойные — больше, чем лиственные. Установлено, что в зависимости от условий произрастания, возраста и других факторов лиственница задерживает 12−18% выпадающих осадков, сосна — 20−25, ель — 40−60, пихта — 60−80, дуб, бук, граб, ясень, клен — 15−25, береза, осина, ольха — 10−16%. Большее количество осадков задерживается кронами средневозрастных древостоев. Сток осадков по стволам зависит от протяженности кроны и шероховатости коры. У сосны он в среднем составляет 4,0%, у дуба — до 10,9, у бука — до 20%. Осадки малой интенсивности почти полностью задерживаются кронами.

В лесу, в связи с большим коэффициентом динамической шероховатости, на хвое, листьях, ветвях осаждаются роса, изморось (из облаков). Эта влага может проникать в живые ткани хвои и листьев через неплотно закрытые устьица и попадать в виде капель на почву. За счет горизонтальных осадков лес получает дополнительно до 15−30% влаги. В горах, особенно приморских, величина горизонтальных осадков превышает объём вертикальных. Хвойные насаждения конденсируют влаги больше, чем лиственные. Установлена прямая зависимость количества горизонтальных осадков от густоты древостоя.

Водный баланс в лесу Водный баланс — соотношение прихода и расхода воды.

Приходной частью водного баланса (Пр. ч.) конкретного участка леса являются: вертикальные и горизонтальные осадки (О), подземный приток влаги (П) со стороны выше расположенной местности (из водотоков или из глубины от напорных вод), поверхностный сток, включающий сдуваемый с других участков снег или снежные лавины ©. Незначительную роль в лесу по сравнению с открытым пространством играет в верхних горизонтах почвы конденсационная влага (К) из атмосферного воздуха, образующаяся при охлаждении почвы ниже температуры воздуха. Таким образом, приходная часть водного баланса может быть выражена формулой: Пр. ч. = О+П+С+К.

Расходная часть (Р. ч.) зависит от климатических, почвенно-грунтовых условий, степени покрытия почвы растительностью и других условий. На поверхностный сток влаги © расходуется в среднем 15−35%, внутрипочвенный сток (П) — 20−40%, на испарение (И) — 15−50%, транспирацию (Т) — 30−50% общего количества всей влаги. Расходная часть водного баланса выражается формулой:

Р. ч. =Т+И+С+П Водный баланс в лесу выглядит следующим образом:

Пр. ч. = Р. ч. О+П+С+К=Т+И+С+П.

Лес оказывает существенное влияние на отдельные позиции водного баланса. Поверхностный сток в лесу значительно слабее, чем на открытом месте, и может быть близок к нулю. Испарение влаги с поверхности древесного яруса, подлеска и напочвенного покрова зависит от сезона года, интенсивности дождя, силы ветра, состава, формы, сомкнутости крон и возраста древостоя, оно может быть выше, чем с поверхности полевой растительности. Расход воды на испарение с поверхности почвы в лесу всегда ниже, чем в поле. Общий расход воды на транспирацию в лесу больше, чем в поле.

Влияние леса на уровень и сток грунтовых вод.

В лесной зоне влияние леса на уровень грунтовых вод зависит, главным образом, от глубины их залегания и рельефа местности. При глубоком (недоступном для растений) залегании грунтовых вод уровень их под лесами повышается. При невыраженном мезорельефе (перепад высот до 10 м) неглубокий уровень малопроточных вод под лесом понижается. Деревья задерживают на кронах и транспирируют влаги больше, чем другая растительность, а корни осуществляют биодренаж, разрушая водонепроницаемые горизонты (при раскачивании, росте и отмирании корней).

Такое понижение уровня грунтовых вод лесом отмечается не только в лесной зоне. Зарубежные исследователи отмечают иссушение почв лесами особенно в местах систематических засух. Г. Н. Высоцкий на основе изучения водного режима водораздельной, почти ровной, нераспаханной степи после создания Велико-Анадольского леса сформулировал тезис: «Лес сушит равнины и увлажняет горы». Это происходит за счёт горизонтальных осадков, и кроме того, лес переводит поверхностный сток в грунтовый, и тем самым повышает уровень грунтовых вод.

На равнинных участках после рубки леса, несмотря на возникающий слабый поверхностный сток, уровень вод повышается на 0,5−1,0 м, иногда происходит заболачивание вырубки, т.к. корневые системы ещё живы, и «насасывают» воду, а транспирирующая поверхность удалена.

Отрицательные явления, связанные с влагой Действие влаги на лес многообразно в положительных и отрицательных проявлениях. Отрицательно влияют на лес: снеголом, снеговал, ожеледь, град, зимняя засуха, ранневесенняя и летняя засухи, заболачивание почв, подтопление и затопление.

В периоды обильных снегопадов возможно значительное накопление снега и льда на кронах хвойных пород. Кроны ели и пихты с наклонными ветвями легче освобождаются от снега, сосна с хрупкими горизонтальными или приподнятыми ветвями повреждается снегом. Это может закончиться снеголомом — обламыванием ветвей и даже переломом ствола ниже загруженной снегом кроны. Может произойти снеговал — полное вываливание дерева с корнем или сгибание его кроны к земле. Молодые деревца высотой до 4−5 м впоследствии выпрямляются, но более высокие не способны к этому, они повышают пожарную опасность в лесу, и их необходимо удалять (уборка захламленности, санитарные рубки).

Чаще снегом повреждаются перегущенные жердняки с тонкими, сильно вытянутыми стволами, особенно деревья с широкими или однобоко развитыми кронами. В очень густых жердняках сосны и ели вред от навала снега усиливается, т.к. поникшие от перегрузки снегом деревца опираются на кроны соседей. В результате среди хвойных молодняков и жердняков создаются целые группы снеговала и снеголома, на месте которых возникают прогалины. Своевременное разреживание насаждений способно предупредить эти явления, ускорить рост ствола по диаметру, повысить устойчивость деревьев против слома и полегания.

Лиственные породы менее подвержены снеговалу и снеголому, но страдают от ожеледи — льда, намерзающего на поверхности ветвей. Ожеледь образуется в густых дубовых жердняках, кроны и стволы которых поникают от чрезмерной нагрузки. От ожеледи и навала снега страдают насаждения тополя всех возрастов, т.к. у них обламываются крупные ветви, иногда вершины. Наибольшее количество нависающего снега и льда наблюдается на лесных опушках, но опушечные деревья более приспособлены к перегрузкам и менее повреждаются этими явлениями. Снег накапливается в лесу в больших количествах и лучше сохраняется до весны.

Град повреждает листья, цветки, плоды, камбий, ветви и кроны деревьев.

Зимняя засуха возникает при частых оттепелях, когда усиливается перидермальная транспирация, а корневая система в мерзлом грунте не может восполнить потери влаги в живых тканях.

Ранневесенние засухи характерны для лесостепных и степных районов, где сильные ветры и резкие перепады температур, интенсивная инсоляция вызывают обесцвечивание хвои сосны взрослых деревьев и даже их усыхание. Эти засухи сочетается с солнечно-морозным припеком хвои.

Летние засухи характеризуются отмиранием отдельных деревьев, которое может усилиться в ельниках за счет активизации стволовых вредителей (особенно короеда-типографа) и возбудителей корневых гнилей.

Заболачивание почв. При интенсивном заболачивании, также, как и при засухе, происходит ослабление деревьев и заселение их стволовыми вредителями. При недостатке кислорода в почве древесные породы переходят на анаэробное дыхание, но от накопления недоокисленных продуктов обмена веществ наступает токсикоз, и дерево погибает.

Подтоплением называют сохраняющийся во время вегетационного периода уровень почвенно-грунтовых вод выше 80−140 см с зоной аэрации меньше 20−80 см. Избыток воды вытесняет из почвы воздух, что приводит к нарушению дыхания корней. Усиливается процесс денитрификации, увеличивается накопление метана, токсичных восстановленных форм железа и марганца в почве и токсичных органических соединений в растениях.

Задание.

• 1. Изучить влияние леса, целины и черного пара на влажность почвы на различной глубине. Построить графики и сделать заключение (по данным таблицы 15). Ось абсцисс (Х) — влажность, ось ординат (Y) — глубина.
• 2. Проанализировать данные, сделать выводы о возможности защиты растений от указанных повреждений и заполнить таблицу 16.
• 3. Дать обоснование, какой древостой больше подвержен снеголому:
  • а) 10С+Б, 25 лет, полнота 1,0, сосняк мшистый;
  • б) 10Б+С, 25 лет, полнота 1,0, березняк мшистый;
  • в) 7С2Б1Ос, 40 лет, полнота 0,9, сосняк черничный;
  • г) 7С2Б1Ос, 40 лет, полнота 0,5, сосняк черничный;
  • д) 9Е1Б, 50 лет, полнота 0,9, ельник кисличный;
  • е) 9Е1Б, 50 лет, полнота 0,6, ельник кисличный;
  • ж) 9Б1Е, 50 лет, полнота 0,9, березняк кисличный.

Таблица 15 — Изменение влажности почвы, % (по Г. Н. Высоцкому).

Таблица 16 — Неблагоприятное влияние влаги на лес.

Накопление снега в лесу Студенты изучают накопление снега в лесу (парке ботаническом саду) под хвойными и лиственными породами.

Работа проводится в полевых условиях. Первые измерения проводится 10−20 февраля, повторные 10−20 марта. Поводится анализ влияния породы на величину снегонакопления по сторонам света. В течение месяца студенты ведут наблюдения за метеоусловиями (температура, осадки).

• 1 Мерной лентой (сантиметром) и снегомерной линейкой следует измерить глубину снега под одним хвойным и одним лиственным деревьями. Измерения проводятся от ствола до окончания проекции кроны, с интервалом 20 см (10 см) в четырех направлениях от ствола дерева (С, Ю, З, В). Полученные результаты занести в таблицу 17.
• 2 По данным таблицы 17 построить графики зависимости глубины снежного покрова с удаленностью от ствола дерева.
• 3 Почвенным термометром измерить температуру воздуха на поверхности снега, на глубине 10, 20, 30 см и на поверхности почвы.

Таблица 17 — Глубина снежного покрова (первые замеры — дата).

После проведения повторных изменений:

4. Дать анализ изменения динамики снегонакопления и сделать выводы:

состоянии снежного покрова в зависимости от древесной породы;

динамике температуры воздуха и снега на разной глубине;

динамике накопления снега в промежутке от ствола до проекции кроны под хвойным и лиственным деревьями Контрольные вопросы.

• 1. Значение влаги в жизни растений?
• 2. Понятия «требовательность» к влаге и «потребность» древесных пород во влаге?
• 3. Источники поступления влаги в почву?

Классификация различных древесных пород по отношению к влаге?

Формула водного баланса с указанием соотношения влаги в лесу и на вырубке в %?

Снеголом в древостоях: хвойных и лиственных, чистых и смешанных; в молодняках и спелых, густых и редких.

Влияние твердых осадков на лес?

Влияние леса на количество выпадающих осадков над лесом, за пределами леса и на значительном расстоянии от него?.

Влияние летней засухи на различные древостои?

Классификация древесных пород по отношению к влаге в почве?

Влияние леса: а) на поверхностный и внутрипочвенный стоки; б) на физическое испарение и транспирацию влаги ЖНП; в) на влажность почвы и уровень грунтовых вод?

Реакция древесных растений на подтопление и затопление?

5. Лабораторная работа № 5