Лесной фонд планеты и России
Отношение общей площади суши к площади, занятой лесами, выраженное в процентах, называется лесистостью. Для мира в целом этот показатель равен 32,2% (по другим данным, он близок к 25%). Площадь лесов России составляет 870 млн. га, а лесистость страны - 44,8%. Покрытая лесом площадь России меньше общей лесной на 105 млн. га и равна 765 млн. га. За свою историю человек уничтожил около 2/3 площадей лесов, при этом лесистость сократилась с 75% начальной до 25-30% современной. Процесс сокращения лесов продолжается и в настоящее время. Особенно ощутим они даже катастрофичен для тропических лесов. В последнее время большое внимание стали уделять учету и сохранению площадей, не затронутых или слабо затронутых хозяйственной деятельностью. Эти территории представлены в основном лесными землями. В мире доля таких земель близка к 20%, для России их доля более 60%. Для Европы в целом составляет только 4%. В лесах мира сосредоточено 1,65-1,96 триллиона м3 (сухой вес) растительной массы (биомассы). Последняя включает всю надземную (стволы, ветви, листья) и подземную (корни) массу. Стволовая древесина в общей массе составляет около 50%. Очень важным показателем является годовой прирост древесины. Исходя из этих критериев, из лесов мира ежегодно можно изымать около 5,5 млрд. м3 древесины (годичный прирост), а из лесов России более 500 млн. м3. И в том и в другом случае расчетная лесосека используется только на 50-60%. Дело в том, что расчет лесопользования производится применительно ко всем лесам, рубки же проводятся в тех лесах, где это экономически или по другим причинам более выгодно. Например, в России основные лесозаготовки проводились и проводятся в Европейско-Уральском регионе, в то время как основные леса и их прирост находятся в Сибири и на Дальнем Востоке. Сравнимые с рубками масштабы уничтожения лесов, во всяком случае, для России связаны с лесными пожарами. По официальным данным ежегодно леса России вырубаются на площади 2-2,5 млн. га. По другим данным, эта площадь составляет 4-5 млн. га. В среднем столько же леса страдает от пожаров.
Параметры экологических функций лесов. Биохимическая деятельность проявляется через осуществление различных физиологических процессов (фотосинтез, минеральное питание, транспирация, выделение различного рода летучих веществ в среду и т. п.). Механическая деятельность осуществляется через биомассу, ее объем, а также поверхность и проявляется в основном через создание специфического экоклимата внутри и вне сообществ и осаждение содержащихся в воздухе веществ. Первый род деятельности проявляется через скорость образования органического вещества (продуктивность). В лесах и других типах растительности (луга, агроценозы) этот вид деятельности различается несравнимо меньше, чем второй род деятельности (физико-механический). Последний в наибольшей мере присущ лесным экосистемам. Он проявляется через способность долгоживущих древесных растений накапливать большую биомассу, которая сама по себе выступает как фактор воздействия на среду. Под биомассой понимается масса живых организмов (г, кг, т) или отдельных их компонентов, содержащаяся на единице площади (м2, га) или объема (см3, м3) экосистем или их звеньев (растения, животные). Под продуктивностью понимается скорость образования биомассы. Поэтому для ее выражения, кроме площади (объема) и массы, обязательным является время (минута, час, сутки, год) накопления. Биомассу, как и продуктивность, относят обычно к сухому состоянию вещества. Наиболее часто при определении биомассы или продуктивности в качестве единицы площади используют гектар, единицы веса - тонну, единицы времени - год. Наряду с термином «продуктивность» используют термин «продукция». Последняя есть результат продуктивности и близка по значению «биомассе». Продуктивность (биомассу, продукцию), если она производится растениями, называют первичной, если животными, - вторичной. Напомним, что различия между значениями годичной продуктивности и биомассой тем значительнее, чем больше по продолжительности жизни различаются образующие их организмы. Например, годичная продуктивность 1 га однолетних травянистых растений составляет 5-6 т/га. Она ежегодно обновляется и поэтому не отличается по значениям от биомассы, учтенной в конце вегетационного периода на этой же площади. В то же время годичная продуктивность растений взрослого елового леса в тайге обычно также может не выходить за пределы 5-6 т/га, но биомасса растений этого леса составляет 300-400 т/га, т. е. в 60-70 раз больше годичной продуктивности. Кроме общей массы органического (живого) вещества, содержащегося на единице площади, важна его поверхность. С ней связана степень трансформации светового потока, осаждение взвешенных частиц и поглощение химических веществ из воздуха, расходование влаги осадков на смачивание растений и последующее их испарение, конденсация паров воды из воздуха и т. п. Поверхность надземных органов среднепродуктивного соснового леса примерно в 10 раз превышает занимаемую им площадь. Около 80% поверхности приходится на хвою, остальная - на различные части древесины. Есть основание считать не меньшей поверхность подземных органов, особенно мелких корней, выполняющих функции поглощения влаги и минеральных веществ. Еще более значительны различия в длине отдельных частей и органов растений. Для древесных частей (стволы, ветви) она близка к 150 км/га, а для хвои достигает 30 тыс. км/га. Длина подземных частей только для наиболее крупных фракций (пень, скелетные корни) составляет 340 км/га.
Температура почв в лесу. Температура воздуха в силу его высокой подвижности и малой теплоемкости имеет тенденцию быстро изменяться и выравниваться в смежных экосистемах, например в лесах и на открытых пространствах. Полное выравнивание температур происходит только на глубинах более 5-6 метров. Так, в Подмосковье в среднем за май - сентябрь на глубине 5 см под еловым лесом почва была холоднее, чем в поле, на 7,5°С, на глубинах 20-120 см - на 3,0-3,3°С, ниже этой глубины различия температур постепенно уменьшаются до 2,4°С на 320 см и практически до нулевых значений - на глубинах 6-7 м.
Степень влияния лесных полос на прилежащие территории зависит от высоты деревьев и от плотности полога лесопосадок. Так, скорость ветра замедляется вблизи леса на расстоянии равном 20-30-кратной высоте деревьев. Примерно в этих же пределах смягчается действие температур, влажности воздуха ипочв, уменьшается степень и вероятность ветровой эрозии, увеличивается урожайность. Положительное влияние лесных посадок проявляется так же в предотвращении снегопереноса, замедлении снеготаяния, усилении питания грунтовых вод. В силах человека регулировать экологические функции лесных полос. Полосы плотной конструкции (густые и с кустарниками) способствуют местному накоплению снега в полосах и вблизи них. В то же время не плотные (ажурные) полосы (продуваемая конструкция) обусловливают равномерное распределение снега и продуктов эрозии в межполосных пространствах. Можно создавать полосы и такой конструкции, скорость ветра внутри которых будет повышаться как в аэродинамической трубе за счет занятости части пространства стволами деревьев.
Водоохранные функций лесов. В целом по проблеме взаимоотношений лесов и вод, лесов и климата опубликованы сотни книги десятки тысяч статей. Проблема чаще всего рассматривается под названиями «Гидрологическая роль лесов», «Водоохранная роль лесов», «Водоохраннозащитная роль лесов», «Метеорологическая роль лесов» и др. Обилие литературы по проблеме объясняется тем, что в силу неполноты информации об экосистемах на одни и те же вопросы далеко не всегда даются однозначные ответы.
Влияние лесов на грунтовые воды. Более значительное питание грунтовыми водами лесных рек ни в коем случае не означает, что эти реки всегда получают больше влаги и в суммарном выражении (за счет поверхностного и грунтового стока вместе). Ответ на последний вопрос не однозначен и зависит от конкретного сочетания различных факторов (погодные явления, породный состав лесов, их густота и т. п.). Этим и объясняется отмеченная выше неоднозначность точек зрения по вопросу влияния лесов на водное питание рек. Данные свидетельствуют, что с леса выносится в 8-10 раз меньше соединений азота и в 2-3 раза меньше фосфора и других химических элементов, чем с сельскохозяйственных полей. Имеются данные, что в воде, прошедшей через лесную полосу шириной 30 м, содержание NH4 уменьшилось в 5 раз, SО2 -более чем в 6 раз, а фосфора и калия в 10 раз и более. Так, исследования показали, что на склоне крутизной 20°, занятом буковым лесом, эрозия почвы практически полностью отсутствовала. После вырубки леса и вывоза древесины с помощью тяжелой техники эрозия достигла стадии овражной, и вынос ее продуктов водами поверхностного стока составил 300 т/га в год. Такие явления не единичны. В ряде случаев они заканчиваются опустыниванием обширных географических районов. Велико значение растений для очистки вод непосредственно в водоемах. На Американском континенте для этой цели широко применяется один из видов гиацинтов. У нас в стране используют заросли тростника, камыша, рогоза для очистки шахтных и сточных вод. Наряду с элементами, включающимися в биологические процессы (азот, фосфор, калий и другие биогены), растения очищают воду и от таких загрязнителей, как фенолы, нефть, пестициды. Правда, нагрузки при этом не должны превышать пределов устойчивости растений. В противном случае система полностью теряет способность самоочищения. Водоочищающая способность растений (совместно с другими организмами) широко используется для очистки вод на полях орошения. Это территории, занятые различными сельскохозяйственными культурами, куда подаются бытовые и другие сточные воды, насыщенные биогенными элементами, органикой и другими веществами. Благодаря высокой очищающей роли растений такие системы функционируют десятилетиями. В качестве компонентов полей орошения можно использовать не только агроценозы, но и лесные экосистемы.
Проблемы устойчивости лесов в условиях антропогенных нагрузок
Выполнение лесами функций очистки среды связано с их повреждениями, снижением устойчивости и гибелью. Рассмотрим эти явления.
Влияние атмосферных загрязнений на леса. Повреждения и гибель лесов от загрязнений, распространяемых через воздух, относится к числу острейших экологических проблем современности. Высказываются опасения, что некоторые страны, например Германия, Австрия, Чехия, а возможно, и все северное полушарие, могут лишиться лесов в результате их отравления ядами, распространяемыми по воздуху. Например, немецкие ученые с большой тревогой констатируют, что повреждения и гибель лесов от загрязнений охватили почти всю Европу и Северную Америку. В Германии первые признаки этого явления были зарегистрированы в 70-е годы. В 1982 г. доля пораженных лесов составила 8%, а уже к 1986 году она увеличилась до 54% от общей лесной площади. В Чехии загрязнениями поражено не меньше 70% лесов, в Эстонии - 52%, в Литве - 21 %, а в целом по Европе (без Турции и России) - около 35% лесов, что исчисляется миллионами гектаров. Только для Германии площадь больных лесов называется равной 4 млн. га, а в Западной Европе в целом - близка к 8 млн. га. Не единичны очаги полной гибели лесов площадью, равной десяткам тысяч гектаров. Такие явления встречаются, например, в Рурской области Германии, в Северо-Восточной Чехии и в других районах. В наибольшей степени поражаются и гибнут леса на горных, плохо проветриваемых склонах, особенно в зонах хронических туманов или низкой облачности. В целом для Европы динамика площадей, пораженных промышленными выбросами, иллюстрируется следующими значениями: в 1860 г. не более 1 тыс. га, через 100 лет (1956 г.) -150 тыс. га, а за следующие 30 лет (к началу 90-х годов) - до 50 млн. га. Это около 35% от общей площади лесов континента. Для России пораженные леса оцениваются пока долями процента. Площадь их равна 1,5-2,0 млн. га: не более 0,2% от общей лесопокрытой площади. Это является не следствием достижений человека по охране среды от загрязнений, а наличием больших пространств для рассеивания загрязняющих веществ. Очаги пораженных лесов тяготеют к районам с высокой концентрацией промышленных предприятий: Норильск (около 0,5 млн. га лесой), Братск (100 тыс. га), Мончегорск (50 тыс. га). Последствия гибели лесов усугубляются тем, что отравленными оказываются не только деревья или древостой, но и условия обитания, включающие почву, воздух и другие компоненты. Это ведет к разбалансированию экосистем, затрудняет лесовосстановительные работы. Можно перечислить наиболее общие принципы исчезновения и гибели лесов, а также мероприятия по снижению ущерба от данного явления:
1. Существенные повреждения вызывают сернистый ангидрид, окислы азота, озон, фтор, хлор, продукты фотохимического смога (пероксиаце-тилнитраты) и другие вещества. Часто они действуют совместно.
2. Токсикантами в наибольшей мере повреждается ассимиляционный аппарат (разрушаются покровные ткани, хлорофилл, клеточные структуры). Кроме этого, токсиканты, особенно в виде кислых осадков, действуют через выщелачивание биогенных и других веществ, подкисление почв, отравление и разрушение корневых систем. Особенно сильное отравляющее влияние на подземные органы оказывает алюминий, высвобождающийся из минералов и соединений (глинозема) под действием токсикантов (болезнь Альцгеймера).
3. Влияние токсикантов на растения проявляется либо в виде медленных (хронических) отравлений, либо в виде острых поражений типа ожогов. Гибель лесов также может быть медленной (из-реживание и постепенный распад) либо внезапной (катастрофической). Гибели обычно предшествует скрытый период поражения, который затем быстро проявляется на фоне неблагоприятных метеорологических или других факторов (суровые или необыкновенно теплые зимы, летние засухи, размножение вредителей, антропогенные нагрузки и т. п.).
4. Повреждению токсикантами и гибели наиболее подвержены хвойные леса. Одна из причин этого явления - отравление долгоживущей (5-7 лет) хвои. В связи с этим к числу первых признаков поражений хвойных деревьев относится уменьшение продолжительности жизни хвои и степени охвоенности деревьев. Лиственница,
обновляющая хвою ежегодно, отличается несколько большей устойчивостью по сравнению с другими хвойными. Повышенная устойчивость свойственна также часто высаживаемой в городах ели колючей (голубая или серебристая форма).
5. Из лиственных деревьев наиболее подвержены действию токсикантов дуб, бук и другие виды с твердой древесиной. Мягколиственные виды (береза, осина, ольха и др.) более устойчивы. Поэтому вблизи городов и промышленных центров именно они приходят на смену хвойным лесам. При еще более высокой загрязненности лиственные уступают место неприхотливым травянистым растениям.
6. Очень высокую чувствительность к токсикантам проявляют некоторые виды лишайников. Их часто используют в связи с этим как индикаторы загрязнений. Легко поражаются токсикантами также многие культурные растения (томаты, огурцы, гладиолусы). Проявляется повышенная чувствительность отдельных растений к определенным токсикантам. Этот признак, а также характер поражения листьев используются для идентификации загрязнителей.
7. При прочих равных условиях степень устойчивости растений к загрязнителям обычно уменьшается в трудных условиях местообитания (тощие почвы, жесткий климат, воздействие других антропогенных факторов и т. п.). В загрязненной атмосфере сокращается продолжительность жизни древесных и других многолетних растений. Это связано как с хроническим отравлением организмов, так и с повышением чувствительности к токсикантам с возрастом.
8. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязнений, разработанные для человека, часто не приемлемы для многих растений вследствие их более высокой чувствительности к токсикантам. В этой связи для растений используются и разрабатываются более жесткие ПДК загрязнителей. Положение усугубляется тем, что цели защиты экосистем (а не отдельных растений) будут достигнуты только в том случае, если они ориентированы соответственно правилу минимума на защиту не усредненных, а самых чувствительных видов и сообществ.
9. Наряду с ПДК используются некоторые лесоводственно-биологические меры снижения ущерба, причиняемого лесам загрязнениями атмосферы. К ним относятся: выявление и использование наиболее устойчивых видов и форм (экотипов) растений, повышение плодородия почв (удобрения, поливы), ускоренное обновление фитоценозов (до момента их гибели или сильного ослабления), создание плотных опушек вокруг лесных массивов как барьера для проникновения загрязнителей, выведение и внедрение новых сортов и т. д.
Влияние рекреационных нагрузок на леса. Термин «рекреация» все больше входит в употребление. Имеются данные, что городскому жителю для восстановления сил на природе требуется в 4-5 раз меньше времени, чем в условиях города или в других густонаселенных местах. В ряде стран рекреация проводится на коммерческой основе. Ученые США считают, что от организованного отдыха в лесах можно ежегодно получать более 50 млрд. долларов, что существенно выше, чем доход от вырубаемой древесины. Рекреационные ресурсы России (в основном лесные) принимаются равными 240-250 млн. га. Сформировался самостоятельный радел лесоводственной науки-рекреационное лесоводство. Обычно выделяют несколько стадий (чаще всего 5-6) изменения экосистем (лесных насаждений) под влиянием рекреационных нагрузок. Они, как правило, определяются по степени нарушения травянистого, мохового покрова, лесной подстилки и почв, а также по исчезновению типичных для данного леса видов и внедрению новых видов. Для снижения ущерба, причиняемого лесам рекреационными воздействиями, проводятся специальные мероприятия. Важнейшие из них следующие.
1. Нормирование нагрузок. Оно обычно выражается через допустимое количество людей, посещающих леса. Нагрузки существенно различаются в зависимости от видового состава, возраста и других особенностей фитоценозов, а также условий их произрастания. Например, леса из мелколиственных пород (береза, осина) в несколько раз устойчивее к нагрузкам; чем хвойные леса. Молодые и средневозрастные леса устойчивее приспевающих и спелых. Леса сложной структуры (многовидовой состав ярусностй) в богатых почвах устойчивее лесов с меньшим разнообразием и т. п. В этой связи предельно допустимой нагрузкой (ПДН) для лесов средней полосы России считается 25-30 чел./га для березняков и осинников, 7 чел. для сосняков на бедных песчаных почвах и только 1-5 чел./га для влажных еловых лесов.
2. Уменьшение отрицательных последствий нагрузок. Среди них создание тропиночной сети, оборудование стоянок автотранспорта, мест отдыха и другие мероприятия.
3. Проведение разъяснительной и воспитательной работы среди отдыхающих. В их числе издание путеводителей, использование различного рода указателей, оборудование информационно-насыщенных экологических троп, проведение организованных экскурсий и т. п.
4. Регулирование потоков отдыхающих с учетом допустимых нагрузок. Например, действенным является привлечение отдыхающих к наиболее устойчивым экосистемам. Так отдается предпочтение выращиванию березовых лесов. Они охотно посещаются отдыхающими и в то же время характеризуются повышенной устойчивостью. С другой стороны, хвойные леса требуют ограничения нагрузок. Это возможно за счет выращивания густых насаждений, введения в них кустарникового яруса и т. п. Такие участки леса одновременно представляют уголки покоя для животных.
Используются и другие специфические способы ведения хозяйства в рекреационных лесах (ускоренное обновление поколений древостоев, сооружение смотровых площадок, создание малых архитектурных сооружений и т. п.). Действенной и экономически оправданной формой деятельности является введение обоснованной платы за рекреационные услуги.
Специфические проблемы тропических лесов
При общей лесистости суши, близкой к 25%, на тропические леса приходится только 5% поверхности суши или около 20% от всей площади лесов. Вместе с тем в тропических лесах сосредоточено более 50% всего растительного мира суши и около 60% биомассы лесных экосистем. Годичная продуктивность их достигает; 15-20 т/га. Что касается видового богатства, то в этом отношении тропические леса находятся вне конкуренции. Здесь сосредоточено не менее 70% всех живущих на Земле видов растений и животных. Особенно богаты как по видовому разнообразию, так и по запасам органического вещества дождевые тропические леса, которые тянутся широкой полосой вдоль экватора через Южную Америку (в основном Бразилию), Африку (главным образом Заир) и Индонезию. По разным данным, тропические леса уничтожаются со скоростью 12-14 млн. га/год или 20-25 га каждую минуту. Сейчас площадь тропических лесов сократилась примерно наполовину. Имеющиеся расчеты свидетельствуют, что если темпы уничтожения тропических лесов сохранятся, то через 20-30 лет они как экосистемы исчезнут с лица земли. Известно, что в настоящее время описано несколько 6ольше 2 млн. видов организмов. Полагается, что общее число их примерно в три раза больше. Большинство неизвестных видов сосредоточено в тропических лесах. Это значит, что вместе с уничтожаемыми лесами погибнут и многие виды организмов до того, как они станут известными человеку. Тропические леса уничтожаются ради использования древесины (на топливо и экспорт, для погашения долгов и т. п.) и с целью высвобождения площадей для сельскохозяйственных угодий. Следует отметить, что последний путь крайне расточителен. Почвы тропических лесов практически не содержат гумуса, при обработках они быстро истощаются, разрушаются и приходят в негодность. Лесовосстановление на них, как правило, не производится (имеются данные, что восстанавливается не более 10% уничтожаемых тропических лесов), и таким образом на месте максимально богатых экосистем тропических лесов идет процесс деградации территорий и их опустынивание. Из других отрицательных следствий уничтожения тропических лесов следует назвать высвобождение из их биомассы значительных количеств углерода, что несомненно интенсифицирует процессы накопления парниковых газов. Имеются также данные, что гибель тропических лесов может оказать крайне негативные последствия на климат и по той причине, что над ними образуются большие массы теплого воздуха, которые затем передвигаются в более северные районы и вместе с Гольфстримом оказывают утепляющее влияние на Северную и Центральную Европу. С уничтожением лесов не исключается вероятность нарушения таких закономерностей. При сведении не тропических (северных) лесов площади их, как правило, остаются лесными и поздно вновь занимаются лесами (посредством создания лесных культур или самовозобновлением). В результате этого во многих странах, например в Центральной и Западной Европе, в некоторых областях России, площади лесных земель не только не сократились, но даже увеличились. Для тропических лесов типично преобладание однонаправленного процесса - уничтожение без последующего восстановления или восстановления на площадях, несоизмеримых с теми, где они были уничтожены. При этом темпы уничтожения таковы, что их можно приравнять к катастрофе глобального масштаба. Важная особенность тропических лесов связана с присущей им спецификой круговорота веществ. Они значительно превосходят другие экосистемы по интенсивности связывания углерода и других биогенных химических элементов (включение в органическую массу). Вместе с тем круговороты здесь настолько интенсивны и замкнуты, что консервирование углерода в детрите, гумусе и торфонакоплении незначительны. Другими словами, в долговременном плане образование и распад органического вещества, а следовательно, поглощение и высвобождение углекислоты здесь уравновешиваются. В Величие от тропических в бореальных (северных) лесах углерод на более длительное время консервируется в биогенном веществе в виде лесной подстилки, гумуса, торфа). По этой причине при уничтожении тропических лесов с занимаемых ими пространств происходит практически полное высвобождение углерода, что не характерно для бореальных лесов, где основная масса углерода сконцентрирована в почвогрунтах.
Отношение общей площади суши к площади, занятой лесами, выраженное в процентах, называется лесистостью. Для мира в целом этот показатель равен 32,2% (по другим данным, он близок к 25%). Площадь лесов России составляет 870 млн. га, а лесистость страны - 44,8%. Покрытая лесом площадь России меньше общей лесной на 105 млн. га и равна 765 млн. га. За свою историю человек уничтожил около 2/3 площадей лесов, при этом лесистость сократилась с 75% начальной до 25-30% современной. Процесс сокращения лесов продолжается и в настоящее время. Особенно ощутим они даже катастрофичен для тропических лесов. В последнее время большое внимание стали уделять учету и сохранению площадей, не затронутых или слабо затронутых хозяйственной деятельностью. Эти территории представлены в основном лесными землями. В мире доля таких земель близка к 20%, для России их доля более 60%. Для Европы в целом составляет только 4%. В лесах мира сосредоточено 1,65-1,96 триллиона м3 (сухой вес) растительной массы (биомассы). Последняя включает всю надземную (стволы, ветви, листья) и подземную (корни) массу. Стволовая древесина в общей массе составляет около 50%. Очень важным показателем является годовой прирост древесины. Исходя из этих критериев, из лесов мира ежегодно можно изымать около 5,5 млрд. м3 древесины (годичный прирост), а из лесов России более 500 млн. м3. И в том и в другом случае расчетная лесосека используется только на 50-60%. Дело в том, что расчет лесопользования производится применительно ко всем лесам, рубки же проводятся в тех лесах, где это экономически или по другим причинам более выгодно. Например, в России основные лесозаготовки проводились и проводятся в Европейско-Уральском регионе, в то время как основные леса и их прирост находятся в Сибири и на Дальнем Востоке. Сравнимые с рубками масштабы уничтожения лесов, во всяком случае, для России связаны с лесными пожарами. По официальным данным ежегодно леса России вырубаются на площади 2-2,5 млн. га. По другим данным, эта площадь составляет 4-5 млн. га. В среднем столько же леса страдает от пожаров.
Важнейшие экологические функции лесов и их параметры
Параметры экологических функций лесов. Биохимическая деятельность проявляется через осуществление различных физиологических процессов (фотосинтез, минеральное питание, транспирация, выделение различного рода летучих веществ в среду и т. п.). Механическая деятельность осуществляется через биомассу, ее объем, а также поверхность и проявляется в основном через создание специфического экоклимата внутри и вне сообществ и осаждение содержащихся в воздухе веществ. Первый род деятельности проявляется через скорость образования органического вещества (продуктивность). В лесах и других типах растительности (луга, агроценозы) этот вид деятельности различается несравнимо меньше, чем второй род деятельности (физико-механический). Последний в наибольшей мере присущ лесным экосистемам. Он проявляется через способность долгоживущих древесных растений накапливать большую биомассу, которая сама по себе выступает как фактор воздействия на среду. Под биомассой понимается масса живых организмов (г, кг, т) или отдельных их компонентов, содержащаяся на единице площади (м2, га) или объема (см3, м3) экосистем или их звеньев (растения, животные). Под продуктивностью понимается скорость образования биомассы. Поэтому для ее выражения, кроме площади (объема) и массы, обязательным является время (минута, час, сутки, год) накопления. Биомассу, как и продуктивность, относят обычно к сухому состоянию вещества. Наиболее часто при определении биомассы или продуктивности в качестве единицы площади используют гектар, единицы веса - тонну, единицы времени - год. Наряду с термином «продуктивность» используют термин «продукция». Последняя есть результат продуктивности и близка по значению «биомассе». Продуктивность (биомассу, продукцию), если она производится растениями, называют первичной, если животными, - вторичной. Напомним, что различия между значениями годичной продуктивности и биомассой тем значительнее, чем больше по продолжительности жизни различаются образующие их организмы. Например, годичная продуктивность 1 га однолетних травянистых растений составляет 5-6 т/га. Она ежегодно обновляется и поэтому не отличается по значениям от биомассы, учтенной в конце вегетационного периода на этой же площади. В то же время годичная продуктивность растений взрослого елового леса в тайге обычно также может не выходить за пределы 5-6 т/га, но биомасса растений этого леса составляет 300-400 т/га, т. е. в 60-70 раз больше годичной продуктивности. Кроме общей массы органического (живого) вещества, содержащегося на единице площади, важна его поверхность. С ней связана степень трансформации светового потока, осаждение взвешенных частиц и поглощение химических веществ из воздуха, расходование влаги осадков на смачивание растений и последующее их испарение, конденсация паров воды из воздуха и т. п. Поверхность надземных органов среднепродуктивного соснового леса примерно в 10 раз превышает занимаемую им площадь. Около 80% поверхности приходится на хвою, остальная - на различные части древесины. Есть основание считать не меньшей поверхность подземных органов, особенно мелких корней, выполняющих функции поглощения влаги и минеральных веществ. Еще более значительны различия в длине отдельных частей и органов растений. Для древесных частей (стволы, ветви) она близка к 150 км/га, а для хвои достигает 30 тыс. км/га. Длина подземных частей только для наиболее крупных фракций (пень, скелетные корни) составляет 340 км/га.
Углеродная функция лесов. До конца не выяснена роль растений во влиянии их на угарный газ. Некоторая часть СО усваивается, по-видимому, через ассимиляционный аппарат. Отрицательное воздействие этого газа на растения не регистрировалось. Имеются наблюдения, что в присутствии угарного газа интенсифицируется отрицательный эффект других полютантов, например сернистого ангидрида. Большая часть СО, по-видимому, превращается в С02 или связывается почвенными бактериями. Замечено, что интенсивность связывания тем значительнее, чем богаче почва органикой. Почвенным бактериям принадлежит также основная роль в усвоении и разложении (до углекислоты и воды) метана. Со вторым родом деятельности связано в основном осаждение взвешенных частиц. Оно может происходить как в сухом (под влиянием силы тяжести), так и в мокром виде после растворения в атмосферных осадках или водяном паре. Очистка воздуха в лесных массивах в несколько раз (до 20-30) интенсивнее, чем на не лесных территориях. При высокой запыленности воздуха 1 га леса может поглощать и осаждать до 50-60 т пыли за год. Этот же эффект проявляют полезащитные полосы по очистке воздуха от продуктов ветровой эрозии почв. Лесные насаждения существенно уменьшают шумовой эффект, сокращают дальность распространения звуков. Следует, однако, иметь в виду, что плотные лесные полосы вдоль дорог могут играть и отрицательную роль, создавая условия для накопления продуктов сгорания и других вредных веществ в результате замедленного воздухообмена. С нейтрализацией загрязнений растениями неизбежно связаны и отрицательные последствия для жизнедеятельности растений. Этому посвящен отдельный раздел данной главы.
Температура почв в лесу. Температура воздуха в силу его высокой подвижности и малой теплоемкости имеет тенденцию быстро изменяться и выравниваться в смежных экосистемах, например в лесах и на открытых пространствах. Полное выравнивание температур происходит только на глубинах более 5-6 метров. Так, в Подмосковье в среднем за май - сентябрь на глубине 5 см под еловым лесом почва была холоднее, чем в поле, на 7,5°С, на глубинах 20-120 см - на 3,0-3,3°С, ниже этой глубины различия температур постепенно уменьшаются до 2,4°С на 320 см и практически до нулевых значений - на глубинах 6-7 м.
Степень влияния лесных полос на прилежащие территории зависит от высоты деревьев и от плотности полога лесопосадок. Так, скорость ветра замедляется вблизи леса на расстоянии равном 20-30-кратной высоте деревьев. Примерно в этих же пределах смягчается действие температур, влажности воздуха ипочв, уменьшается степень и вероятность ветровой эрозии, увеличивается урожайность. Положительное влияние лесных посадок проявляется так же в предотвращении снегопереноса, замедлении снеготаяния, усилении питания грунтовых вод. В силах человека регулировать экологические функции лесных полос. Полосы плотной конструкции (густые и с кустарниками) способствуют местному накоплению снега в полосах и вблизи них. В то же время не плотные (ажурные) полосы (продуваемая конструкция) обусловливают равномерное распределение снега и продуктов эрозии в межполосных пространствах. Можно создавать полосы и такой конструкции, скорость ветра внутри которых будет повышаться как в аэродинамической трубе за счет занятости части пространства стволами деревьев.
Водоохранные функций лесов. В целом по проблеме взаимоотношений лесов и вод, лесов и климата опубликованы сотни книги десятки тысяч статей. Проблема чаще всего рассматривается под названиями «Гидрологическая роль лесов», «Водоохранная роль лесов», «Водоохраннозащитная роль лесов», «Метеорологическая роль лесов» и др. Обилие литературы по проблеме объясняется тем, что в силу неполноты информации об экосистемах на одни и те же вопросы далеко не всегда даются однозначные ответы.
Влияние лесов на грунтовые воды. Более значительное питание грунтовыми водами лесных рек ни в коем случае не означает, что эти реки всегда получают больше влаги и в суммарном выражении (за счет поверхностного и грунтового стока вместе). Ответ на последний вопрос не однозначен и зависит от конкретного сочетания различных факторов (погодные явления, породный состав лесов, их густота и т. п.). Этим и объясняется отмеченная выше неоднозначность точек зрения по вопросу влияния лесов на водное питание рек. Данные свидетельствуют, что с леса выносится в 8-10 раз меньше соединений азота и в 2-3 раза меньше фосфора и других химических элементов, чем с сельскохозяйственных полей. Имеются данные, что в воде, прошедшей через лесную полосу шириной 30 м, содержание NH4 уменьшилось в 5 раз, SО2 -более чем в 6 раз, а фосфора и калия в 10 раз и более. Так, исследования показали, что на склоне крутизной 20°, занятом буковым лесом, эрозия почвы практически полностью отсутствовала. После вырубки леса и вывоза древесины с помощью тяжелой техники эрозия достигла стадии овражной, и вынос ее продуктов водами поверхностного стока составил 300 т/га в год. Такие явления не единичны. В ряде случаев они заканчиваются опустыниванием обширных географических районов. Велико значение растений для очистки вод непосредственно в водоемах. На Американском континенте для этой цели широко применяется один из видов гиацинтов. У нас в стране используют заросли тростника, камыша, рогоза для очистки шахтных и сточных вод. Наряду с элементами, включающимися в биологические процессы (азот, фосфор, калий и другие биогены), растения очищают воду и от таких загрязнителей, как фенолы, нефть, пестициды. Правда, нагрузки при этом не должны превышать пределов устойчивости растений. В противном случае система полностью теряет способность самоочищения. Водоочищающая способность растений (совместно с другими организмами) широко используется для очистки вод на полях орошения. Это территории, занятые различными сельскохозяйственными культурами, куда подаются бытовые и другие сточные воды, насыщенные биогенными элементами, органикой и другими веществами. Благодаря высокой очищающей роли растений такие системы функционируют десятилетиями. В качестве компонентов полей орошения можно использовать не только агроценозы, но и лесные экосистемы.
Проблемы устойчивости лесов в условиях антропогенных нагрузок
Выполнение лесами функций очистки среды связано с их повреждениями, снижением устойчивости и гибелью. Рассмотрим эти явления.
Влияние атмосферных загрязнений на леса. Повреждения и гибель лесов от загрязнений, распространяемых через воздух, относится к числу острейших экологических проблем современности. Высказываются опасения, что некоторые страны, например Германия, Австрия, Чехия, а возможно, и все северное полушарие, могут лишиться лесов в результате их отравления ядами, распространяемыми по воздуху. Например, немецкие ученые с большой тревогой констатируют, что повреждения и гибель лесов от загрязнений охватили почти всю Европу и Северную Америку. В Германии первые признаки этого явления были зарегистрированы в 70-е годы. В 1982 г. доля пораженных лесов составила 8%, а уже к 1986 году она увеличилась до 54% от общей лесной площади. В Чехии загрязнениями поражено не меньше 70% лесов, в Эстонии - 52%, в Литве - 21 %, а в целом по Европе (без Турции и России) - около 35% лесов, что исчисляется миллионами гектаров. Только для Германии площадь больных лесов называется равной 4 млн. га, а в Западной Европе в целом - близка к 8 млн. га. Не единичны очаги полной гибели лесов площадью, равной десяткам тысяч гектаров. Такие явления встречаются, например, в Рурской области Германии, в Северо-Восточной Чехии и в других районах. В наибольшей степени поражаются и гибнут леса на горных, плохо проветриваемых склонах, особенно в зонах хронических туманов или низкой облачности. В целом для Европы динамика площадей, пораженных промышленными выбросами, иллюстрируется следующими значениями: в 1860 г. не более 1 тыс. га, через 100 лет (1956 г.) -150 тыс. га, а за следующие 30 лет (к началу 90-х годов) - до 50 млн. га. Это около 35% от общей площади лесов континента. Для России пораженные леса оцениваются пока долями процента. Площадь их равна 1,5-2,0 млн. га: не более 0,2% от общей лесопокрытой площади. Это является не следствием достижений человека по охране среды от загрязнений, а наличием больших пространств для рассеивания загрязняющих веществ. Очаги пораженных лесов тяготеют к районам с высокой концентрацией промышленных предприятий: Норильск (около 0,5 млн. га лесой), Братск (100 тыс. га), Мончегорск (50 тыс. га). Последствия гибели лесов усугубляются тем, что отравленными оказываются не только деревья или древостой, но и условия обитания, включающие почву, воздух и другие компоненты. Это ведет к разбалансированию экосистем, затрудняет лесовосстановительные работы. Можно перечислить наиболее общие принципы исчезновения и гибели лесов, а также мероприятия по снижению ущерба от данного явления:
1. Существенные повреждения вызывают сернистый ангидрид, окислы азота, озон, фтор, хлор, продукты фотохимического смога (пероксиаце-тилнитраты) и другие вещества. Часто они действуют совместно.
2. Токсикантами в наибольшей мере повреждается ассимиляционный аппарат (разрушаются покровные ткани, хлорофилл, клеточные структуры). Кроме этого, токсиканты, особенно в виде кислых осадков, действуют через выщелачивание биогенных и других веществ, подкисление почв, отравление и разрушение корневых систем. Особенно сильное отравляющее влияние на подземные органы оказывает алюминий, высвобождающийся из минералов и соединений (глинозема) под действием токсикантов (болезнь Альцгеймера).
3. Влияние токсикантов на растения проявляется либо в виде медленных (хронических) отравлений, либо в виде острых поражений типа ожогов. Гибель лесов также может быть медленной (из-реживание и постепенный распад) либо внезапной (катастрофической). Гибели обычно предшествует скрытый период поражения, который затем быстро проявляется на фоне неблагоприятных метеорологических или других факторов (суровые или необыкновенно теплые зимы, летние засухи, размножение вредителей, антропогенные нагрузки и т. п.).
4. Повреждению токсикантами и гибели наиболее подвержены хвойные леса. Одна из причин этого явления - отравление долгоживущей (5-7 лет) хвои. В связи с этим к числу первых признаков поражений хвойных деревьев относится уменьшение продолжительности жизни хвои и степени охвоенности деревьев. Лиственница,
обновляющая хвою ежегодно, отличается несколько большей устойчивостью по сравнению с другими хвойными. Повышенная устойчивость свойственна также часто высаживаемой в городах ели колючей (голубая или серебристая форма).
5. Из лиственных деревьев наиболее подвержены действию токсикантов дуб, бук и другие виды с твердой древесиной. Мягколиственные виды (береза, осина, ольха и др.) более устойчивы. Поэтому вблизи городов и промышленных центров именно они приходят на смену хвойным лесам. При еще более высокой загрязненности лиственные уступают место неприхотливым травянистым растениям.
6. Очень высокую чувствительность к токсикантам проявляют некоторые виды лишайников. Их часто используют в связи с этим как индикаторы загрязнений. Легко поражаются токсикантами также многие культурные растения (томаты, огурцы, гладиолусы). Проявляется повышенная чувствительность отдельных растений к определенным токсикантам. Этот признак, а также характер поражения листьев используются для идентификации загрязнителей.
7. При прочих равных условиях степень устойчивости растений к загрязнителям обычно уменьшается в трудных условиях местообитания (тощие почвы, жесткий климат, воздействие других антропогенных факторов и т. п.). В загрязненной атмосфере сокращается продолжительность жизни древесных и других многолетних растений. Это связано как с хроническим отравлением организмов, так и с повышением чувствительности к токсикантам с возрастом.
8. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязнений, разработанные для человека, часто не приемлемы для многих растений вследствие их более высокой чувствительности к токсикантам. В этой связи для растений используются и разрабатываются более жесткие ПДК загрязнителей. Положение усугубляется тем, что цели защиты экосистем (а не отдельных растений) будут достигнуты только в том случае, если они ориентированы соответственно правилу минимума на защиту не усредненных, а самых чувствительных видов и сообществ.
9. Наряду с ПДК используются некоторые лесоводственно-биологические меры снижения ущерба, причиняемого лесам загрязнениями атмосферы. К ним относятся: выявление и использование наиболее устойчивых видов и форм (экотипов) растений, повышение плодородия почв (удобрения, поливы), ускоренное обновление фитоценозов (до момента их гибели или сильного ослабления), создание плотных опушек вокруг лесных массивов как барьера для проникновения загрязнителей, выведение и внедрение новых сортов и т. д.
Влияние рекреационных нагрузок на леса. Термин «рекреация» все больше входит в употребление. Имеются данные, что городскому жителю для восстановления сил на природе требуется в 4-5 раз меньше времени, чем в условиях города или в других густонаселенных местах. В ряде стран рекреация проводится на коммерческой основе. Ученые США считают, что от организованного отдыха в лесах можно ежегодно получать более 50 млрд. долларов, что существенно выше, чем доход от вырубаемой древесины. Рекреационные ресурсы России (в основном лесные) принимаются равными 240-250 млн. га. Сформировался самостоятельный радел лесоводственной науки-рекреационное лесоводство. Обычно выделяют несколько стадий (чаще всего 5-6) изменения экосистем (лесных насаждений) под влиянием рекреационных нагрузок. Они, как правило, определяются по степени нарушения травянистого, мохового покрова, лесной подстилки и почв, а также по исчезновению типичных для данного леса видов и внедрению новых видов. Для снижения ущерба, причиняемого лесам рекреационными воздействиями, проводятся специальные мероприятия. Важнейшие из них следующие.
1. Нормирование нагрузок. Оно обычно выражается через допустимое количество людей, посещающих леса. Нагрузки существенно различаются в зависимости от видового состава, возраста и других особенностей фитоценозов, а также условий их произрастания. Например, леса из мелколиственных пород (береза, осина) в несколько раз устойчивее к нагрузкам; чем хвойные леса. Молодые и средневозрастные леса устойчивее приспевающих и спелых. Леса сложной структуры (многовидовой состав ярусностй) в богатых почвах устойчивее лесов с меньшим разнообразием и т. п. В этой связи предельно допустимой нагрузкой (ПДН) для лесов средней полосы России считается 25-30 чел./га для березняков и осинников, 7 чел. для сосняков на бедных песчаных почвах и только 1-5 чел./га для влажных еловых лесов.
2. Уменьшение отрицательных последствий нагрузок. Среди них создание тропиночной сети, оборудование стоянок автотранспорта, мест отдыха и другие мероприятия.
3. Проведение разъяснительной и воспитательной работы среди отдыхающих. В их числе издание путеводителей, использование различного рода указателей, оборудование информационно-насыщенных экологических троп, проведение организованных экскурсий и т. п.
4. Регулирование потоков отдыхающих с учетом допустимых нагрузок. Например, действенным является привлечение отдыхающих к наиболее устойчивым экосистемам. Так отдается предпочтение выращиванию березовых лесов. Они охотно посещаются отдыхающими и в то же время характеризуются повышенной устойчивостью. С другой стороны, хвойные леса требуют ограничения нагрузок. Это возможно за счет выращивания густых насаждений, введения в них кустарникового яруса и т. п. Такие участки леса одновременно представляют уголки покоя для животных.
Используются и другие специфические способы ведения хозяйства в рекреационных лесах (ускоренное обновление поколений древостоев, сооружение смотровых площадок, создание малых архитектурных сооружений и т. п.). Действенной и экономически оправданной формой деятельности является введение обоснованной платы за рекреационные услуги.
Специфические проблемы тропических лесов
При общей лесистости суши, близкой к 25%, на тропические леса приходится только 5% поверхности суши или около 20% от всей площади лесов. Вместе с тем в тропических лесах сосредоточено более 50% всего растительного мира суши и около 60% биомассы лесных экосистем. Годичная продуктивность их достигает; 15-20 т/га. Что касается видового богатства, то в этом отношении тропические леса находятся вне конкуренции. Здесь сосредоточено не менее 70% всех живущих на Земле видов растений и животных. Особенно богаты как по видовому разнообразию, так и по запасам органического вещества дождевые тропические леса, которые тянутся широкой полосой вдоль экватора через Южную Америку (в основном Бразилию), Африку (главным образом Заир) и Индонезию. По разным данным, тропические леса уничтожаются со скоростью 12-14 млн. га/год или 20-25 га каждую минуту. Сейчас площадь тропических лесов сократилась примерно наполовину. Имеющиеся расчеты свидетельствуют, что если темпы уничтожения тропических лесов сохранятся, то через 20-30 лет они как экосистемы исчезнут с лица земли. Известно, что в настоящее время описано несколько 6ольше 2 млн. видов организмов. Полагается, что общее число их примерно в три раза больше. Большинство неизвестных видов сосредоточено в тропических лесах. Это значит, что вместе с уничтожаемыми лесами погибнут и многие виды организмов до того, как они станут известными человеку. Тропические леса уничтожаются ради использования древесины (на топливо и экспорт, для погашения долгов и т. п.) и с целью высвобождения площадей для сельскохозяйственных угодий. Следует отметить, что последний путь крайне расточителен. Почвы тропических лесов практически не содержат гумуса, при обработках они быстро истощаются, разрушаются и приходят в негодность. Лесовосстановление на них, как правило, не производится (имеются данные, что восстанавливается не более 10% уничтожаемых тропических лесов), и таким образом на месте максимально богатых экосистем тропических лесов идет процесс деградации территорий и их опустынивание. Из других отрицательных следствий уничтожения тропических лесов следует назвать высвобождение из их биомассы значительных количеств углерода, что несомненно интенсифицирует процессы накопления парниковых газов. Имеются также данные, что гибель тропических лесов может оказать крайне негативные последствия на климат и по той причине, что над ними образуются большие массы теплого воздуха, которые затем передвигаются в более северные районы и вместе с Гольфстримом оказывают утепляющее влияние на Северную и Центральную Европу. С уничтожением лесов не исключается вероятность нарушения таких закономерностей. При сведении не тропических (северных) лесов площади их, как правило, остаются лесными и поздно вновь занимаются лесами (посредством создания лесных культур или самовозобновлением). В результате этого во многих странах, например в Центральной и Западной Европе, в некоторых областях России, площади лесных земель не только не сократились, но даже увеличились. Для тропических лесов типично преобладание однонаправленного процесса - уничтожение без последующего восстановления или восстановления на площадях, несоизмеримых с теми, где они были уничтожены. При этом темпы уничтожения таковы, что их можно приравнять к катастрофе глобального масштаба. Важная особенность тропических лесов связана с присущей им спецификой круговорота веществ. Они значительно превосходят другие экосистемы по интенсивности связывания углерода и других биогенных химических элементов (включение в органическую массу). Вместе с тем круговороты здесь настолько интенсивны и замкнуты, что консервирование углерода в детрите, гумусе и торфонакоплении незначительны. Другими словами, в долговременном плане образование и распад органического вещества, а следовательно, поглощение и высвобождение углекислоты здесь уравновешиваются. В Величие от тропических в бореальных (северных) лесах углерод на более длительное время консервируется в биогенном веществе в виде лесной подстилки, гумуса, торфа). По этой причине при уничтожении тропических лесов с занимаемых ими пространств происходит практически полное высвобождение углерода, что не характерно для бореальных лесов, где основная масса углерода сконцентрирована в почвогрунтах.
