В равнинной местности сравнительно редко наблюдаются явления конденсации водяного пара на кронах деревьев. Только поздней осенью и во время зимних оттепелей эти явления имеют место и дают представление о том, что такое лесные дожди, т. е. дожди, выпадающие в лесу и отсутствующие в поле. Подобные явления — капель, иней, ожеледь или горизонтальные осадки прибавляют лесу в равнинных условиях 5—6% к сумме осадков, выпадавших в поле. Опушки, особенно западные, повышают этот процент до 8—10.
Между тем на морских и океанических побережьях, а особенно в горных условиях, лес способен удваивать, а иногда даже утраивать количество получаемых на открытом месте вертикальных осадков — дождя и снега. О том, что это действительно так, свидетельствуют прямые данные дождемерных пунктов в поле и под кронами деревьев.
Приводим данные, полученные на горе Вильсон в Калифорнии на высоте 1785 м (Киттредж, 1948).
Количество осадков под пологом деревьев и на открытом месте
Приведенные данные показывают, что количество горизонтальных осадков увеличивается пропорционально высоте насаждения. Оно удваивается по сравнению с открытой местностью, если насаждение имеет около 12—14 м высоты, и почти утраивается, если высота насаждения достигает 24—25 м. Это и понятно, так как свойственная горным склонам конденсация капелек тумана происходит на кронах (листьях и ветвях) деревьев и подлеска. Чем выше и сложнее по строению древостой, тем его суммарная поверхность больше и соответственно продуктивнее конденсация. Но не только эта сторона явления важна для объяснения прибавки осадков от увеличения высоты деревьев. Немалую роль играет самый процесс прохождения через лес воздушных масс, содержащих капельки тумана (по существу — прохождение облаков). Замедление движения воздуха в более высоких и сложных насаждениях способствует более полной разгрузке его от влаги.
Доказательством справедливости столь значительного увеличения осадков в лесистых горах в результате конденсации водяных паров и тумана являются также расчеты речного стока. Они показывают, что из верхних горных зон, покрытых густыми темнохвойными лесами, реки выносят гораздо больше влаги, чем выпадает дождя и снега.
Испарение с поверхности почвы. Поверхностный и внутренний сток в лесу и в поле
Еще первыми своими исследованиями в 1893 г. Г. Н. Высоцкий показал, что лес полностью устраняет поверхностный сток и по сравнению с нолем значительно уменьшает испарение с поверхности почвы. Уменьшение солнечной радиации и силы ветра под пологом леса, наличие лесной подстилки, прикрывающей почву, рыхлость и водопроницаемость верхнего слоя лесной почвы объясняют этот эффект. По данным Фернау (1902), насыщенная водой почва, прикрытая лесной подстилкой, в условиях леса испаряла 14% от того количества влаги, которое она испаряла на открытом месте без подстилки. Следовательно, лес способен намного сокращать испарение с поверхности почвы по сравнению с испарением среди открытого, безлесного пространства.
Поступающие под полог леса осадки в условиях ровной поверхности полностью входят в почву. Водопроницаемость лесной почвы очень велика; в дубравах на лесных суглинках не уплотненный пастьбой скота верхний почвенный горизонт пропускает 10-сантиметровый слой воды в течение 0,5 мин (П. К. Фальковский, 1931). Под сосновыми и еловыми древостоями-черничниками скорость прохождения такого же слоя воды зависит от влажности самой почвы, но все же не превышает 3—5 мин (Б. А. Сазыкин, 1938). Даже на крутых склонах балок под смешанными дубравами поверхностный сток наблюдается лишь в редких случаях, а именно — после уплотнения почвы пастьбой скота или на сплошных лесосеках, где атмосферная влага поступает в более короткие сроки. Но и в этом случае, если сохраняется лесная подстилка и подлесок, движение образующихся на поверхности почвы мелких струй затормаживается и они теряют свою живую силу.
Только после уничтожения подстилки и сильного уплотнения почвы происходит твердый сток, т. е. снос частиц почвы. Жидкий сток в нормальном лесу, не потерявшем своей целостности, обычно отсутствует. Он может иметь место на крутых склонах, но редко превышает 3—5% от осадков, достигших почвы. В том же лесу, где подстилка утрачена, а почва уплотнена, жидкий сток доходит до 60—70% осадков и проявляется поверхностная, а местами и глубинная эрозия склонов (С. С. Соболев, 1956).
Потеря влаги на поверхностный сток в лесу вызывает иссушение почв, снижение баланса влаги, потерю прироста, суховершинность и в конечном итоге полное усыхание ослабевших насаждений от нападения вредителей. Менее чувствительны к потерям влаги леса на более влажных почвах и на песках, что объясняется присущей песку стойкостью по отношению к механическому уплотнению, постоянно высокой водопроницаемостью и малой влагоемкостью, почти не изменяющейся даже от пастьбы скота.
Внутренний или глубинный сток идет на пополнение грунтовых вод. Различают внутрипочвенный сток над уплотненным и во влажном состоянии водонепроницаемым иллювиальным горизонтом в подзолистых почвах на склонах. Этот сток проявляется лишь в ранневесеннее время, реже зимой (А. А. Роде, 1947). Внутренний сток до грунтовых вод свойствен лесу — накопителю вод в горных условиях, а в равнинных — на местах с близким горизонтом грунтовых вод. Он также ограничивается зимним и весенним сезоном. Что касается глубоководных местоположений, то лес может способствовать питанию грунтовых вод глубинным стоком лишь в отдельных местоположениях: на песках и на опушках. Особенно это свойственно полезащитным лесным полосам, в наибольшей мере тем, которые расположены в приовражной зоне. Зимние ветры приносят сюда снег, сдуваемый с соседних полей; в результате аккумуляции снега лесные опушки становятся важными факторами глубинного стока и питания грунтовых вод. Такие места Г. Н. Высоцкий называл потускулами.
Расход влаги и транспирация древесных пород и древостоев
Первые точные исследования прихода и расхода (баланса) влаги в лесу и в поле осуществил Г. Н. Высоцкий на Велико-Анадольском участке докучаевской экспедиции. Весной разница в увлажнении почвы под лесом и полем незначительна. Различие начинает устанавливаться лишь с летнего усиления расхода почвенной влаги (с июня—июля), и затем оно нарастает вплоть до окончания вегетации. К началу осени почва достигает минимальной влажности всюду и особенно сильно и глубоко иссушается под лесом, где она достигает мертвого запаса влаги. Однако самый верхний горизонт в лесу остается более влажным, чем в поле и на открытой, пока еще необлесненной сплошной лесосеке, где в засушливые периоды влажность также падает до мертвого запаса. Соответствующие иллюстрации мы приводим на рисунках, характеризующих динамику влажности почвы в поле и соседнем лесу на черноземных почвах в течение 4 лет на глубину 5 м (П. С. Погребняк, А. С. Скородумов и др., 1958).
В. В. Докучаев, П. В. Отоцкий, П. А. Костычев, Г. Ф. Морозов, Г. Н. Высоцкий многократно устанавливали понижение уровня грунтовых вод под лесом к осени, факты заболачивания местностей с близким уровнем грунтовых вод после рубки леса и их разболачивания по мере естественного зарастания вырубок новым лесным поколением. Эти факты, как и данные изучения почвенной влажности, в том числе и баланса ее в лесу и в поле, свидетельствуют о том, что лес является мощным регулятором водного баланса, что его корни поглощают большое количество влаги из почвы, а листья испаряют много влаги в атмосферу.
Совершенно необоснованной и просто ошибочной является субъективная характеристика леса как «расхитителя почвенной влаги» на основании значительного испарения влаги лесом. Климатолог проф. О. А. Дроздов (1959), указывая на важную роль испарений с суши как источника осадкообразования, замечает: «при отсутствии испарения внутренние части материков обратились бы в пустыню». По О. А. Дроздову, испарение с материка поддерживает относительную влажность воздуха на уровне, обеспечивающем осадкообразование на равнинах. Роль испарения влаги лесами особенно актуальна в областях, где влажность воздуха в летнее время не падает ниже 55%. Здесь отдача влаги в атмосферу вызывает выпадение соответствующего количества осадков местного, конвекционного происхождения. Следовательно, лес увеличивает количество осадков пропорционально своему испарению. По данным Валдайской гидрологической лаборатории за 1955—1958 гг., суммарное испарение леса оказалось на 22% больше испарения в аналогичных полевых участках (В. Н. Кузнецов и др., 1959). Величина общего испарения является одновременно показателем, насколько лес способен увеличивать количество осадков в данных условиях.
В прошлом веке лесоводы и климатологи пытались измерить влияние леса на количество осадков путем параллельной установки дождемеров в лесу и на соседнем поле (метод парных дождемерных установок). Это способ как бы исходит из предположения, что между атмосферой над лесом и над полем существует некая непереходимая, стабильная граница, обеспечивающая обоим этим видам угодий независимое самостоятельное влияние на количество осадков. Этот метод в таком виде несостоятелен.
Общий расход влаги лесом и «тесной почвой различается в зависимости от далеководных и близководных позиций: первые соответствуют большинству сухих и свежих гигротопов, вторые — влажным, сырым и заболоченным.
Данные водного баланса для далеководных местообитаний нашей равнины, полученные Г. Н. Высоцким, П. К. Фальковским, А. С. Скородумовым, А. А. Молчановым, С. В. Зонном и другими исследователями, свидетельствуют о том, что взрослый лес полностью расходует подвижные запасы влаги почвы. Общий его годовой расход, включающий и задержание осадков кронами, равняется в большинстве случаев годовому количеству осадков. На собственно транспирацию у сосны и дуба уходит около 60—70% годовой суммы осадков, около 20% утрачивается на физическое (нерабочее) испарение с поверхности крон деревьев и около 15—18% — на испарение почвы (данные Тростянецкой лесной опытной станции, Чернолесского опорного пункта и др.). В условиях сельскохозяйственных полей юго-востока (А. М. Вялый, 1960) примерно 40% влаги уходит на испарение с поверхности почвы, на транспирацию 35—40%, на задержание осадков листьями 10—12%, на поверхностный сток остальное, т. е. 8—15%. Интересно, что в водном балансе леса и полевых культур осенне-зимние осадки составили примерно одну и ту же долю — свыше 70%, но на далеководных песках около-25%.
Транспирацию в засушливом климате ограничивает недостаток осадков. Засухоустойчивые породы (ксерофиты и ультраксерофиты) способны переживать засуху в своеобразном засушливом оцепенении, порой не расходуя влагу на испарение. Многие мезофиты, как уже было упомянуто, во время засухи сбрасывают листву полностью или сокращают ее количество. В противоположных условиях — на заболоченных почвах ксерофиты и мезофиты испаряют мало и испытывают угнетение от анаэробиоза в почве. Только ольха, тополи и ивы способны рекордно транспирировать влагу. В наших вегетационных опытах по изучению анаэробиоза только с помощью двух-трехкратного полива в день удавалось поддерживать затопление в сосудах с тополями и ивами на заданном высоком уровне.
На основе имеющихся данных П. К. Фальковского (1929), Ю. Ф. Готшалка (1934), П. С. Погребняка, А. С. Скородумова (1952) и др. можно сделать с помощью интерполяций выводы, что дубравные гигротопы имеют следующие бюджеты влаги для транспирации (в мм):
- 0—100 = 150
- 1—150 = 300
- 2—300 = 400
- 3—400 = 600
- 4—600 = 800
По А. А. Роде (1955), «причинами иссушающего действия леса на почвы являются: значительная величина десукции — большая, чем у других типов растительного покрова; более длительный вегетационный период и задерживающее действие крон на атмосферные осадки, вследствие которого количество осадков, поступающих в почву, уменьшается». Упоминаемый вывод справедлив для равнинных местностей. Известное явление заболачивания сплошных вырубок в равнинных условиях и осушения их поднимающимся молодым древостоем является одним из широко распространенных и наглядных его доказательств. Что же касается склонов, холмов, рассеченных местностей и горных стран, то большой расход лесом влаги в этом случае перекрывается: 1) увеличением количества конденсационных (вертикальных) осадков: 2) уменьшением расхода на поверхностный сток; 3) сохранением от эрозии главного вместилища влаги — влагоемкого почвенного горизонта, который существует до тех пор, пока существует лес, и утрачивается после его уничтожения. На этом основании Г. Н. Высоцкий формулирует известный свой тезис: «лес сушит равнины (т. е. почвы равнин) и увлажняет горы («горы» здесь приняты в упомянутом широком смысле).
Поселяясь в засушливых местообитаниях — на склонах и холмах, теряющих большую часть осадков на поверхностный сток, лес обращает эти потерн на увлажнение почвы. На бессточных равнинах, в избыточно увлажняемых низинах лес с помощью мощного влагорасхода (десукция, транспирация, задержание осадков на кронах) устраняет избыточное увлажнение. Следовательно, в этих противоположных условиях лес обнаруживает огромную мелиоративную мощь и способствует сохранению и обогащению продуктивных сил ландшафта.