Формирование пространственной структуры корневых систем отдельных деревьев и насаждений в целом — процесс непрерывный и сложный.
В самом начальном периоде, после появления всходов деревьев в процессе естественного возобновления или после посадки лесных культур корневые системы или отдельные корни вступают в физический и физиологический контакт с элементами почвенной среды. Это период приживания корневых систем.
В последующем на протяжении определенного периода времени корневые системы растут, не соприкасаясь друг с другом, т. е. их горизонтальные проекции не перекрываются, а, следовательно, объемы занятого почвенного пространства не контактируют. Это период обособленного пространственного размещения корневых систем, когда растут в длину горизонтальные корни, формируется и углубляется стержневой корень. Корневые системы в это время формируются в соответствии с закономерностями роста горизонтальных и стержневых корней, обусловленными биологическими особенностями породы, и в соответствии с конкретными почвенными условиями.
Пространственное соприкосновение (смыкание) корневых систем через их горизонтальные проекции наступает значительно быстрее, чем смыкание крон. Физиологическая и морфологическая особенности древесных пород в сочетании с условиями среды обитания предопределяют периоды пространственного смыкания корневых систем без обязательного их физического контактирования. Смыкание корневых систем начинается с того момента, когда часть их корней или отдельные корни соприкоснутся своими горизонтальными проекциями. Тогда и начинается совместное для нескольких деревьев использование одного и того же почвенного объема. С этого же периода начинается процесс взаимодействия корневых систем, проявляющийся вначале в виде потребления почвенной влаги и питательных веществ, а затем в выделении в почву живого или мертвого органического вещества. Период, характеризующийся контактированием корней горизонтальной ориентации и свободным ростом стержневых корней, — период формирования пространственного взаимопроникновения корневых систем. Он заканчивается, когда лидирующие корни вертикальной ориентации достигают максимальной глубины проникновения в почву. На протяжении этого периода происходит процесс дифференциации корневых систем, в динамике которого постепенно корневые системы деревьев более слабого роста оказываются полностью в сфере расположения корней других, более сильных в росте деревьев. В надземной части этому периоду соответствует процесс усиленной дифференциации деревьев по высоте, диаметру, развитию крон и т. д. В результате этого отмечается и усиленный рост горизонтальных корней в длину, что способствует интенсивному пространственному взаимопроникновению корневых систем, начиная с верхних горизонтов почвы. Свободный и достаточно интенсивный рост стержневых корней вглубь позволяет осваивать все новые и новые участки почвенного жизненного пространства. Глубинные горизонты почвы осваиваются корнями наиболее рослых деревьев, в это же время в более верхних горизонтах почвы продолжает нарастать интенсивность пространственного проникновения корневых систем.
После того как стержневые, или лидирующие, корни вертикальной ориентации достигают максимально возможной глубины проникновения, начинается следующий этап развития корневых систем насаждений — период усиленного наращивания корненаселенности по всему освоенному почвенному профилю. Он характерен развитием вертикальных ответвлений от горизонтальных корней, их ветвлением, а также усиленным ветвлением и углублением вновь образованных скелетных корней горизонтальной ориентации. Вместе с тем интенсивно продолжается процесс пространственного взаимопроникновения корневых систем. Эти явления сопровождаются угнетенностью отстающих в росте деревьев, что происходит в процессе естественного самоизреживания древостоя. Один из отличительных и характерных признаков рассматриваемого этапа — интенсивно увеличивающееся пространственное взаимопроникновение корневых систем в результате росте в длину скелетных корней первого порядка. Жизненное пространство, высвобождающееся в процессе отпада деревьев, быстро осваивается корнями других деревьев. В связи с этим в возрастном аспекте данный период заканчивается, когда рост горизонтальных корней в длину и прирост площади проекции корневых систем достигают минимальных размеров. Например, для сосны это возраст 40—45 лет.
Заключительный период развития древостоя характеризуется снижением темпа пространственного взаимопроникновения. В результате ветвления корней, массового образования корней второго и третьего порядков в пределах освоенного почвенного пространства увеличивается его корненаселенность. Под влиянием этого в зонах размещения корневых систем двух, трех и более деревьев резко усиливается конкуренция за питательные вещества и влагу, наступает явление перенаселенности почвы корнями, сопровождающееся естественным отпадом взрослых деревьев. Однако в отличие от предыдущего этапа корневые системы оставшихся деревьев используют высвободившиеся жизненные резервы только частично. В зону разрядки биологической напряженности не могут проникнуть новые корневые системы, поскольку рост скелетных корней первого порядка в длину уже прекратился, а корни последующих порядков ветвления в этом возрасте еще не выходят за пределы ранее сформировавшейся площади проекции корневой системы.
В насаждении накапливаются потенциальные резервы почвенного жизненного пространства, которые в естественных условиях используются в дальнейшем корневыми системами появившегося подроста. Это период разрядки биологической напряженности и накопления резервов жизненного пространства в корнеобитаемом горизонте почвы.
Образовавшийся резерв жизненного почвенного пространства в начале этого этапа представляется отдельными зонами пониженной биологической напряженности, т. е. зонами с существенно меньшей степенью корненаселенности по сравнению с общим состоянием корнеосвоенного горизонта почвы данным древостоем. Эти зоны постепенно заселяются самосевом лесных пород, из которого в дальнейшем формируется последующее поколение леса.
Появлению, росту и развитию самосева способствуют также изменившиеся в результате отпада отдельных взрослых деревьев экологические условия над поверхностью почвы, что проявляется прежде всего в усилении освещенности. Не менее решающее значение для сохранности подроста имеет устранение корневой конкуренции. Например, в еловых древостоях при изоляции участков леса от корней взрослых деревьев без изреживания полосы древостоя на этих участках быстро появляется и успешно растет подрост ели.
Весь сложный процесс формирования пространственного размещения корневых систем в насаждениях можно представить в виде последовательно сменяющих друг друга периодов. Естественный процесс этого явления гораздо сложнее, однако представленная модель расширяет познания в области формирования подземной части древостоев в корреляции с развитием их надземной части.
Заключительным периодом формирования корневых систем древостоев является одиночное стояние материнских деревьев, оставшихся от прежнего древостоя после его распада. Для этого этапа характерно то, что корневые системы оставшихся деревьев расположены изолированно друг от друга и используют занятый объем почвенного пространства единолично. В промежутках между такими корневыми системами расположены корневые системы молодых деревьев последующего разновозрастного поколения леса, которое формирует свою подземную часть в соответствии с особенностями заключительного периода.
В естественных условиях наблюдается бесконечный цикл этапов развития корневых систем, переходящих друг в друга и в определенных временных периодах сосуществующих друг с другом. Изменение характера использования жизненного почвенного пространства в естественных условиях синхронно смене пород и происходит под влиянием генетически обусловленных особенностей строения корневых систем лесных пород, пришедших на смену предшествующему поколению леса. В бесконечном процессе смены пород, имевшем место в естественных лесах без вмешательства человека и вне влияния его производственной и хозяйственной деятельности, ассортимент последовательно сменявших друг друга пород определялся в основном двумя факторами. Первый из них — почвенно-гидрологические и климатические особенности данного района, второй — внутрибиологические свойства древесных пород. Оба этих фактора эволюционно взаимообусловлены.