Влияние лесных полос на микроклимат полей

Ветровой иоток. Аэродинамическая эффективность лесных полос зависит от их конструкции, степени ветропроницаемости, скорости ветра, угла подхода ветрового потока к лесной полосе, высоты насаждения, густоты размещения лесных полос на территории и их расположения по элементам рельефа.

Плотные лесные полосы действуют по типу непроницаемых экранов. Воздушный поток начинает снижать свою скорость на расстоянии 7-10 Н от лесной полосы, затем благодаря образо

вавшейся воздушной подушке переваливает через полосу и в результате возникшего за полосой разреженного пространства быстро восстанавливает скорость. Если считать эффективным влияние со снижением скорости ветра на 10 %, то дальность влияния плотных лесных полос на заветренной стороне составляет 15-20

Н,              а общая не превышает 25 Н (рис.11).

В этой зоне суммарная скорость ветра в среднем снижается на 30-35 % (средняя скорость ветра определяется отношением суммы скоростей в пунктах измерения к количеству измерений с точностью до 5 %).

Продуваемые лесные полосы действуют по типу аэродинамических диффузоров, разделяющих ветровой поток надвое: один поток, направляемый кронами, переваливает через полосу, другой проходит между стволами в приземной части полосы.

V, %

Рис. 11. Влияние лесных полос разной конструкции на скорость ветра (V):

1 - ажурно-продуваемая; 2 - ажурная; 3 - плотная; 4 - продуваемая.

В результате встречи двух потоков за полосой минимальная скорость ветра наблюдается на расстоянии 5-7 Н от полосы и нарастание скорости происходит постепенно. Дальность эффективного влияния этих полос составляет 35-40 Н при снижении скорости ветра на 35-40 %.

Эффективными являются ажурные лесные полосы, которые действуют на ветровой поток по типу решетчатых экранов. Общая дальность их влияния составляет 35-40 Н (5-7 Н с наветренной стороны и 30-35 Н за полосой). В этой зоне скорость ветра снижается на 35-40 %. Самый высокий эффект дают полосы с ветропроницаемостью 40-50%.

Ажурно-продуваемые лесные полосы по влиянию на ветровой поток наименее эффективны. Дальность их влияния не превышает 12-15 II, причем в этой зоне скорость ветра в среднем снижается на 20-25 %. В конкретных условиях перечисленные показатели могут быть различными, так как ветроломный эффект зависит от многих факторов.

Эффективность влияния лесных полос на ветровой поток снижается по мере уменьшения угла его подхода к полосе от 90° до 0 и возрастает при увеличении скорости ветра и густоты размещения лесных полос на территории. Влияние единично расположенных полос считается неэффективным. Известно, что ветровой поток при своем движении почти копирует контуры рельефа, но несмотря на это наиболее эффективны лесные полосы, расположенные на водоразделах и ветроударных склонах.

Эффективность влияния лесных полос в разных агроклиматических зонах неодинакова. Ветроломный эффект зависит от состояния опушечных рядов полосы, размера просветов и характера размещения их по вертикальному профилю полос и т.п.

Положительное воздействие на ветровой режим оказывают не только лесные полосы, но и массивные насаждения, эффективность которых соответствует влиянию лесных полос плотной конструкции.

Узкие полезащитные лесные полосы шириной 10-15 м обладают оптимальной ветроломной эффективностью при средней ветропроницаемости по вертикальному профилю в облиственном состоянии 30-40 %. Они хорошо работают и в безлистном состоянии при средней ветропроницаемости 65-75 % и средней ажурности 30-40 %. При уменьшении скорости ветра эффективность лесных полос оптимальной конструкции снижается.

ется. При отклонении ветра от перпендикулярного к полосе направления до 30 ° снижение защитного влияния полосы достигает 10-15 %, при увеличении угла до 45° - 15-35%.

Снсгораспределение. Системы лесных полос всех конструкций в целом оказывают положительное влияние на снегораспреде- ление, так как в открытой местности снег сдувается в микропонижения и гидрографическую сеть, перемещаясь на расстояние до 2-3 км от места выпадения. При наличии системы лесных полос весь снег остается в границах полей севооборота и лесных полосах.

Одним погонным метром по длине лесной полосы задержива- ется дополнительно к объему снега открытой степи от 50 до 80 мэ снега, что имеет большое значение для защиты сельскохозяйственных культур от вымерзания и для увлажнения почвы на межполосных участках.

Лесные полосы разных конструкций оказывают различное влияние на снегораспределение. Наиболее эффективными являются ажурно-продуваемые лесные полосы, которые в отличие от полос других конструкций меньше задерживают снега внутри полосы и более равномерно распределяют его на межполосных участках. Даже в районах с сильными метелями и большими снегопадами (Заволжье, Западная Сибирь, Северный Казахстан) высота снежного покрова в этих полосах обычно не превышает I- 1,2 м. Длина снежного шлейфа на заветренной стороне достигает 12-15 Н (рис. 12).

ИВ 4 3 2 1 0              01              234567              89              101112 И

Рис. 12. Снегоотложение (h) на полях, защищенных лесными полосами разной конструкции: 1 - плотная; 2 - ажурная;

3 - продуваемая; 4 - ажурно-продуваемая.

В плотных лесных полосах образуются сугробы высотой до 3-4 м и более с короткими шлейфами в сторону поля (не более 5- 6 Н). За шлейфами здесь образуются бесснежные или малоснежные зоны выдувания.

Температура и влажность приземного слоя воздуха. Названные метеорологические показатели изменяются главным образом в связи с изменением ветрового режима и турбулентного обмена. Днем в теплый период года в системе лесных полос температура воздуха бывает выше на 1-2 °С, чем в открытой степи. По мере увеличения плотности лесных полос температурные различия возрастают и на заветренной опушке плотных полос в жаркую погоду достигают 5-6 °С, что может вызывать запал растений в приопушечной зоне. В ночные часы около плотных лесных полос температура понижается и возможно формирование местных заморозков. В системе ажурно-продуваемых и продуваемых лесных полос эти отрицательные явления исключаются. На влажность приземного слоя воздуха лесные полосы всех конструкций и массивные насаждения оказывают положительное влияние. На межполосных участках относительная влажность воздуха в среднем повышается на 2-3 %, а абсолютная - на 0,5-

1 мм. В суховейные дни возможно увеличение относительной влажности на 8-10 %, а абсолютной - до 1,5-3 мм.

Испаряемость. В системе лесных полос незначительное повышение температуры воздуха не может сказаться на увеличении испаряемости. Испаряемость здесь всегда бывает меньше, чем в открытой степи, что связано с уменьшением скорости ветра, повышенной влажностью воздуха и пониженным турбулентным обменом. В приопушечной зоне на расстоянии 3-5 Н с заветренной стороны в суховейные дни испаряемость снижается в 2-3 раза, а в зоне 25 Н - в среднем на 30 %. Эффективность влияния лесных полос разной конструкции на испаряемость соответствует эффективности их влияния на скорость ветра.

Коэффициент увлажнения, по Г.Н. Высоцкому, определяется отношением годового количества осадков к показателю испаряемости за тот же период. Следовательно, снижение испаряемости на межполосных участках в засушливых условиях приведет к искусственному увеличению коэффициента увлажнения и приближению его к оптимальному значению (1,0).

орошаемых землях значительно уменьшают потери воды на испарение с поверхности каналов и водоемов.

Промерзание и оттаивание почв. Увеличение мощности снежного покрова и ослабление скорости холодных ветров в системе лесных полос способствуют меньшему промерзанию почвы. В различных условиях и в разные годы глубина промерзания почвы в межполосных пространствах и открытом поле неодинакова. Она зависит от ряда факторов: мощности снежного покрова, продолжительности действия холодных ветров, степени промерзания почвы до образования устойчивого покрова, экспозиции склонов, густоты размещения лесных полос и др. По данным Г.А. Харитонова, в условиях Среднерусской возвышенности на безлесных участках при мощности снежного покрова до 30 см глубина промерзания почвы колеблется от 80 до 150 см, а на разном расстоянии от полос, где мощность снега изменялась от 25 до 130 см, - от 135 до 10 см.

В лесных полосах почва не промерзает или промерзает незначительно и быстро оттаивает, что обеспечивает интенсивное поглощение стока в период снеготаяния. При благоприятном сочетании погодных условий и мощном снежном покрове полное размерзание почвы на межполосных участках наступает раньше, чем заканчивается снеготаяние. Обычно оттаивание почвы начи- чается снизу, но после появления проталин быстро размерзается верхний горизонт, способный поглощать талые воды.

Продолжительность снеготаяния на межполосных участках на 7-10 дней больше, чем в открытой степи. Это положительно сказывается на водопоглошении талой воды.

Поверхностный сток. Более благоприятные условия водопроницаемости на полях, защищенных лесными полосами, значительно сокращают весенний поверхностный сток. Но решающую роль в сокращении весеннего и ливневого стока играют сами лесные насаждения, расположенные на пути поверхностного стока.

Весной в открытой степи пашня остается промерзшей до конца снеготаяния; в неблагоприятные годы она покрывается ледяной коркой, и весенний сток, особенно на озимых посевах, достигает 100 %. В летний период пашня также не обеспечивает полного поглощения ливневых осадков.

В лесных полосах даже в неблагоприятные зимы почва в состоянии обеспечить водопоглощение интенсивностью до 1 мм/ мин. Лесные полосы, как и массивные насаждения, оказывают положительное влияние на структуру почв, дренируют ее корневыми системами. Лесной опад (подстилка) и надземные части лесной растительности создают на пути стока шероховатую поверхность. В летний период лесные полосы выполняют большую стокорегулирующую роль. На серых лесных почвах коэффициент водопоглощения в лесных полосах составляет 6-12, а на карбонатных - 7,7—21 мм/мин. Интенсивность водопоглощения на пашне для этих почв соответственно равна 0,4 и 1,2-2,4 мм/мин (Г.А.Харитонов).

Чем шире и плотнее лесные полосы, тем больше в них интенсивность водопоглощения и меньше поверхностный сток с прилегающих угодий. Однако создание широких лесных полос связано с отчуждением из сельхозугодий ценной пашни, что экономически невыгодно. Более целесообразно узкие лесные полосы сочетать с почвозащитной системой земледелия или устраивать в них водозадерживающие канавы.

Влажность почв и грунтовые воды. Благодаря большой мощности снежного покрова, уменьшению поверхностного стока и пот ерь влаги на испарение почва на полях в системе лесных полос поглощает на 10-30 % влаги больше, чем на безлесных участках.

Наибольшие запасы влаги в почве отмечаются в системе продуваемых и ажурно - продуваемых лесных полос. Плотные лесные полосы задерживают большое количество снега в себе и не обеспечивают равномерного его распределения на прилегающих полях. В результате этого увлажнение почвы на полях, защищенных плотными полосами, происходит неравномерно. Запасы почвенной влаги здесь меньше, чем на полях с продуваемыми лесными полосами. Плотные полосы в первую очередь «кормят» себя.

В результате сокращения потерь влаги на испарение и поверхностный сток на полях с лесными полосами влажность почвы бывает выше, чем на открытых участках, даже в конце лета. Абсолютные показатели влажности почвы определяются многими факторами: режимом выпадения осадков и прочими условиями погоды, почвенно-грунтовыми условиями, рельефом местно

сти, характером размещения, конструкцией и возрастом лесных полос и др.

Исследованиями на черноземах (Тимашевский опытный пункт и Поволжская АГЛОС Самарской области, Новосильская АГЛОС Орловской области, Каменная Степь) установлено, что лесные полосы способствуют обводнению сельскохозяйственных угодий. На Тимашевском опытном пункте до посадки лесных полос грунтовая вода находилась на глубине 10-12 м. Через 15- 20 лет после посадки первых лесных полос благодаря их правильному распределению по элементам рельефа уровень грунтовых вод здесь повысился на 4-6 м и остался первоначальным только в средней части межполосных клеток. В результате посадки дополнительных полос в настоящее время на территории пункта грунтовая вода залегает не ниже 7 м. На территории Каменной Степи через 50 лет после организации участка грунтовые воды на межполосных полях повысились в среднем на 1,7 м.

Отмеченное как положительное, это свойство лесных полос при близком залегании водоупорных горизонтов может сыграть отрицательную роль. Широкие водорегулирующие полосы в Но- восильской АГЛОС вызывают заболачивание почвы в прилегающей верхней части склона в весенний период, что затрудняет проведение сельскохозяйственных работ.

Лесные полосы сами транспирируют большое количество влаги. Одно 15-летнее дерево тополя или ивы за вегетационный период расходует на транспирацию 80-100 м3 воды. В результате этого под лесными полосами в конце вегетации почва бывает суше, а грунтовые воды находятся на большей глубине, чем на прилегающих к ним полевых угодьях. Это иссушающее влияние, лесных полос используется в качестве биологического дренажа при защитном лесоразведении на орошаемых землях. Около каналов грунтовые воды залегают у самой поверхности, что вызывает вторичное засоление почв. Под влиянием лесных полос фунтовые воды опускаются на глубину до 3 м.

Свойства иочвы. В результате повышенного увлажнения на облесенных полях происходит выщелачивание почвы. Для северных районов этот процесс является нежелательным, для южных он необходим. Легкорастворимые неорганические соли (хлориды, сода) и труднорастворимые соли серной кислоты (сульфа-

гы) вымываются в нижние горизонты почв. 13 результате биологической мелиорации происходит рассоление почв, особенно под лесополосами и в приопушечной зоне. Наряду с рассолением наблюдаются вымывание карбонатов и понижение уровня вскипания почвы от 10 % раствора соляной кислоты. В Каменной Степи Г.М. Туминым установлен переход обыкновенного чернозема в выщелоченный.

Под лесными насаждениями происходит накопление гумуса, улучшение физико-химических и водных свойств почв, улучшение почвообразовательного процесса в целом. В насаждениях акации белой на Придонских песках с погребенными почвами за 35-40 лет сформировался гумусовый горизонт толщиной 8-10 см. Повышенное содержание гумуса отмечается в лесных полосах засушливых районов. Накопление его возможно и в межполосных клетках за счет лучшего развития растений и поступления в почву большего количества органического вещества. В результате улучшения экологического режима и сокращения смыва почвы происходит активизация биологических процессов в почве. По данным Г.Н.Высоцкого (1907), Г.М.Тумина (1922), П.Г.Адерихина (1953) и Н.Г.Петрова (1972), в Каменной Степи произошло увеличение мощности гумусового горизонта с 65 до 69 см на полях и до 73 см под лесными полосами. Содержание гумуса в почвах под насаждениями осталось на прежнем уровне (11,3 %), на полях за 50 лет снизилось - на открытых на 2,1, защищенных лесными полосами - на 1,6 %. Процесс дегумификации на полях среди лесных полос идет медленнее, чем на необле- сенных. В последние 10-20 лет содержание гумуса в почве защищенных полей стабилизировалось, а на открытых и малообле- сенных продолжает падать. Несмотря на более высокие урожаи сельскохозяйственных культур среди лесных полос и вынос органики, ежегодная потеря гумуса почти на 1000 кг/га меньше за счет большего поступления органических остатков, усиления биологической активности почвы и сокращения эрозии.

В других регионах эти изменения могут различаться в количественном отношении в связи с другой экологической обстановкой, но все исследователи отмечают положительное влияние лесных полос на структуру почвы, водопрочность агрегатов, иа объемный вес, влагоемкость, на химические и физико-химические

свойства. Лесные полосы начинают оказывать влияние на содержание гумуса в северных районах в более раннем возрасте, чем в южных.

Противоэрозиопная роль лесонасаждений. Велико значение лесных насаждений в защите почв от ветровой и водной эрозии. Лесные полосы, резко снижая скорость ветра, препятствуют выдуванию почвы, семян и неокрепших всходов.

Наиболее эффективны в защите почв от ветровой эрозии и пыльных бурь законченные системы ажурных лесных полос. Такие взаимодействующие полосы в системе снижают скорость ветра на 40-50 % и защищают почву от ветровой эрозии.

В районах, где часто повторяются ветры скоростью 15- 20 м/с и более, лесные полосы не обеспечивают снижения ее до порога, за которым падает способность ветра разрушать почву. В таких районах лесополосы создаются на фоне почвозащитной системы земледелия.

Многочисленные исследования, проведенные в 1969 г. на Украине и Северном Кавказе, показали, что одиночно расположенные лесные полосы любой конструкции задерживают большое количество мелкозема (отложения достигают мощности 3— 4 м) и сами становятся жертвой пыльных бурь.

Значение лесных насаждений в борьбе с водной эрозией почв основано на их способности задерживать снег и обеспечивать перевод поверхностного стока во внутренний, скреплять корневыми системами почву и горные породы, задерживать (кольматировать) твердый сток.

Лесные полосы, расположенные на склонах по горизонталям на расстоянии 150-200 м, и овражно-балочные насаждения играют важную стокорегулирующую и иротивоэрозионную роль. На склонах с ложбинами регулирующие лесные полосы эффективны только в сочетании с водозадерживающими валиками с канавами на фоне применения необходимых агротехнических приемов.

Кольматируя мелкозем, защитные лесные насаждения препятствуют его выносу в реки и водоемы и предохраняют последние от заиления. В овражно-балочных системах и в горных районах насаждения, кроме того, защищают крутые склоны от размывов, оползней и обвалов. Противоэрозионные свойства лесных

насаждений используются при биологической рекультивации земель, нарушенных горнорудными и другими промышленными предприятиями.

Исследованиями многих авторов установлено, что под воздействием лесных насаждений резко увеличиваются скважность и водопроницаемость почвы, улучшаются структура и водопроч- ность ее агрегатов. Водопроницаемость почвы под лесными насаждениями возрастает в 2-20 раз. Большую роль в этом играет лесная подстилка, которая предохраняет почву от разрушения, а почвенные поры - от заиливания и заплывания. Подстилка обладает высокой влагоемкостью, защищает почвенные агрегаты от удара капель, утепляет почву и тем самым предотвращает ее промерзание.

Лесные полосы изменяют ветровой режим и регулируют снегоотложение на склонах, препятствуя его сдуванию в овражно-балочную сеть. Повышение мощности снегоотложения способствует лучшей защите почв от глубокого промерзания и более раннему их оттаиванию. На полях в системе лесных полос оттаявшая почва хорошо поглощает талые воды, сокращая сток и связанный с ним смыв почвы. Именно в переводе напочвенного стока во внутрипочвенный и состоит наиболее важная иротивоэро- зионная роль лесных насаждений.

Стокорегулирующая роль лесных насаждений, как установлено исследованиями Г.А.Харитонова, А.А.Молчанова, Г.П.Сур- мача и др., в значительной мере зависит от ширины, конструкции, размещения лесных насаждений, их полноты, состава и ле- соводственно-биологических показателей. Лучше всего поглощают поверхностный сток подстилка и почвы под взрослыми насаждениями с густым подлеском и глубоко проникающей корневой системой. Чем шире полоса, тем значительнее сокращается сток.

Кольматирующая роль лесных полос проявляется в основном благодаря наличию в них подстилки и сугробов снега. Поток воды при подходе к лесной полосе встречает препятствие и в несколько раз замедляет скорость движения. Талые воды медленно просачиваются через снег, подстилку, откладывая при этом взвешенные в воде почвенные частицы мелкозема (от 1 до 26 mj на

1. га лесной полосы). В насаждениях-илофильграх ежегодно мо

   жет откладываться от 5 до 1000 т/ra твердого стока, а мощность отложений на дне облесенных балок колеблется от 0,5 до 5-6 м. Очищая воды от мелкозема, биологических и химических загрязнений, лесные насаждения улучшают их органолептические свойства и химический состав.

Стокорегулирующая роль лесных насаждений зависит от зонального типа почв, объема стока, вида угодий и почвозащитной агротехники. В среднем установлено, что в лесополосах просачивается на серых лесных почвах до 400 мм, на черноземах - до 500 мм и на светло-каштановых почвах до 430 мм талых вод. Оптимальное регулирование стока достигается в комплексе с применением специальной водозадерживающей агротехники на полях и противозрозионных гидротехнических сооружений типа водозадерживающих валов, канав и пр.

Защитные лесные насаждения оказывают мелиоративное воздействие не только на занимаемую ими площадь, но и на окружающую их территорию. Дальность мелиоративного влияния тесных полос зависит от многих факторов. Среди последних можно выделить высоту, ширину, конструкцию полосы, крутизну склонов, берегов гидрографической сети, объем стока, степень эродированное™ почв и характер использования земель. С учетом перечисленного и определяются основные параметры лесных насаждений с целью создания такой их системы, которая обеспечила бы мелиоративный эффект на значительной территории.