Лес — мощный аккумулятор солнечной энергии, он существенно влияет на формирование климата, круговорот воды в природе, газообмен в атмосфере и таким образом создает условия для жизни человека.
Началом этого круговорота является процесс фотосинтеза, при котором выделяется кислород.
Общая годовая продуктивность фотосинтеза земного шара равна 4,2∙1010 т углеродного эквивалента. Вторичная продуктивность составляет до 10% первичной. В целом первичная продуктивность биосферы составляет 2,29∙1015 ккал, а вторичная — 0,29∙1015 ккал. Таким образом, общая продуктивность биосферы Земли равна 2,6∙1015 ккал
Продуктивность лесов составляет 10—30 т, кустарников — 10, травянистых растений — 9, полупустынных, пустынных и тундровых зеленых растений — 2 т сухого вещества на 1 га в год. 1 га елово-лиственных насаждений в возрасте 20—40 лет за год поглощает из атмосферы 13—17 т углекислоты и выделяет в атмосферу 10—13 т кислорода. 1 га спелых ельников поглощает 10—12 т углекислоты и выделяет 8—9 т кислорода.
Наиболее высокая кнслородопроизводительная способность в лесах отмечена у дуба и лиственницы (6,7 т/га), у сосны и ели (4,8—5,9 т/га). Кроме того, масса подроста, подлеска и травяного покрова продуцирует 10—20% кислорода от общего количества, выделяемого всем древостоем. Ежегодно 1 га 20-летнего соснового насаждения поглощает 9,35 т углекислоты и выделяет 7,25 т кислорода, а 60-летнего — 14,4 т углекислоты и 10,9 т кислорода. За год 40-летние дубравы поглощают 18 т углекислоты и выделяют 13,9 т кислорода. Ежегодно леса СССР выделяют более 4 млрд. т кислорода, поглощая 5,5 млрд. т CO2.
Максимальные значения выделения кислорода характерны для высокобонитетных насаждений, т. е. выращивание высокотоварной древесины не уменьшает кислородопроизводительной роли лесов, а находится с ней в прямой зависимости. Кислород леса качественно отличается от кислорода планктона морей и океанов тем, что насыщен ионами отрицательного заряда. Это значительно повышает бальнеологические свойства лесов, так как научно и экспериментально доказано благоприятное воздействие отрицательной ионизации на организм больных и здоровых людей.
Бурное развитие технического прогресса приводит к изменению газового состава атмосферы (главным образом за счет увеличения CO2). В настоящее время в атмосферу поступает около 20 млрд. т углекислого газа. От сжигания топлива ежегодно выносится в атмосферу не менее половины этого количества.
Имеются ли реальные пути для предотвращения возможной опасности для человечества — накопления в атмосфере углекислого газа и изменения климата Земли? Да, они есть. Для этого необходимо устойчивое равновесие между атмосферой и гидросферой, атмосферой и земной растительностью, основным звеном которой являются леса.
Природа взаимодействия леса с внешней средой сложна и, несмотря на длительное изучение ее, наука еще не раскрыла многого в области экологии леса, которая должна быть одной из важнейших научных основ рассматриваемой проблемы.
Лес, как самое большое биологическое сообщество на земле, содействует очищению воздуха от пыли и обогащает его кислородом, являясь важным регулятором газового соотношения в природе.
Газовый состав атмосферы остается почти неизменным по всей поверхности планеты, несмотря на непрерывное поглощение отдельных ее компонентов. Например, количество кислорода остается неизменным, несмотря на его постоянное потребление организмами в ходе разнообразных реакций окисления. Такое постоянство состава кислорода в атмосфере объясняется тем, что наряду с его поглощением в результате одних реакций происходит эквивалентное выделение в ходе других процессов.
Считается, что продолжительность полного цикла круговорота кислорода в биосфере равняется 2000 годам. Кислород акцептируется непосредственно всеми компонентами биогеоценоза, обеспечивая дыхание животных и растений в атмосфере, почве, воде, превращение органических веществ, течение многих химических реакций в горных породах, почве, гидросфере. Но только с зелеными растениями атмосферный кислород находится в двустороннем взаимодействии — поглощается при дыхании и выделяется при фотосинтезе. Во всех других случаях он лишь потребляется в разнообразных реакциях окисления.
Одним из первых актов фотосинтеза является разложение воды, водород которой используется на восстановление углекислого газа и участвует в образовании органических соединений, а кислород выделяется из растений. Конкретный ход фотосинтеза и его особенности сложны и во многом еще не изучены. В настоящее время установлено, что прямыми продуктами фотосинтеза являются не только углеводы, но и белки. К тому же углекислота, необходимая для фотосинтеза, поступает не только из воздуха, но и из почвы, откуда она поглощается корнями и доставляется через стебли в листья.
1 га зеленых насаждений поглощает за 1 ч столько углекислоты, сколько в течение этого времени выдыхают 200 человек. Благодаря фотосинтезу ежегодно образуется около 1∙1011 т органических веществ и выделяется примерно такое же количество свободного кислорода. В настоящее время ученые предполагают, что больше половины фотосинтетического кислорода поставляет атмосфере именно флора, леса континентов.
Основная масса вещества растений (94—99,5% по массе) состоит из углерода, водорода и кислорода. Именно усвоение этих элементов определяет количество освобождаемого кислорода и поглощаемой углекислоты и воды. Азота и зольных элементов в растениях мало, и они не влияют на выделение кислорода.
Для вычисления ежегодного выделения кислорода лесами необходимы данные о производстве сухой продукции в лесных формациях. Ежегодная органическая продукция ниже всего в сухих колючих лесах, несколько больше во влажной лесотундре. на болотах в лесной зоне, заметно выше на свежих лесных почвах и выше всего в тропических лесах.
При умножении показателей ежегодной продукции сухого надземного вещества на площадь соответствующей лесной формации получают общую чистую годичную продукцию. Установлено. что при образовании 1 т абсолютно сухой древесины независимо от древесной породы поглощается в среднем 1,83 т углекислоты и выделяется 1,32 т кислорода.
Лес в большей степени, чем другие растения, пополняет воздух кислородом. Сосновые леса за год выделяют кислорода 30 т/га, лиственные — 16, а сельскохозяйственные культуры — от 3 до 10 т/га. Таким образом, лес выделяет кислорода больше, чем сельскохозяйственные культуры на такой же площади. Выращивание наибольшего количества древесины на единицу площади не только не противоречит гигиенической роли леса, а, наоборот, согласуется с ней и находится в прямой зависимости.
Чтобы обеспечить оптимальную норму кислорода на 1 человека в год (400 кг), необходимо иметь площадь лесов на 1 человека 0,1—0,3 га. С достаточной достоверностью известно, что одно крупное дерево, поглощая углекислоту, выделяет столько кислорода, сколько нужно 1 человеку в сутки для дыхания. Вместе с тем в условиях промышленного города под влиянием загазованности воздуха энергия фотосинтеза снижается в 10 раз. Это означает, что 1 человеку необходимы не одно, а десять деревьев. Поэтому жители городов чрезвычайно нуждаются в скверах, парках, аллеях, других видах озелененных территорий. Удовлетворительным отдых для человека считается в том случае, если в загородных парках посещаемость составляет 50 чел/га, в лесопарках — 10—20 чел/га, в естественных лесных ландшафтах 0,1—5 чел/га. В лесу ионизация воздуха выше, чем на открытом месте.
Выделенный растениями кислород переносится ветром на большие расстояния, освежает воздушные бассейны над городами и промышленными центрами и обеспечивает жизнь во всех уголках земного шара.
Таким образом, лес вместе с другими видами растительности играет решающую роль в сохранении кислородного баланса. Поскольку процессы выделения и поглощения углекислого газа находятся в прямой зависимости от годичного прироста фитомассы, естественно, что величина их поступления в атмосферу обусловливается факторами, с которыми связана продуктивность древостоев. Поэтому кислородопроизводительность древостоев в первую очередь зависит от их возраста, бонитета и типологической принадлежности.
В настоящее время все большее значение приобретают свойства леса очищать атмосферу от различных механических примесей, основная масса которых представлена пылью, включающей в себя нерастворимые и растворимые компоненты. Главный источник пыли — рыхлая почва. Пыль возникает всюду, где отсутствует растительность, препятствующая быстрому выветриванию верхнего слоя почвы.
Наибольшее пылеобразование наблюдается в засушливых областях. Большое количество пыли поступает от промышленных предприятий. В промышленных районах городов максимальная концентрация пыли в воздухе 13,85 мг/м3 и более яри санитарной норме 0,15 мг/м3.
Основное направление в увеличении комплексного влияния леса на атмосферу — выращивание высокопродуктивных насаждений, дающих максимальное количество органического вещества на единицу площади.
Лес в значительной степени содействует очищению воздуха от пыли и копоти и препятствует дальнейшему их распространению. У стены леса, расположенной вблизи от промышленных предприятий, в воздухе содержится 0,23—0,32 мг/м3 сернистого газа. На расстоянии 15—20 км его количество снижается до 0,07 мг/м3, а в пасмурную погоду до 0,17 мг/м3. Как днем, гак и ночью при малой скорости ветра лишь незначительное количество пыли проникает внутрь лесного массива. Основная масса попадает в него со стороны опушки. Эта пыль быстро оседает вследствие безветрия в лесу.
В спелом лесу пыли всегда меньше, чем вне леса. Число пылинок в единице объема воздуха изменяется лишь при сильном порывистом ветре и уменьшается в направлении ветра, проникающего в глубь леса не более чем на 500 м. Меньшая запыленность воздуха в лесу объясняется очищающим действием полога крон, в котором обнаруживается больше пылинок, чем под ним и на лесной подстилке. Под деревьями пыли меньше в среднем на 42,2% в вегетационный период и на 37,5% при отсутствии листвы.
Пылезащитные свойства разных древесных пород неодинаковы. Гладкие, глянцевитые листья осины и тополя бальзамического задерживают в 6,3, а дуба в 2,3 раза меньше пыли, чем шероховатые листья вяза. На верхушке вяза высотой 13 м ее остается в 8 раз меньше, чем на высоте 1,5 м. Это объясняется сдуванием пыли ветром и смыванием ее дождем с вершин деревьев.
В течение года 1 га леса отфильтровывает до 50—70 пыли: сквозь кроны еловых древостоев ежегодно фильтруется из воздуха 32 т/га пыли, сосновых — 36, дубовых — до 56 и буковых до 68 т/га. Лесные насаждения сохраняют пылезащитную способность и в безлистном состоянии. Поэтому лес и зеленые насаждения в городах особенно необходимы и незаменимы с социально-гигиенической точки зрения. Они являются «зелеными легкими» в районах промышленных предприятий. При подборе древесных пород, устойчивых к действию дымогазовых эмиссий, частично решается проблема поглощения вредных газов — окиси углерода, сернистого газа и сернистого ангидрида, представляющих опасность для здоровья человека.
Санитарно-гигиеническая роль леса определяется фитонцидными и другими свойствами образующих его пород. К настоящему времени изучены фитонцидные свойства почти всех древесных и кустарниковых пород, произрастающих на территории нашей страны. Известно также их количественное выражение: 1 га соснового леса выделяет 3—5 кг фитонцидов, березового — 2—3 кг, можжевелового — до 30 кг в сутки. Фитонциды хвойных пород обладают широким антимикробным спектром действия; они подавляют рост и развитие колоний очень многих видов микробов и вирусов, сохраняя это свойство в течение всего вегетационного периода.
Санитарно-гигиеническое значение лесных фитоценозов проявляется в их антимикробном, стерилизующем влиянии на среду. На первый план в данном случае выступает способность леса обогащать атмосферу ионизированным кислородом и фитонцидными веществами.
Изучение концентрации легких отрицательных ионов в насаждениях различного состава и на вырубках позволило сделать вывод о том, что все виды зеленых насаждений изменяют естественную ионизацию воздуха, увеличивая количество отрицательных ионов. В атмосфере без влияния леса число отрицательных ионов в 1 м3 воздуха равно 1000, в лесу 10 000—15 000, в воздухе жилых помещений 25—100.
Количество отрицательных ионов зависит от состава лесов: заметно увеличивают их число насаждения лиственницы сибирской, сосны обыкновенной и смешанные посадки с участием сосны до 35% в составе.
Экспериментально доказано повышенное содержание легких отрицательных ионов в лесном воздухе. Установлено, что 5—7-часовое пребывание человека в лесу приводит к повышению тонуса, улучшению функций высшей нервной деятельности, увеличению на 10—30% минутного объема дыхания.
Лесные фитоценозы за период вегетации выделяют в атмосферу большое количество летучих органических соединений: сосновые насаждения выделяют за вегетацию непредельных и ароматических углеводородов 400—450 кг/га, березовые — 200—320 кг/га, в результате чего воздух под пологом леса приобретет антимикробные свойства. Последнее проявляется в подавлении роста патогенных бактерий и уменьшении численности микробов. Насаждение, имеющее массу листьев 4 т/га, выделяет в течение дня 1 кг/га летучих фитонцидов. Летучая фракция хвойных деревьев содержит до 40 видов терпеновых соединений.
Фитонциды, продуцируемые лесными фитоценозами, изменяют биохимические условия окружающей среды и являются лучшими из регуляторов микрофлоры воздуха. Известно, что одно дерево можжевельника может выделить за день 30 г летучих веществ. За этот же период 1 га хвойного леса в Крыму продуцирует около 5 кг и лиственного — около 2 кг летучих органических соединений.
Таким образом, имеющиеся сведения указывают на значительное участие в биологическом круговороте органических соединений, которые выделяются растениями.
При изучении микрофлоры воздуха в условиях различных растительных ассоциаций Подмосковья установлена наибольшая стерильность сосновых и лиственничных лесов. В лесу в 1 м3 воздуха содержится в среднем не более 500 патогенных бактерии, а в городе — 36000. Растительность Земли ежегодно выделяет в атмосферу 175 млн. т эфирных масел.
Таким образом, лес является мощным фильтром воздуха, обладает антимикробными, стерилизующими свойствами, ионизирующим воздействием на воздух и общим оздоровляющим действием на окружающую человека обстановку.
Выяснена шумопоглощающая способность насаждений в зависимости от породы, полноты насаждения и количества подроста. Так, на расстоянии 80—100 м от источника шума (автомобильная дорога) в лесу с полнотой 0,8 при наличии подроста и подлеска наблюдается снижение звукового давления до 30 дБ.
Следует отметить способность леса к созданию микроклимата под пологом древостоев. Под пологом леса средняя суммарная освещенность находится в зависимости от степени насыщенности пространства фитомассой и ее качественных различий. Изменяется освещенность в следующих пределах: на высоте 130 см уменьшается до 5—13%, а рассеянная до 6—19% по сравнению с открытым местом; на высоте 5 см наблюдается дальнейшее ослабление суммарной освещенности в среднем до 2—6%, а рассеянной до 2—11 %.
Освещенность в лесу — немаловажный показатель для оценки фитоценоза. Для определения освещенности фитоценоза применяют индекс затенения, который учитывает густоту и величину деревьев одновременно в пихтово-еловых и широколиственно-хвойных лесах.
Результаты исследований показали, что индекс затенения полностью согласуется с показателями освещенности. Аналогичные данные, но на склонах различной экспозиции, получены в широколиственно-хвойных лесах. Отмечено, что применение индекса затенения оправдывается в горных лесах только в сходных топографических условиях.
В течение вегетационного периода на высоте 1,5—2 м средняя температура воздуха на 0,9—1,7° С ниже, чем на открытых пространствах; под пологом средняя максимальная температура воздуха ниже, чем на полянах и вырубках, на 1,2—3°С, а минимальная — выше на 0,5—1,1° С. Более ощутимая разница в температурах наблюдается на высоте 5 см.