Влияние почвы на лес

Общие понятия о взаимосвязи леса и почвы. Почва наряду с климатом - важнейший экологический фактор, определяющий существование леса. Внутри климатического региона роль почвы как фактора внешней среды является решающей. В то же время она является неотъемлемой частью биогеоценоза или экосистемы. Взаимодействуя с другими компонентами леса - древостоем, его нижними ярусами, влияя на них почва сама находится под их постоянным воздействием. Лес, таким образом, можно рассматривать и как один из факторов почвообразования.

В лесоводстве чаще, чем в сельском хозяйстве приходится учитывать геологические условия, считаться с материнской породой, рельефом, его происхождением. Через древостой лес непосредственно связан не только с почвенными горизонтами, но и с материнской породой. Корни отдельных деревьев проникают глубоко в грунт. Нередко рубежом, отделяющим глубину проникновения корней вглубь является уровень грунтовых вод. С другой стороны, в природе можно наблюдать примеры поселения и длительного существования, например, сосны на месте выхода кристаллических пород, где ее корни распространяются по поверхности скал и растут при слабой выраженности почвообразования.

Подстилающая материнская порода может не только косвенно - через формирование почвы, но и непосредственно влиять на продуктивность. Насколько резко материнская порода через почву влияет на состав и характер лесов, видно из того, что геологи по составу лесных насаждений нередко могут судить о характере геологических напластований.

Геолог Ососков указывал, что чистые сосновые боры приурочены в Засурье к мощным песчаным отложениям из наносов рек в ледниковый период. В местах выходов на дневную поверхность мергелей и глин нижнемеловой и юрской формаций появляются лиственные смешанные леса из дуба и его спутников - вяза, липы, клена. Исследования других геологов показали, что чистые сосновые боры приурочены к выходам оливина, в составе которого 45 % магния. Где залегает диаллогоновая порода с содержанием 19,5 % извести, там к сосне примешивается лиственница сибирская. На габбро-диорите, содержащем 22 % алюминия и 4 % железа, появляется кедр сибирский. Наконец, сланцы, содержащие 4 % калия, 4 % железа и 17,5 % алюминия, покрыты елово-пихтовыми лесами.

В Шиповом лесу Воронежской области на деградированном черноземе прекрасно растет дуб со своими спутниками. Лес образует древостои с запасом древесины в 80 лет 450 м³ на 1 га, где участие дуба до 0,4 единиц. На солонцах производительность леса резко падает, спутники дуба исчезают, остается только дуб в виде корявых древостоев с небольшим запасом - 120 м³ - на 1 га дровяной древесины. В Брянском массиве на песках растут чистые сосновые боры. Если жена некоторой глубине в почвенном профиле появляется зеленовато-голубая прослойка глауконита, обогащенного фосфором и калием, сразу же и в сосновом древостое появляется ель, образующая второй ярус и заходящая даже в первый ярус. По очертанию сосновых участков с примесью хорошо растущей ели можно составить карту распространения глауконитового слоя.. Равным образом по конфигурации участков насаждений из ели с широколиственными породами можно оконтурить выдел мергелистых почв. И можно легко решить обратную задачу: на вырубках и гарях после почвенной съемки восстановить состав некогда существовавших древостое и получить представление об их производительности.

По хорошему росту лиственницы сибирской вместе с сосной и елью можно предсказать, что в лесу в почвенном разрезе на небольшой глубине залегает более или менее прерывистый пласт известняков. И, наоборот, судя по близкому к дневной поверхности залеганию доломитов в ямах и тому подобных естественных обнажениях на гарях, где древостой исчез, можно, восстанавливая историю леса, безошибочно утверждать, что в состав былого древостоя входила лиственница. На европейском северо-востоке в районах близкого залегания известняков высокопродуктивные лиственничные древостои могут давать запасы до 600-700 м³/га, в то время как на песках ледникового происхождения растут сосняки, продуктивность которых в 3-3,5 раза меньше. Эта разница, помимо различий в непосредственном влиянии почвообразующих пород на древостои, обусловлена и разным уровнем плодородия развивающихся на них почв: в первом случае формируются почвы, богатые гумусом и питательными веществами, во втором - бедные подзолистые песчаные почвы.

Понятие почвы в связи с лесом приобретает некоторые особенности. Почвой теперь признается слой земли на всю глубину проникновения корней, а у деревьев это может быть 5-10 и даже 20-30 м. Надо, однако учитывать, что степень взаимовлияний на разных глубинах неодинакова и процесс почвообразования на них находится на разных стадиях. Слои пород на глубинах более 5-10 м играют обычно незначительную роль в непосредственном обеспечении растительности элементами питания.

С глубиной, после определенного рубежа, биологическая активность почвы, ее экологическая роль снижается. Для лесов умеренного пояса, особенно таежной зоны, они обычно более выражены в слое до глубины 1-1,5, иногда 2-2,5 м.

Одна из наиболее отличительных особенностей лесной почвы - накопление ею органического вещества за счет лесного опада в виде листвы, хвои, древесной массы, отмирания других растительных и животных организмов, приводящего к глубоким изменениям в почве.

Почва оказывает влияние на состав всех ярусов растительного сообщества - от напочвенного покрова до древостоя. От нее зависит и территориальное размещение древесных пород в пределах их естественного ареала. Почва воздействует на возобновление леса как косвенно, так и непосредственно в виде субстрата. При подборе древесных пород в целях выращивания леса наиболее важное значение имеет их отношение к почве.

Почва, влияя на рост и развитие леса, на его состав и строение, в значительной мере определяют и продуктивность леса, причем не только количественную в виде древесных запасов или общей фитомассы, но и качественную. Например, на севере у сосны на болотных торфяных почвах формируется мелкослойная древесина, но с малым содержанием поздних трахеид, т. е. древесина низкого качества, в отличие сосны на минеральных грунтах, где формируется древесина с большим содержанием толстостенных поздних трахеид в годичных слоях, т. е. с высокими физико-механическими свойствами.

Почва может использоваться в качестве одного из диагностических и классификационных признаков леса. Так, при выделении типов леса, типов условий его произрастания, по почве нередко приходится восстанавливать картину прошлого леса, особенно когда он подвергся многократным рубкам, исказившим его первоначальный облик.

Человек может влиять на производительность почвы. Проводя мероприятия по осушению, обводнению, орошению, внося минеральные удобрения можно повысить плодородие почвы и таким образом воздействовать на продуктивность выращиваемого на ней леса.

Многие особенности почвы связаны с рельефом и экспозицией склонов.

Влияние рельефа. Рельеф влияет на водный и тепловой режим почвы. С ним связаны перераспределение выпавших атмосферных осадков, грунтовых вод, перемещение почвенных частиц и т. д. На вершинах всхолмлений увлажнены только верхние горизонты, растения не могут пользоваться грунтовыми водами. На склонах увлажнены не только верхние горизонты, но близко подходят и грунтовые воды, залегая на глубине 1 м. У подножия вся толща почвы увлажнена.

С.В.Зонн подразделяет почвы по их положению в рельефе на следующие группы: элювиальную, транзитную и надводно-подводную.

Почвы элювиальной группы формируются на водоразделах и характеризуются поступлением вещества и энергии только из атмосферы, глубоким стоянием грунтовых вод, недоступных для снабжения растительности. Почвы транзитной группы приурочены к склонам с характерным для них перераспределением атмосферных осадков, световой и тепловой энергии,, поступлением влаги и продуктов обмена веществ и энергии с прилегающих биогеоценозов, а также дополнительной аккумуляции вещества из грунтовых вод. Почвы надводно-подводных лесных биогеоценозов приурочены к отрицательным формам рельефа, регулярно или периодически затопляемых водами. Для этих почв характерны: периодическое обогащение веществами с поверхности, выщелачивание подвижных элементов питания, торфянистость, иловатость и соленость.

В природе не так все просто как следует из этой схемы. Так, в тайге водоразделы на огромных пространствах нередко представлены пониженно-равнинным рельефом с избыточным увлажнением, с торфянистыми почвами и заболоченными лесами.

Световой, тепловой и водный режим склонов связанны с их экспозицией, что отражается и на составе лесов и их продуктивности.

Большую роль в жизни леса имеет и микрорельеф. Опасность выжимания молодых растений морозом наиболее сильно выражена на влажных, тяжелых по механическому составу почвах, приуроченным к микропонижениям. Но эта опасность нет проявляется на микроповышениях, которые ель и использует для своего поселения.

Микроповышения в естественном лесу многочисленны и разнообразны. Это различного рода кочки, валеж, особенно в виде колод - сгнивших или полуразложившихся поросших мхами старых пней. Создаваемый ими органический субстрат обладает плохой теплопроводностью и защищает корневую систему ели от действия низких температур. Этот субстрат характеризуется постоянством содержания влаги и хорошей аэрацией, а приподнятое положение выводит всходы от самых низких температур. Сам субстрат благоприятен и своей питательностью особенно для ели, всходы и подрост который используют свободные аминокислоты, пока корни не могут использовать минеральную часть почвы.

Почва и корневая система. Почве принадлежит основная роль в формировании корневой системы деревьев.

На глубоких, рыхлых, хорошо прогреваемых, умеренно влажных и достаточно плодородных почвах корни распределяются по вертикали на большую глубину, чем на почвах мелких, влажных, подстилаемых плотными породами.

Сосне обыкновенной свойственна глубокая корневая система. Но эта порода обладает большой пластичностью корневой системы. На глубоких, легких по механическому составу почвах без избыточного увлажнения сосна образует длинный стержневой корень ("редьку"). На глубоких песчаных сухих почвах по всхолмлениям с глубоки залеганием грунтовых вод сосна образует поверхностную корневую систему в виде многочисленных длинных тонких корней, приспособленных к перехвату атмосферных осадков. На болотных торфяниках у сосны в молодом возрасте отмирает стержневой корень и формируется поверхностная корневая система с немногочисленными, но толстыми корнями.

Ель во многом противоположна сосне. Долгое время считалось, что корневая система ели поверхностная и не обладает пластичностью. Действительно в лесу можно встретить ветровал ели и увидеть при этом ее поверхностную корневую систему. Корни ели располагаются главным образом в пограничных слоях гумусового и лежащего под ним верхнего минерального горизонта, а окончания боковых корней нередко полностью находятся в гумусовым горизонте. Основная масса корней ели в этом случае сосредоточена в верхней части почвы - до глубины 20-30 см. В ряде местообитаний у ели, кроме горизонтальных корней образуются и вертикальные, идущие от горизонтальных, образуя так называемые якорные корни. На влажных почвах они выражены слабо и проникают на небольшую глубину. Для дренированных почв эти корни характерны и могут проникать в глубину до 1 м и более. На легких почвах у ели может формироваться и стержневой корень.

Распространение корней вглубь ограничивают у всех пород слои плотных горных пород, карбонатные породы, кристаллические породы, мерзлота, грунтовые воды.

Глубоко укореняющаяся лиственница Сукачева имеет, так же как сосна и ель, поверхностную корневую систему на почвах, подстилаемых на небольшой глубине карбонатами. Лиственница даурская и другие породы, произрастающие в районах распространения летней мерзлоты образуют поверхностную корневую систему.

Дуб - порода с характерной для него мощной и глубокой корневой системой, на поймах образует поверхностную корневую систему.

В засушливых районах древесные растения имеют длинные разветвленные горизонтальные корни, простирающиеся в радиусе до 25 м (белая акация, саксаул и др.).

Отношения древесных пород к почве. Касаясь отношения отдельных древесных пород к почве, следует сказать, что в практике их различают прежде всего по различной общей требовательности к почве. Одни породы относятся к более требовательным. Таковы ясень, бук, липа, ель. Другие могут поселяться и на бедных почвах или на почвах с односторонне выраженными свойствами. Это сосна, белая акация, береза.

Помимо такого общего суждения установлено, что сосна может занимать самые разнообразные почвы, начиная от песчаных и кончая торфянисто-глеевыми, хотя наилучшего роста достигает на богатых супесчаных и суглинистых почвах карбонатных и черноземных. Лиственница сибирская, ясень и бук считаются породами, достигающими оптимального развития на почвах, богатых известью.

Суглинистые и свежие супесчаные подзолистые почвы покрыты обычно еловыми, пихтовыми и лиственными лесами как в чистом виде, так и смешанными. Можно сказать, что такие почвы подходят для большинства пород, если только последние поставлены в благоприятные климатические условия.

На сухих песчаных почвах юга растут некоторые виды ив, в частности шелюга, белая акация, осокорь. Эти ксерофиты развивают сильную корневую систему. Например, у песчаной акации корни уходят в пески на 18 м, у джузгуна засыпаемые песком придаточные корни достигают 30 м длины.

Солонцеватые почвы выносят сравнительно немногие породы. К числу солевыносливых пород можно отнести тамарикс, ильм, гледичию, татарский и полевой клены, дуб, шелковицу.

Во взаимосвязях отдельных древесных пород с почвой надо учитывать и влияние других факторов. Обычно ель не растет на песчаных почвах, но во влажном климате положение меняется. На севере встречаются ельники беломошники.

От почв, явно благоприятных для роста отдельных древесных пород, необходимо отличать те почвы, которые заняла та или иная древесная порода не вследствие благоприятных для нее условий, а потому, что другие, более требовательные породы на этих почвах не могут расти. Так, по р. Донцу в Харьковской области на меловых отложениях произрастает сосна чистыми древостоями, потому что другие древесные породы на меловых отложениях расти не могут.

Влажность почвы. Важнейшее значение для растений имеет почвенная влага. Но не всякая влага а почве и не во всякое время одинаково полезна. На почвах сильно увлажненных и в то же время бедных кислородом произрастает ограниченное число древесных пород. А те, которые могут расти, например, сосна обыкновенная, имеют замедленный рост, образуют древостои низких бонитетов. Такое явление присуще особенно таежным лесам с застойной влагой. Корни способны брать значительное количество воды, если она не насыщена в большой степени органическими кислотами и солями. Древесные породы на торфяных почвах в условиях высокого физического содержания воды с трудом поглощают минимум влаги из-за кислой среды, затрудняющей осмотические процессы.. Длительное застаивание воды в почве ведет часто к образованию закисных соединений железа, ядовитых для древесных и кустарниковых пород.

В общем виде значение грунтовых вод в жизни леса можно представить так. На юге повышение уровня грунтовых вод благоприятно для роста леса, а понижение - неблагоприятно. На севере наоборот. Повышение грунтовых вод вызывает заболачивание почвы и снижение бонитета.

Химическое плодородие почвы. Лесные древесные породы меньше потребляют зольных элементов, чем травянистые, что свидетельствует о возможности разведения леса на более бедных почвах по сравнению с сельскохозяйственными культурами. Однако было бы совершенно неправильным считать, что лес не нуждается в плодородной почве. Выращивание высокопроизводительных древостоев возможно на почвах богатых азотом и зольными элементами.

О потреблении зольных элементов и их потребности косвенно судят по содержанию их в составе самих древесных растений. Наибольшее количество золы и азота накапливается в хвое и листве, т. е. в органах, где происходят основные процессы биосинтеза. За ними идут мелкие, затем крупные ветви. Наименьшим содержанием золы и азота характеризуется ствол дерева.

Хвойные отличаются меньшим содержанием зольных элементов и азота (1-4 %). Лиственные, как правило, содержат большее количество золы (до 5-10 %). У одной и той же породы содержание зольных элементов и азота меняется с возрастом. У значительного количества древесных пород наиболее интенсивно потребление наблюдается в возрасте молодняка и жердняка.

Г.Ф.Морозов различал понятия потребность в зольных веществах и требовательность к ним. Первое определяется процентом зольности листьев или количеством золы в годичном приросте насаждения на единице площади, т. е. количество зольных элементов которое порода извлекла и использовала для своей жизни. Второе - способность извлекать нужные вещества из почвы в надлежащих количествах только при высоком их содержании в почве. Примером породы с большой потребностью в зольных элементах и в то же время с малой требовательностью к составу почвы является белая акация: она отличается высоким содержанием зольных элементов и в то же время способна извлекать их из бедных почв. В противоположность ей сосна обыкновенная соединяет в себе малую потребность с малой требовательностью.

По требовательности к химическому плодородию почвы древесные и другие лесные растения можно разделить на три группы:

- олиготрофные (малотребовательные): сосна обыкновенная, белая акация, береза повислая и пушистая, шелюга;

- мезотрофные (среднетребовательные): ель, лиственница, кедр сибирский, ольха черная и серая, осина, рябина;

- эвтрофные (породы с повышенной требовательностью): клены, ясень, дуб, бук, ильмовые, липа, пихта, грецкий орех.

Разным лесным растениям зольные элементы и азот требуются в разном количестве и в различных сочетаниях. К почвам с повышенным содержанием кальция часто бывают приурочены лиственница, бук, ясень.

Присутствие карбонатов в составе почвообразующих наносов определяет в тайге наиболее благоприятную среду не только для лиственничных древостоев, но и для ели. Почвы, богатые известью, обычно отличаются хорошей аэрацией, благоприятным тепловым и гидрологическим режимом, поэтому положительное влияние кальция сказывается и через улучшение физических свойств почв.

В жизни леса исключительно велика роль азота. Общее значение этого элемента выразил акад. Д.Н.Прянишников: "Без азота не могут образоваться белковые вещества, без белковых веществ не может быть протоплазмы, а, следовательно, и жизни".

Для леса необходимы также наличие в почве в доступной для растений форме фосфора, серы, калия, железа.

Засоление почв. Большинство древесных пород и кустарников плохо переносят засоленность почв. Солевыносливыми породами являются: тамариксы, саксаул, белая акация, некоторые виды тополей, клен татарский, полевой и ясенелистный. Солонцеватость почв связана с наличием обменного натрия и характеризуется щелочной реакцией. При этом может образоваться сода, токсичная для корней.

Оценивать отношения древесных пород и других лесных растений к механическому составу почвы, ее физическим свойствам и химизму необходимо с учетом географических условий. Общеизвестно, что ель порода суглинистых, а не песчаных почв, уда она не идет из-за сухости и бедности почвы. Однако на обширных территориях редкостойной северной тайги ель встречается и на песчаных почвах. Эти почвы здесь характеризуются большим содержанием влаги, чем на юге. Они лучше прогреваются по сравнению с суглинистыми почвами этой зоны.