Ліс і вітрові латералі та радіалі

Вітер — це повітряний потік в атмосфері, який рухається майже паралельно землі й являє собою типову латераль. Деколи говорять і про радіаль — вертикальну складову вітру, котра, як правило, в сотні разів менша за горизонтальну складову і досягає найбільших величин лише в особливих випадках: у хмарах в умовах сильно розвинутої конвекції (вертикального переміщення теплих і холодних мас повітря з одних висот на інші) або ж у горах, коли повітря опускається схилом (гірсько-долинні вітри).

Позитивнтй вплив вітру на ліс проявляється в:

доставці свіжих порцій повітря з більшим вмістом С02 у крони;

переміщенні транспіраційної вологи;

запилюванні дерев;

поширенні насіння багатьох порід на значні віддалі.

Проте корисні властивості вітру обмежені певною швидкістю. Потужні латеральні потоки можуть не лише нашкодити згаданим позитивним процесам, але й призвести до вітролому та загибелі деревостану. Вітер посилює інтенсивність низових пожеж і переводить їх у верхові.

У помірних широтах середні швидкості вітру невеликі — 5-8 м/с, однак тут частіше бувають сильні вітри і бурі, коли швидкість повітряного потоку сягає 20-35 м/с. Проте на європейському континенті зафіксовані і швидкості 202 км/год. Такої швидкості досягнув вітер 27 грудня 1999 р. на південному заході Франції, коли у знаменитому Версальському парку було вирвано з коренем понад 10 тис. дерев, у тому числі 200-річні кедри, посаджені за наказом Наполеона.

Швидкість і напрямок вітру має добре виражений добовий хід. Вночі швидкість поблизу земної поверхні досягає мінімуму, а в післяобідню пору — максимуму. Особливо добре добовий хід вітру виражений влітку в ясну погоду над степом. Річний хід швидкості вітру суттєво залежить від особливостей загальної циркуляції атмосфери, а також від місцевих особливостей. Для класифікації вітрів за силою (швидкістю) існує 17-бальна шкала Бофорта.

Розглянемо вплив лісу на перетворення латерального потоку в раді­альний. Латеральний повітряний потік, зустрівши на своєму шляху ліс, змінює швидкість, переходячи у спрямовану вгору радіаль. Водночас перед стіною лісу створюється зона підвищеного, а за лісом — пониженого тиску, що посилює турбулентність (лат. turbulentus — бурхливий, невпорядкований) потоку. Латеральні потоки перед лісом і в лісі, ще зони зустрічають на своєму шляху перепони, перетворюються в стацігнальні. Швидкість латералей за лісом залежить від проникливості насаджень, зокрема їх породного складу, густоти та будови фітоценозу. По-різному, наприклад, будуть стримувати латеральний потік одноярусне насадження з підліском і без нього, або ж триярусне насадження.

Сповільнення латерального потоку перед лісом починається на віддалі 10 висот деревостану. За лісом зберігається швидкість вітру до 20-25 висот. Ці одержані експериментальним шляхом дані покладені в основу розрахунків віддалі між полезахисними смугами — 30-35 висот деревостану. Якщо розрахункова висота деревостану 17-20 м, то віддаль між смугами приймають 550-700 м. Таке розташування смуг захистить сільськогосподарські посіви від видування степовими вітрами.

Виходячи із даних експериментальних досліджень Е.М.Валендика, Г.В.Бєлов (1983) звертає увагу на те, що турбулентні потоки повітря, які проносяться над кронами, перетворюються в радіальні стаціоналі й ури-ваються зверху всередину лісу, тому немає підстав, на думку автора, брати до уваги затухання швидкості повітряного потоку у міру віддалення від узлісся. Причому, чим більша швидкість вітру (20-30 м/с), тим більші турбулентність і сильніший вплив неослабленого вітру на крони. Різновисотність дерев у наметі також сприяє формуванню радіальних стаціоналей. Про це свідчать також дослідження відомого чеського вченого І.Віскота, який це явище вивчав у смеречниках. Автор звертає увагу на те, що зовнішня поверхня намету є нерівною. Часто над нею виступають крони дерев, які завдяки своїй життєвій силі обганяють своїх однолітків у рості, й саме вони є збурювачами турбулентного руху повітря.

Вітер є головним фактором, який визначає форму стовбура, його міц­ність і надійність, що слід брати до уваги, створюючи неширокі захисні смуги й узлісся насаджень. Як зазначає С.В. Бєлов (1985), під дією вітру на кронах дерев виникають сили опору, момент згину і відхилення осі стовбурів від вертикального становища.

Висота стовбура зумовлює напругу в тканинах, причому стиснення і розтягування тим більші, чим дальше від осі розташовані річні кільця. В якості відповідної реакції на подразнення під дією зворотного зв'язку дерева так розподіляють вироблений будівельний матеріал, щоб закріпитися корінням у ґрунті і сформувати стовбур у вигляді балки рівного опору. Такий стовбур, на думку автора, буде мати однакову міцність у всіх перерізах за висотою і найраціональнішу форму.

Слід брати до уваги, що дерева, які ростуть у насадженні, знаходяться в умовах взаємної вітрозахищеності. Тому тут вітер у повну силу проявляє себе лише у верхній частині крон. Середні та нижні шари крон перебувають під дією послабленого вітру. Крона дерева, що росте на свободі, повністю знаходиться під впливом повітряного потоку. Дерева, що виросли в лісі, мають малий збіг стовбура до початку крони, а в кроні збіжність різко збільшується. Форма стовбура в цьому випадку має форму параболоїда. Дерева, які виросли на свободі, мають збіжистий стовбур, майже конічної форми. Як зауважує С.В. Бєлов (1983), обидва стовбури являють собою балки з однаковим опором, але характер розподілу вітрового навантаження й епюри моментів згину (Маг) у них є зовсім різними. Для дерева у деревостані зменшення Мзг з висотою відбувається згідно з лінійним законом до початку кро­ни, а далі — за параболою. В дерева, що росте на свободі, М.іг вже від землі змінюється за параболою, тобто зменшується з висотою значно різкіше.

У старшому віці, коли стовбур разом з кроною набрали потужної маси, яка може не встояти під натиском вітру, в місцях з'єднань стовбура з корінням, тобто в місцях появи концентрації напруги від вітрового навантаження, утворюються прикореневі напливи. До появи напливів тут виникають максимальні деформації і напруги в тканинах, що зумовлює сильне подразнення. Зворотною реакцією дерев є спрямування сюди великої кількості поживних речовин, за рахунок яких наростають річні кільця, а западини вирівнюються. Місце з'єднання стовбура й коріння набуває плавної стовщеної форми, а деформація в тканинах узгоджується з іншими частинами стовбура.

Ми розглянули вітер як фактор, який визначає форму стовбура і його стійкість проти злому. Однак вітер, який створює моменти згину і перевертання, що виникають під впливом потужних латеральних потоків (швидкість понад 26,4 м/с, або 95 км/год), не лише ламає дерева — він вивертає їх з корінням. Причому дуже часто спостерігається така закономірність: якщо закріплення міцне, що властиве для глибоко дре­нованих земель, то сильний вітер ламає стовбур; якщо ж воно нетривке, а це характерно для дерев, які ростуть на торфах, то дерева вивалюються з корінням. Аналогічне явище спостерігається з деревами, що мають поверхневу кореневу систему і ростуть на перезволожених або ж малопо-тужних ґрунтах, які підстелені глинами чи скельними породами.

Часто зламуванню та вивертанню з корінням піддаються дерева, які мають незадовільний санітарний стан: наявність внутрістовбурної гнилі, а також гнилих сучків і коріння. Таку картину нерідко можна спостерігати в старовинних парках та алейних посадках великих міст.

4. Киснезбагачення і регулювання складу С0₂

Киснезбагачувальна функція ценозу-фітомеліоратора полягає насам­перед у наповненні атмосфери киснем, споживання якого постійно зростає, особливо у місцях концентрації промисловості та транспорту. На нашу думку, негативно позначилась на стані озеленення концепція другорядної ролі зелені суші в киснепродукуючому процесі, висунута М.Дювіньє і М.Тангом (1968). У доповіді ООН вони надали перевагу фітопланктону Світового океану. Зрештою, така думка висловлювалась і раніше (Ебермеєр, 1893; Гофман, Скоробагатько, 1935; Висоцький, 1950 та ін.). При цьому робилось посилання на постійний вміст вуглекислоти з малоозелененому місті і за його межами, де зелені достатньо. Існує і протилежна точка зору, яку обстоюють багато авторів, особливо коли була доведена першорядна роль зелені суші в підтримці планетарного балансу кисню.

З геохімічної точки зору жива речовина є кисневою, багатою на вуг­лець, і лише іноді вона, за виразом В.І.Вернадського, є вуглецевим орга­нізмом. Тому в умовах урбанізованої природи необхідно хоч якоюсь мірою забезпечувати баланс споживання і продукування кисню. І це реальна необхідність: адже ми сьогодні вимушені констатувати, що багато промислово розвинутих країн "з'їдають" запаси кисню оточуючої нас атмосфери. Одним з найнадійніших засобів збільшити виробництво кисню у світі, нестача якого вимальовується на горизонті, як стверджує Ф.Сен-Марк (1977), є поширення рослинності.

Настав час розрахунку кисню, який виділяється конкретним типом фітоценозу. О.О.Молчанов (1973) наводить приклад підрахунку кисне-продуктивності ялинового лісу в Баварії, його споживання і поповнення в атмосферу. Для утворення одиниці сухої маси необхідно затратити 1,83 маси вагової одиниці С0₂, одночасно при розщепленні води вивільнюється 1,32 вагової одиниці О₂. Наприклад, якщо протягом року виробляється 10 т сухої речовини на 1 га, в процесі фотосинтезу використовується 18,3 т С0₂, вивільняється 13,2 О₂, то різниця між ними становить 5,1 т вуглецю, або, іншими словами, близько 50% продукованої сухої речовини. В табл. 3.27 наведено дані киснепродуктивності, отримані за допомогою викладеної методики підрахунку.

Поглинання С02 і виділення кисню в атмосферу пропорційне усій фітомасі насадження. Внаслідок фізіологічних досліджень встановлена добова продуктивність фотосинтезу С02 у міліграмах на 1 г сирої маси листя: береза повисла — 69,9 мг/г, бук європейський — 52,9, дуб звичайний — 43,2, сосна звичайна — 17,1, ялина звичайна — 14,2, модрина європейська — 81,5 мг/г, тобто за різницею в 5 разів.

У сонячний літній день 1 га лісу продукує 120-150 кг нової сухої фітомаси, поглинаючи 220-275 кг С0₂ і виділяючи 180-215 кг кисню. Це забезпечує киснем 430-500 чол., які одночасно перебувають у лісі протягом 10 год. Чотири дорослих дерева забезпечують добову потребу в кисні однієї людини.

У шарі повітря завтовшки 1 м над 1 га земної поверхні міститься 5,64 кг СО,, отже, насадження здатне поглинути таку кількість СО₂ яка міститься в шарі повітря завтовшки 45 м. Проте листовий шар не може поглинути весь вуглекислий газ. При поглинанні із повітря 30% його запасу листя починає відчувати голод, причому інтенсивність фотосинтезу різко падає. Конвективні потоки повітря і вітер доставляють кронам нові порції СО₂

Вночі вміст СО₂ під наметом лісу збільшується вдвічі і становить 0.06% за об'ємом і 0,09% за масою. Збільшення вуглекислого газу в цей час відбувається в основному за рахунок дихання ґрунтових організмів та коріння рослин.

Рослинність земної кулі щорічно в цілому поглинає 180 млрд т вугле­кислого газу. За аналогічний період в атмосферу виділяється 142 млрд т кисню. Зменшення рослинного покриву й особливо його продуктивності загрожує кисневому балансу атмосфери. Справа в тому, що його розхід є звичайно великий. Наприклад, автомобіль "Волга" на 100 км пробігу використовує 46 кг кисню і лише 13 кг бензину. Реактивний літак ТУ-134 =а проліт 900 км/год витрачає 3 т гасу і 10,3 т кисню, тобто річну норму 27 чол. За час перебування в літаку людина споживає 0,04 кг кисню на дихання, тоді як на його перевезення затрачається 0,8 кг.

На дихання населення земної кулі щорічно витрачається кисню: 7 млрд чол. х 380 кг/год = 2,66 млрд т. На дихання тварин і комах у 10 разів більше — 25 млрд т. Лісові та степові пожежі з'їдають 8 млрд т кисню. На спалювання добутого палива щорічно витрачається близько 30 млрд т, на процеси розкладу мертвої органічної речовини — близько Ю млрд т кисню. Правда, завдяки процесу окислення в атмосферу повертається С0₂, необхідне для фотосинтезу.

Завдання фітомеліорації полягає у створенні повноструктурних фіто­ценозів, які б відрізнялися продукуванням максимальної кількості сухої речовини. Як зазначає російський лісівник О.О.Молчанов, позитивна рів­новага (баланс) кисню протягом тривалих періодів (за одну вегетацію, декілька років або століть) утворюється тільки там, де продукована суха речовина базується на ланцюгу хімічного розпаду внаслідок утворення або вимивання гумусу ділового лісу і т. д. Отже, процес киснвутворення охоплює своїм впливом не лише кліматоп і біоценоз, але й едатоп, в якому з участю редуцентів — грибів і мікробів — відбуваються процеси перетворення мертвої органічної речовини в мінеральну.

Створення міських насаджень-фітомеліорантів слід вести з урахуван­ням поповнення кисню, який інтенсивно споживається сусідніми проми­словими територіями, транспортними магістралями або ж житловими масивами. Іноді, особливо в години помітного смогу, цим територіям потрібен кисень саме "в цю хвилину".

Як зазначено вище, протягом вегетаційного періоду кількість СО₂ в лісовому повітрі найбільша вночі. Навесні концентрація СО₂ в лісі найвища і може в приземному шарі сягати 0,06%. У період з 20-ї до 7-ї год вона становить 0,033-0,035%. У 12-річному молодому буковому лісі в період вегетації протягом дня кількість С0₂ становить 0,055%, а у 80-річному — 0,02%. Відносно багато виділяється СО₂ у процесі дихання коренів дерев: берези, вільхи, осики, липи; менше — модрини, сосни, бука і дуба; найменше — ялини й ялиці. Водночас виділення СО₂ у про­цесі дихання листя відносно більш інтенсивне в берези; менше — у дуба і бука; найменше — у модрини, сосни й ялини. В насадженнях, розміщених у глибоких долинах і улоговинах, а також молодих і старих загущених, слабо провітрюваних деревостанах концентрація С0₂ значно вища, ніж у насадженнях старшого віку, розміщених на височинах, зріджених і добре освітлених, з багатим трав'яним ярусом, що добре провітрюються. Меншою концентрацією СО₂ характеризуються також змішані насадження з перевагою хвойних порід.

Кількість 0₂ в атмосферному повітрі зелених насаджень також коли­вається залежно від доби і пори року. Це пов'язано насамперед з інтен­сивністю виділення рослинами кисню при диханні. В сонячні дні, в період повної вегетації рослин, при слабкому вітрі в межах 0,5 м/с, температурі повітря 10-20⁰ С й освітленості 3500-30000 люкс фотосинтез у більшості дерев відбувається найінтенсивніше.

В більшості листяних рослин процес асиміляції проходить найбільш інтенсивно в період з 8 до 10 год., а слабшає в полудень, потім знову зростає протягом дня. Наприклад, береза, дуб, бук належать до рослин з більшою асиміляцією порівняно з сосною, дугласією й ялиною.

Фотосинтез у хвойних відбувається цілорічно. У сосни цей процес інтенсивніший у травні, липні, серпні і вересні; в червні відбувається помітний спад. В ялини період інтенсивності асиміляції припадає на квітень, липень, серпень, вересень, жовтень і грудень. Помітний спад спостерігається до половини жовтня, січня, лютого і березня. Різна кисне-утворювальна здатність насаджень: найвища — у дугласії (49 т/га), найнижча — у сосни (12 т/га).

У лісовому середовищі виділення кисню в атмосферу відбувається головним чином у шарі крон, де зосереджена основна маса зеленого листя. В густих дорослих насадженнях зелена маса крон піднесена високо над поверхнею, в піднаметовому просторі вона дуже обмежена, а в багатьох випадках зовсім відсутня (кленовики, каштанники, дубняки (д. північного)). Якщо брати до уваги кліматичні умови такого насадження, то бачимо, що проникнення кисню з ярусу крон до поверхні ґрунту досить незначне. Ю.П.Бяллович (1969) виключає радіалі О₂ з радіалей біогенних продуктів, оскільки О₂ який знаходиться в біогоризонті, головним чином атмосферного походження, і його концентрація відбувається власне в даному біогоризонті. Корисний склад повітря відзначається в насадженнях з достатньою провітрюваністю, де кількість проникаючого до поверхні ґрунту світла становить приблизно 30%. Такі насадження мають в основному багатоярусну будову, вони добре провітрювані, а їх сильнорозвинена зелена маса здатна позитивно впливати на фітоклімат.

Як було відзначено, вночі в лісових насадженнях відносно мало О₂ водночас багато СО₂ причому його рівень особливо високий у 2-метровому надземному шарі. Беручи це до уваги, не слід розміщувати під наметом лісу будиночки кемпінгів або палатки, краще використовувати відкриті простори в сусідстві з лісом.

Якщо ж ценоз — фітомеліоратор — знаходиться біля забруднювача повітря, його узлісся повинно бути в міру відкрите для латерального повітряного потоку, який несе всередину насадження пил, сажу або міцні токсиканти. Мінімальне співвідношення складових повітря для людини — одна частина забрудненого повітря на 3000 чистого. Вздовж багатьох магістралей це співвідношення нижче 1:1000. Пояс зелені завширшки близько кілометра, що зростає вздовж траси, може повністю відновити баланс повітря.

Самоочищення атмосферного повітря відбувається під час процесу фотосинтезу і регульованого рослинами температурного вітрового режиму. Характерно, що людина, яка перебуває всередині насадження, під його наметом, споживає збагачене киснем повітря в межах замкненого кола: вдихуваний кисень — видихуваний вуглекислий газ — вдихуваний кисень. Слід наголосити, що людина дихає не просто повітрям, а очищеним повітрям. Сам же процес протікає латераллю в такій послідовності: повітря з дефіцитом О₂ (стежки або тротуари між зеленим масивом і автомагістраллю) рухається до масиву, в масиві рослини виробляють О₂, йде процес його насичення і винос насиченого киснем повітря на перехожу частину і т.д. Цей рух відбувається навіть у безвітряну погоду, оскільки між перегрітим повітрям тротуару і охолодженим повітрям масиву (як і у випадку ліс — поле) існують обмінні течії.

Один квадратний кілометр лісу виробляє більше тисячі тонн кисню в рік, а один квадратний кілометр степу — близько півтисячі тонн. 20-річне соснове насадження площею 1 га поглинає щорічно 9,35 т вуглеки­слого газу і виділяє 7,25 т кисню; 60-річне соснове насадження виділяє 10 т кисню. Найактивніші в цьому процесі середньовікові насадження. В сонячний день 1 га лісу поглинає з оточуючого повітря в середньому 220-280 кг вуглекислого газу, виділяючи 180-220 кг вільного кисню.

Згідно з даними краківського дослідника Стажецького, протягом річної вегетації з 1 м2 поверхні листя виділяється така кількість кисню (кг): бузок — 1,1; осика — 1,0; граб — 0,9; ясен — 0,89; дуб — 0,85; сосна — 0,81; клен — 0,62; ліщина — 0,59; бук — 0,55; липа дрібнолиста — 0,47; жостір — 0,33.

Виходячи з цих даних, можна зробити розрахунок киснезбагачува-льних можливостей 100-річного бука, 800 тис. листків якого мають загальну площу листкової поверхні 1600 м2 і виділяють протягом вегетаційного періоду 800 кг кисню. Таку ж продуктивність мають 1700 молодих буків з діаметром крони 2 м. Цей простий розрахунок свідчить про великі можливості старих ширококронних дерев. За даними польського дослідника Мичковського (1975), вартість продукованого 100-річним буком кисню в тисячу разів перевищує вартість його деревини.

Безсумнівно, що при підборі асортименту деревно-чагарникових порід для озеленення необхідно брати до уваги ефективність різних рослин у процесі газообміну. Наприклад, якщо ефективність ялини звичайної — 164, то липи широколистої — 254, дуба звичайного — 450, тополі берлінської — 691.

Підраховано, що 1 га міських зелених насаджень поглинає протягом 1 год 8 кг СО₂, тобто таку кількість, яку виділяє за цей час 200 чол. Для того щоб людина мала в місті здорове оточуюче середовище, стверджують прихильники цього досить примітивного розрахунку, необхідно на одного міського жителя мати 50 м2 зелених насаджень.

Необхідно більше уваги приділяти ролі лісового біоценозу в регулю­ванні складу атмосферного повітря, особливо найбільш рухомих компонентів — СО₂ і О₂. Ці зміни відбуваються головним чином внаслідок дихання коренів і розкладу підстилки, а також дихання надземних рослин і перебігу фотосинтезу.