Как дерево взаимодействует с дождём

Во время дождя тонны воды могут оказать влияние на землю где-то за один час. На оголённых почвах и на землях с редкими или культивируемыми растениями под ударом капель вымывается почва, обычно может вымыть 80 т/Га или до одной тысячи тонн при экстремальных ливнях. Когда почва оголена, мы теряем землю.

В результате стока воды и открытого испарения, составляющие 80-90% от всех дождей выпадающих в Австралии, питательные вещества и ил уносятся в море или во внутренние бассейны. Когда мы лишаем землю растительности, сток воды возрастает, на какое-то время это может радовать людей, когда они видят, как их плотины очень быстро наполняются. Но плотины в дальнейшем забиваются илом и реки фактически перестают течь, а вырубка лесов приводит к наводнениям и засухам, к недолго регулируемой и постоянной поставке чистой воды извне.

Когда дождь идёт над лесом, запускается комплексный процесс. Во-первых, полог деревьев укрывает и обнуляет ударный эффект дождевых капель, обращая дождь в тонкий туман под пологом даже при самых проливных дождях. В зрелых лесах бывает слабая утрата ила, вызванная большим скоплением выработанной лесом почвы.

Если дождь слабый, то малая часть его проникает через полог, но плёнка воды распространяется поверх листьев и стволов, и улавливается ими посредством поверхностного натяжения. Клетки дерева поглощают то, что им необходимо, а оставшаяся часть испаряется в воздух. Там, где дождь не проникает сквозь полог этот эффект называется «общий перехват». ПЕРЕХВАТ это количество дождя, выловленное кронами деревьев. Это самое важное первостепенное воздействие деревьев или лесов на дождь. Степень перехвата, прежде всего, зависит от следующих факторов:

• Высота кроны;

• Плотность кроны;

• Время года;

• Интенсивность дождя; и

• Испарение после дождя;

В общем, перехват обычно составляет 10-15% от общего дождя. Наименьший перехват происходит в разреженных и лиственных лесах, во время зимних дождей, сильных ливней и в условиях облачной погоды, когда он составляет всего лишь 10% от дождя. Наибольший перехват происходит в густом вечнозеленом лесу при лёгком летнем дождике в солнечную погоду, когда он может достигнуть 100%.

Однако, если выпадает больше дождей или сильный дождь воздействует на деревья, то вода начинает достигать земли в виде тумана или капель. Эта вода называется СКВОЗНЫЕ ОСАДКИ. Сквозные осадки зависят от интенсивности дождя, при сильных ливнях происходит очень маленький перехват. В среднем сквозные осадки составляют 85% от дождя в зонах влажного климата.

С этой точки зрения, сквозные осадки это ни что иное, как дождевая вода, дождевая вода это больше чем вода в ванной; сквозные осадки содержат растительные клетки и питательные вещества, и фактически представляют собой более насыщенный напиток чем просто дождевая вода. В воде сквозных осадков содержатся растворённые соли, органические вещества, пыль, выделения растений (Таблица 6.2). «Результаты показывают, что дождь смывает большое количество калия и малое количество азота, фосфора, кальция и магния с полога и приносит их на поверхность почвы. Опад дополнительно вносит органические вещества и является богатым источником кальция и азота и небольшим источником магния и калия» (Д.С. Мюррей и А. Митчелл «Эвкалипт приречный и баланс питательных веществ», Отдел по сохранению почвы, штат Виктория, Австралия, без даты).

Сквозные осадки нельзя измерить с помощью дождемеров, так как у деревьев часто имеются специальные рецепторы, каналы и хранилища для такой воды. Случайно выпавший дождь преобразуется в правильно направленные паттерны потоков, которые обеспечивают потребности и рост леса. В основании ствола пальм, бананов и многих эпифитов или в ребристых корнях деревьев терминалии Terminalia и фиников вода скапливается в воздушных резервуарах, которые часто полны тины и комаров. Наствольные мхи и эпифиты много раз поглощают основную массу воды, а само дерево направляет воду с помощью наклонных веток и трещиноватой коры к стержневым корням, пауки улавливают свою долю воды на паутине, и грибы поглощают её в необходимом им количестве. Некоторые деревья имеют плакучие ветви, чтобы направить сквозные осадки к мочковатым, периферийным корням.

Наполнив воздушные резервуары, сквозные осадки поступают в гумусовый уровень леса, который сам может поглощать 1 см дождя на каждых 3 см глубины. В старых буковых лесах гумусовый слой толщиной как минимум 40 см, нижняя земля это масса грибницы. В нетронутых дождевых лесах глубокие мхи могут ковром покрывать лесную землю. Таким образом, на глубине 30-40 см сквозные осадки поглощаются сапрофитами и живыми системами гумусового слоя. Снова состав воды меняется, которая вобрала гумусовые выделения, вода с густых лесов и болот может стать прозрачного золотого цвета, как чай.

ТАБЛИЦА 6.2 Содержание питательных веществ в опаде, стекающих с полога каплях и дожде в открытом естественно восстанавливающемся лесу из приречных эвкалиптов (Eucalyptus camaldulensis), г. Грингегалгона, шт. Виктория, Австралия [Источник: Д.С. Мюррей и А. Митчелл «Эвкалипт приречный и баланс питательных веществ», Отдел по сохранению почвы, штат Виктория, Австралия (без даты)].
ИСТОЧНИК	ПЕРИОД*	ОБЩЕЕ КОЛ-ВО ДОЖДЯ (см.)	ВОЗВРАТ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ (кг/0,4Га)							ОБЩИЙ ОПАД (л.)
			N	P	K	Ca	Mg	Na	Cl
Старые деревья: (5% от общего кол-ва) ОПАД ВОДА С ПОЛОГА ИТОГО	1* 1 1	- 76,67 76,67	8,5 2,7 11,25	0,5 0,5 1,0	2,7 12,6 15,3	11,25 5,9 17,1	2,7 5,0 7,7	1,8 32,0 33,8	Н/О 64,4 -	1 260 -
Возобновляю-щийся лес: (95% от общего кол-ва) ОПАД ВОДА С ПОЛОГА ИТОГО	1 1 1	76,67 76,67	17,1 1,4 18,5	0,9 0,3 1,2	4,5 7,2 11,7	22,0 2,7 24,8	6,8 2,3 9,0	2,3 13,1 15,3	Н/О 23,0 -	2 430
Дождь: Поблизости Колрейн§ Кавендиш§	2* 3* 4*	23,13 84,03 54,38	0,2 0,2 Н/О	0,05 Н/О Н/О	0,3 0,7 0,2	0,4 1,4 1,4	0,3 1,4 0,9	1,9 9,5 6,3	3,2 17,1 9
*1: 5/5/60 - 4/5/61. *2: 22/11/60 - 4/5/61. *3: 1/9/55 - 1/9/56. *4: 1/9/54 - 1/9/55. § Согласно Хаттону и Лесли Н/О = не определено.

Total kinetic energy absorbed – ОБЩАЯ КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ПОГЛОЩАЕТСЯ Transpiration - ТРАНСПИРАЦИЯ Evaporation - ИСПАРЕНИЕ (rehumidification) – (ПОВТОРНОЕ УВЛАЖНЕНИЕ) Condensation & interception – КОНДЕНСАЦИЯ И ПЕРЕХВАТ Crown storages + moisture held in air mass within tree canopy – ХРАНИЛИЩА В КРОНЕ + ВЛАГА, УДЕРЖИВАЕМАЯ В ВОЗДУШНОЙ МАССЕ В ПРЕДЕЛАХ ПОЛОГА 93% water content – 93% СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ Advection fogs – АДВЕКТИВНЫЕ ТУМАНЫ Moist air (condensation) – ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ (КОНДЕНСАЦИЯ) Throughfall – СКВОЗНЫЕ ОСАДКИ Nutrients in solution - РАСТВОРЁННЫЕ ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА Pooled in crooks – ВОДА В ИЗГИБАХ Biological water 85-93% of total (crown, stem, root) – БИОЛОГИЧЕСКАЯ ВОДА 85-93% ОТ ОБЩЕГО КОЛ-ВА (КРОНА, СТВОЛ, КОРНИ) Stem channeling & runoff – НАСТВОЛЬНЫЕ ЖЕЛОБКИ И СТОК Crown drip – ВОДА, КАПАЮЩАЯ С КРОНЫ Water’s quality altered in all transfers – КАЧЕСТВО ВОДЫ МЕНЯЕТСЯ ВО ВРЕМЯ ВСЕХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ 86% water content – 86% СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ Water held in bark fibres – ВОДА УДЕРЖИВАЕТСЯ В ВОЛОКНАХ КОРЫ Surface evaporation – ПОВЕРХНОСТНОЕ ИСПАРЕНИЕ Surface runoff impeded by leaf litter – ЛИСТОВОЙ ОПАД ПРЕПЯТСТВУЕТ ПОВЕРХНОСТНОМУ СТОКУ Litter layer – СЛОЙ ОПАДА Humus layer – ГУМУСОВЫЙ СЛОЙ Absorption - ПОГЛОЩЕНИЕ The visible tree (40-60% of total) and water throughfall – ВИДИМОЕ ДЕРЕВО (40-60% ОТ ОБЩЕГО ДЕРЕВА) И СКВОЗНОЕ ПРОХОЖДЕНИЕ ВОДЫ 85% roots & 94% of water in first 0,6 m of soil – 85% КОРНЕЙ И 94% ВОДЫ В 0,6 м ВЕРХНЕЙ ПОЧВЫ About 15% of root mass below 0,6 m (species dependent) – ОКОЛО 15% КОРНЕВОЙ МАССЫ НИЖЕ 0,6 М (В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДОВ) Filtration - ФИЛЬТРАЦИЯ Percolation – ПРОСАЧИВАНИЕ ЧЕРЕЗ ПОЧВУ Bound water on soil particles (interstitial water) – ВОДА, СВЯЗАННАЯ ЧАСТИЧКАМИ ПОЧВЫ (ТРЕЩИННО-ПОРОВАЯ ВОДА) Root transport (evapo-transpiration) – ПЕРЕНОС С ПОМОЩЬЮ КОРНЕЙ (ЭВАПОТРАНСПИРАЦИЯ) Fungal mycorhizal storage – ГРИБНЫЕ МИКОРИЗНЫЕ ХРАНИЛИЩА To ground water storage & seepage (soil reservoir) – К ХРАНИЛИЩУ ГРУНТОВЫХ ВОД, ПРОСАЧИВАНИЕ (ПОЧВЕННЫЙ РЕЗЕРВУАР) Throughflow – СКВОЗНОЙ ПОТОК РИСУНОК 6.6 КАК ДЕРЕВО ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С ДОЖДЁМ Каждое дерево, каждый вид растения выступает в роли посредника во время дождя, меняет состав, энергию и распределение воды; общее воздействие деревьев заключается в том, чтобы смягчать и сберегать поступающую энергию.

pH может снизиться до 3,5 или 4,0 под воздействием природных гумусовых слоёв, реки, обретая прозрачный кофейный цвет, впадают в море. Ниже слоя гумуса находятся корни деревьев, каждый окутан сетью грибницы и гелем, выделяемым колониями бактерий. 30-40% массы дерева находится в почве; большая его часть простирается на многие акры (1 акр = 40 соток, «на многие акры» в русском эквиваленте это сколько будет? Я затрудняюсь перевести, «на несколько гектаров»?), с тысячами километров корневых волосков, образующих дернину в верхних 60 см почвы (только 10-12% корневой массы находится глубже, но остальная часть корней проникает на глубину до 40 м нижних горных пород.

Дерниной активно поглощается раствор, в который превратилась вода, и деревом переносится снова вверх, откуда испаряется в воздух. Корни некоторых засухоустойчивых растений образуют влажную почву вокруг и могут хранить излишки воды в земле в период дневного использования; эта вода удерживается в корневых сообществах в виде геля. Центрозема Centrosema и гледичия Gleditsia это древесные бобовые, произрастающие в засушливых землях, которые имеют «влажные» корневые зоны, согласно отчётам другие растения делают тоже самое в пустынных почвах (вид Прозопис/Prosopis).

Частички почвы вокруг дерева теперь увлажнены поверхностным слоем воды, как были увлажнены листья и корневые волоски. Эта захваченная вода формирует слой доступный корням, которые могут опустить воду вниз с давлением на уровне 15 атмосфер, где почва удерживает последний тонкий слой. После полного насыщения почвы влагой (по «влагоёмкости»), остальная часть воды проходит сквозь промежуточные пространства почвы и начинает медленно двигаться к рекам, а от них к морю.

В любое время деревья могут перехватывать влагу и использовать эти подземные запасы для роста и перекачивать воду снова в воздух. Если мы представим видимый лес (над землёй) в виде воды (почти около 5-10% этой массы – вода), а затем представим воду, содержащуюся в почве, гумусе и корнях, то осознаем, что леса представляют собой огромные озёра активно используемой и активно перерабатываемой воды. Никакая другая система хранения не сравнится по благотворности или результатам в виде такого большого полезного роста, хотя довольно мелкие пруды также ценная часть продуктивного ландшафта.

В кроне деревьев дождевые капли, обладающие ударной силой, разбиваются и рассыпаются, часто обращаясь в туман или собираясь в маленькие струйки, стекающие по желобкам коры, таким образом, вода достигает земли, лишившись кинетической энергии, которая разрушает почвенный покров за пределами лесов. Следующее препятствие возникает на поверхности лесной почвы, где корни, опад, бурелом и листья перенаправляют, замедляют и собирают воду.

Таким образом, в лесу почвенный слой обладает всеми возможностями, чтобы служить в качестве основного хранилища. Поскольку даже бедные почвы хранят воду, то сама почва имеет огромный потенциал для хранения воды. ИНФИЛЬТРАЦИЯ к этому хранилищу вдоль корней и через листовой опад максимально увеличивается в лесу. Почва имеет несколько хранилищ:

• УДЕРЖИВАЮЩЕЕ ХРАНИЛИЩЕ: слой воды, связанный частицами почвы, удерживаемый поверхностным натяжением.

• ПОРИСТОЕ ХРАНИЛИЩЕ: пустоты между частичками почвы, заполненные водой.

• ГУМУСОВОЕ ХРАНИЛИЩЕ: набухающий микоризный и пористый детрит в гумусе почвы.

Меньшее хранилище это химически связанная вода в сочетании с минеральными веществами в почве.

В общем, 2,5-7 см дождя хранится в пределах 30 см почвенного слоя в удерживающем хранилище, хотя почвы мелкозернистой текстуры и с высоким содержанием органики могут хранить 10-30 см дождя на глубине до 30 см. Дополнительно 0-5 см может содержаться в пористом хранилище.

Таким образом, почва становится препятствием на пути движения воды, а свободной (содержащейся в порах) воде требуется от 1 до 40 лет, чтобы пройти сквозь землю и достичь рек. В сильные засухи также происходит подпитка удерживающих хранилищ на пути. Таким образом, складывается впечатление, что цель лесов дать почве время и средства для удержания свежей воды в земле. Конечно же, это хорошо для самих лесов и даёт им возможность использовать воду в периоды отсутствия дождей. (Одум, 1974 г.).

6.7

ИТОГИ

Давайте проясним, как деревья влияют на общее выпадение осадков. Рассмотрим случай, когда ветра дуют с океана или большого озера в сторону суши:

1. Вода, содержащаяся в воздухе, это та, что испарилась с поверхности моря или озера. В ней содержится немного частичек соли, но она «чистая». Малая часть может выпасть в виде дождя (15-20%), но большая часть этой воды КОНДЕНСИРУЕТСЯ из чистого ночного воздуха или туманов при соприкосновении с прохладной поверхностью листьев (80-85%). Из этого конденсата 15% испаряется в течение дня, и 50% транспирируется. Остальная часть поступает в грунтовые воды. Таким образом, не только одни дожди, но и деревья влияют на поступление в реки большей части воды.

2. Из выпадающих дождей, 25% снова испаряется с листьев кроны, 50% транспирируется. Эта влага добавляется к облакам, которые теперь как минимум содержат 50% «воды деревьев». Таким образом, деревья могут удвоить или многократно увеличить сам дождь с помощью этого процесса, который может повторится много раз над обширными лесистыми долинами и предгорьями.

3. По мере того как воздух поднимается над сушей, количество осадков и конденсация возрастают и на горах могут появиться туманные леса плюс устойчивые облака, что значительно увеличивает общее количество осадков и инфильтрацию к нижним склонам и рекам.

4. Везде где ветра проходят над линиям деревьев или над краями лесов высотой 12 м и выше, возникают спирали Экмана, которые привносят где-то 40% дождей, выпадающих полосами строго параллельно линиям деревьев.

5. В пределах леса 40% случайных воздушных масс могут поступить внутрь и либо потерять воду, либо повторно увлажниться.

6. В каждом случае, дождь скорее выпадает в результате того, что органические частицы формируют ядра конденсации, в то время как частицы промышленных аэрозолей слишком малы, чтобы вызвать дождь вместо этого создают условия сухости и облачности.

Таким образом, если вырубить леса, то что останется кроме пыли?

6.8