Как леса зависят от климата?
Жизнь леса и его географическое распространение зависят от климатических условий, в первую очередь температуры воздуха и количества осадков. Климат позволяет расти лесам далеко не везде. Северная граница распространения лесов зависит от температуры воздуха. Там, где становится слишком холодно, леса сменяются тундрой. Однако температурные условия, особенно на равнинах, меняются не скачком, а постепенно. Потому на границе леса и тундры формируется переходная зона, в которой можно встретить участки как тундры, так и леса. Такая переходная зона называется лесотундрой (Рис. 2.3.2).
Положение южной границы распространения леса – где лес переходит в степь – определяется количеством осадков. В жарких условиях растение постоянно испаряет влагу с листьев для охлаждения. Если же осадков в летний период немного, то влаги в почве накапливается мало, и у деревьев возникают большие проблемы с её подъёмом на высоту кроны. Потому в тёплых условиях и при небольших осадках преимущество получают невысокие травянистые растения. Так образуются степи. Помимо климата на площадь лесного покрова серьёзное влияние оказывает рельеф местности, грунты, водоёмы и деятельность человека.
Влияют ли современные изменения климата на лес?
Интересно, реагирует ли лесной покров на современное потепление климата? Ответ – да! Особенно ярко изменения, связанные с потеплением климата, проявляются на северной границе распространения леса. На Полярном Урале деревья и кустарники поднимаются выше по склонам гор, занимая постепенно пояс горных тундр (Рис. 2.3.5). Верхняя граница распространения лиственничных деревьев за последние 80–90 лет поднялась вверх в среднем на 35–40 м (а в некоторых регионах и на 50–80 м). Продвижение кустарников
вверх по склону на 50 м и более отмечено в Хибинах на Кольском полуострове (Мурманская область России). Активный рост кустарников, в особенности ив, наблюдается в восточноевропейских тундрах.
Южная граница леса тоже меняется. В лесостепной и степной зонах европейской части России происходит постепенное исчезновение дубрав – в основном из-за летних засух. В Байкальском регионе, наоборот, сосновые леса наступают на степные экосистемы, что объясняется увеличением количества осадков. Таким образом, южная граница леса смещается не столько из-за роста температуры, сколько из-за изменения режима увлажнения.
В лесах России за последние десятилетия изменились площади, занимаемые некоторыми древесными породами, и учёные считают, что во многом это происходит из-за потепления климата. Например, дубовые леса сокращаются в южных регионах и, наоборот, увеличиваются севернее, на границе листопадных лесов и северной тайги.
Почти по всей России идёт сокращение площадей еловых лесов. У ели поверхностная корневая система, поэтому она оказывается очень чувствительной к увеличению частоты и продолжительности засух, при этом во многих регионах России увеличивается площадь берёзовых лесов. Это явление хорошо известно лесоводам. Дело в том, что после пожара или вырубки хвойных деревьев на их месте вырастают сначала берёзы и другие мелколиственные породы, и только потом, со временем, появляются новые хвойные деревья, которые постепенно начинают вытеснять мелколиственные берёзу, осину и ольху. Однако в последние десятилетия этого не происходит: скорее всего, хвойные деревья не успевают сменить берёзовые леса.
Согласно большинству прогнозов, из всех лесных регионов планеты наибольшие изменения, связанные с потеплением климата, будут происходить в северных лесах Евразии и Северной Америки за счёт смещения северной и южной лесных границ. Так, при повышении температуры на 2 °C общая площадь лесного покрова увеличится за счёт распространения лесов в современную зону тундр (Рис. 2.3.7). При повышении температуры на 4 °C отступление лесов будет идти по всей южной границе их распространения, причём
оно станет более масштабным, чем продвижение лесного покрова на север, в зону тундр.
Вызванное изменением климата обезлесение охватит почти всю среднюю полосу Восточной Европы и Западной Сибири. Это очень тревожный прогноз, показывающий, насколько серьёзной может стать ситуация с исчезновением лесов, если осуществится самый неблагоприятный сценарий потепления климата.
Гибель лесов от пожаров, нашествий вредителей
и экстремальной погоды
Ещё одна большая проблема для лесов, связанная с изменением климата, – это масштабные пожары и нашествия вредителей из-за более жаркой погоды в летний период. Жара и другие экстремальные погодные явления часто становятся непосредственной причиной гибели лесов.
Лесные пожары возникают главным образом в результате неосторожного обращения с огнём. Однако для их возникновения нужны определённые погодные условия, а именно, сочетание тёплой и сухой погоды в течение нескольких дней или недель. В этих условиях подсыхает лесная подстилка, состоящая из отмерших листьев, хвои и мелких веточек, мхов, лишайников и трав, растущих под пологом леса. Лесная подстилка быстро воспламеняется, и пожар распространяется на большие площади. Такие пожары называются низовыми.
При распространении огня в хвойных лесах огонь часто выходит в кроны деревьев. Хвоя и мелкие ветви елей и сосен содержат большое количество смолистых веществ, потому они легко загораются и на живых деревьях. В этом случае возникает верховой пожар (Рис. 2.3.8), наиболее опасный и разрушительный, приводящий к полной гибели леса!
Пожары наносят огромный ущерб лесу: гибнет много деревьев, уменьшается их прирост, ухудшается состав лесов, распространяются вредные насекомые. При изменении климата вероятность возникновения пожароопасных ситуаций увеличивается, поскольку повышается температура, что приводит к более быстрому высыханию лесных горючих материалов. Становится более длинным тёплый сезон года, в который могут происходить пожары.
Необычно жаркое лето 2010 года в центре Европейской части России ослабило хвойные деревья, приспособленные совсем к другим условиям. Такие ослабевшие деревья – лёгкая добыча для многих видов насекомых, которые живут под корой. В годы с нормальной температурой и влажностью численность этих насекомых контролируется другими видами – и хищными насекомыми, и птицами. Но если жуков-короедов слишком много, лесу на огромных площадях приходит конец! Высохшие деревья остаются сначала без хвои, а потом и без коры. Многочисленные грибы-разрушители древесины продолжают свою невидимую работу, из-за чего корни уже не удерживают деревья. Под сильным ветром они падают одно за другим (Рис. 2.3.9). Из исчезнувшего леса вместе с птицами уходят белки – ведь урожая шишек нет и не предвидится. Если водилась в таком лесу куница, она тоже уйдет в поисках охотничьих угодий побогаче. Зелёный ковёр ландышей и кислицы, ранее укрытый от прямого солнечного света, сменяется зарослями вейника, малинником, крапивой. Словом, меняется весь набор видов!
Однако всё ещё может вернуться к прежнему положению. Так же, как
и после пожаров, через сотню-другую лет еловый лес восстановится почти полностью. Но только при условии, что где-то остались такие же нетронутые леса со всем прилагающимся набором обитателей. И если в последующие годы не случится столь же необычных колебаний температуры.
Помимо засух, гибель лесов вызывают и другие экстремальные погодные явления: ураганные ветры и смерчи, приводящие к ветровалам (Рис. 2.3.10), ливни, во время которых происходит либо смыв отдельных участков леса, либо отмирание деревьев при длительном затоплении. Массовое повреждение деревьев может вызываться обильно выпавшим мокрым снегом или обледенением. При сильном граде происходит повреждение коры ветвей, что может вызвать заметное ослабление деревьев и их частичное усыхание.
История оледенений, современные научные свидетельства и прогнозы показывают, что леса и другие природные экосистемы могут адаптироваться к самым различным климатическим условиям. Но эта адаптация в основном связана с миграциями – то есть изменениями границ природных зон и типов растительности. Во время оледенений леса сохранялись на сравнительно небольшой территории, а обширные пространства Евразии покрывались тундрами и тундростепями. При потеплении лес возвращал себе статус доминирующего типа растительного покрова. Однако современное потепление развивается слишком быстрыми темпами. В этих условиях вполне вероятны не постепенные, а катастрофические смены
типов растительного покрова, то есть масштабные усыхания лесов с повышенной вероятностью лесных пожаров.
Потому лучше не доводить глобальное потепление до крайностей, а обеспечить постепенную стабилизацию климатической ситуации на планете!
Как леса влияют на климат?
Мы с вами узнали, как климат и его изменения влияют на леса. Но оказывается, существует и влияние леса на климат!
Например, зелёный лес меняет отражение солнечного света земной поверхностью, тем самым влияя на количество тепла, поглощаемого Землёй. Разница в температурах между лесом и безлесной территорией особенно заметна в зимний период. Солнечные лучи хорошо отражаются от заснеженных безлесных равнин, и в меньшей степени – от более тёмных пространств, покрытых таёжными лесами.
Лес помогает удерживать влагу в почве и влияет на испарение, делая климат региона более мягким и влажным.
В лесу дольше задерживается снежный покров – так сглаживаются весенние скачки температуры и снижаются риски весеннего разлива реки.
Однако важнейшее для климата свойство лесов связано с углеродным циклом. Лес поглощает углекислый газ из атмосферы и хранит связанный углерод в виде различных органических веществ. А ведь именно углекислый газ, попадающий в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, является главной причиной современного потепления климата.
Очень многие знают, что зелёные растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Этот процесс называется фотосинтезом, и происходит он благодаря энергии солнечного света. Поскольку в лесу много зелёных растений – деревья, кустарники, травы – распространено мнение, что леса обогащают кислородом атмосферу планеты. В средствах массовой информации по отношению к лесам часто используется термин «зелёные лёгкие планеты». Поглощение кислорода и выделение углекислого газа – это две стороны единого
процесса фотосинтеза, потому можно подумать, что леса непременно удаляют углекислый газ из атмосферы. Но эта точка зрения не вполне правильна!
Чтобы разобраться в процессах обмена углекислым газом между лесом и атмосферой, сначала надо понять, в каком виде лес сохраняет углерод, элемент, который в соединении с кислородом образует углекислый газ. Углерод входит в состав любого органического вещества. К примеру, в сухой древесине около половины массы приходится именно на углерод.
Что такое пул углерода?
Любой компонент экосистемы, содержащий значительные количества органического вещества, является хранилищем углерода. Эти хранилища учёные называют пулами (англ. «pool» – бассейн). В лесной экосистеме
имеется 4 главных пула углерода: 1) фитомасса (масса живых растений), 2) мёртвая древесина, 3) подстилка (опавшие листья, ветки), 4) органическое вещество почвы.
Пул фитомассы – это живые растения: стволы, ветви, корни, листва и хвоя деревьев и кустарников, листья и корни трав, мхи (Рис. 2.3.11). Как правило, наиболее велик вклад в фитомассу стволов деревьев, однако в северотаёжных или заболоченных сосновых лесах значительна доля мхов.
Пул мёртвой древесины состоит из отмерших деревьев и корней. Процесс отмирания деревьев лесоводы называют отпадом. Естественный отпад происходит в результате конкуренции растущих деревьев за солнечный свет. Более мелкие деревья затеняются своими более крупными собратьями, не получают достаточно света для фотосинтеза и постепенно засыхают. Поэтому молодой лес намного более густой, чем старый. Отпад деревьев может происходить и при различных неблагоприятных ситуациях: лесных пожарах,
засухах, вспышках размножения лесных вредителей, техногенных агрязнениях. В нарушенных лесах пул углерода в мёртвой древесине может
превышать его запас в живой.
Лесная подстилка представлена относительно мелкими фрагментами органического вещества, лежащими на поверхности почвы (Рис. 2.3.13). В первую очередь, это сухие листья и хвоя, мелкие сухие веточки, лепестки цветов, шишки и прочие фрагменты, опадающие с живых растений. Пополнение пула подстилки называют опадом. В листопадных лесах пополнение пула подстилки наиболее интенсивно идёт в период осеннего листопада. В таёжных лесах опад хвои равномернее распределён по сезонам года.
Значительные запасы углерода находятся в пуле почвы. Дело в том, что почва состоит из минералов и органических веществ, в первую очередь так называемого гумуса – вещества тёмного цвета, представляющего собой результат длительного преобразования растительных остатков (подстилки, мёртвой древесины и отмерших корней). Доля углерода в гумусе равна 58 %,
то есть выше по сравнению с фитомассой. Чем темнее почва, тем больше в ней содержится углерода (Рис. 2.3.14).
В таёжных лесах в пуле фитомассы содержится 21 % запаса углерода, в мёртвой древесине – 4 %, в подстилке – 3 %, в почве – 72 %. Именно углерод почвы доминирует в этих лесах.
В тропических лесах ситуация несколько иная – на живое и мёртвое органическое вещество приходится по 50 % запасов углерода.
Почему такая разница? В таёжных лесах подавляющая часть отмирающих растений разлагается грибами и бактериями, причём скорость этого разложения невелика. Крупные отмершие стволы деревьев разлагаются в течение десятилетий! Низкая скорость разложения приводит к тому, что в лесу накапливаются значительные пулы мёртвого органического.вещества – мёртвой древесины, подстилки и гумуса почвы. В тропическом лесу значительная часть подстилки и мёртвой древесины потребляется животными, в первую очередь термитами. Это увеличивает скорость разложения и уменьшает вклад пулов мёртвого органического вещества в углерод экосистемы.
Бюджет углерода
Теперь, когда мы знаем всё о пулах углерода в лесной экосистеме, давайте посмотрим, как связаны эти пулы между собой и с атмосферой (Рис. 2.3.15). Учёные называют такую схему бюджетом углерода, по аналогии с экономикой, в которой бюджет – это доходы
и расходы финансовых ресурсов предприятия или семьи.
Единственной «доходной» статьёй бюджета углерода в лесной экосистеме является фотосинтез. При валовом фотосинтезе создаётся органическое вещество. Первые, кто использует его, – сами растения. Почти половина созданного при фотосинтезе вещества разлагается в процессе дыхания самих растений, а углерод этого вещества озвращается в атмосферу. Оставшуюся часть органического
вещества называют чистым фотосинтезом, его углерод пополняет пул фитомассы.
Многочисленные живые организмы, обитающие в лесу, потребляют органическое вещество растений. Это гусеницы бабочек и другие насекомые, поедающие листву деревьев, птицы и грызуны, собирающие плоды и семена,
лесные копытные, питающиеся травой и молодыми ветвями.
В тайге и умеренных лесах значительная часть древесной фитомассы отмирает, и эти растительные остатки становятся добычей грибов и бактерий (Рис. 2.3.16). Отмирание целог растения (например усыхание дерева) является отпадом, а отдельных частей (например листьев осенью) – опадом. Эти потоки пополняют пулы мёртвой древесины и подстилки.
При дыхании грибов и бактерий углерод органического вещества связывается с кислородом и возвращается в атмосферу в виде углекислого газа. Результатом является разложение мёртвой древесины и подстилки. Небольшая часть вещества этих пулов превращается в гумус и пополняет пул углерода почвы (этот процесс называют гумификацией). Углерод попадает в почву и из живых растений в виде органических веществ корневых выделений.
Органическое вещество почвы также разлагается грибами и бактериями с выделением углекислого газа в атмосферу. Некоторая часть углерода выносится из экосистемы с грунтовым и поверхностным стоком воды: вы наверняка видели осенью опавшие листья, плывущие по лесным ручьям.
Леса, где много зрелых и старых деревьев, поглощают из атмосферы такое же количество углекислого газа, как и выделяют. Углеродные пулы в таком лесу остаются с течением времени постоянными. Здесь в полной мере проявляется родство слова «пул» с бассейном: когда бассейн полон до краёв, в него уже не залить дополнительных объёмов воды. Точно так же и углеродные пулы зрелого леса заполнены почти до конца. Однако это не значит, что такие леса не играют роли в регуляции газового состава атмосферы. Просто период активного поглощения углерода в этих лесах
остался в прошлом, а ныне они являются хранителями «законсервированного» углерода, то есть того, который уже не может вызывать парниковый эффект.
Молодые растущие леса по своему углеродному бюджету отличаются от старовозрастных. Молодые леса накапливают запасы углерода, удаляя его из атмосферы. Этот углерод накапливается в пулах. Поэтому именно молодые леса в полной мере можно считать «зелёными лёгкими» планеты!
Различия в воздействии лесов на атмосферу
Мы выяснили, чем различаются молодые и старые леса: молодые растущие леса поглощают углекислый газ из атмосферы и благодаря этому могут частично компенсировать выбросы этого газа от сжигания угля, газа и нефти. Зрелые леса хранят огромное количество углерода в связанном виде, не допуская образования углекислого газа и его участия в парниковом эффекте. Потому, если мы хотим использовать леса для предотвращения климатических изменений, мы должны: 1) сажать новые молодые леса там, где лесов раньше не было; 2) сохранять существующие леса.
В развитых странах (США, Канаде, странах Европейского союза и других) много молодых лесов, которые поглощают углекислый газ из атмосферы. В этих странах экономика уже сложилась, и стремительного сокращения площади лесов не происходит. Многие из этих стран (например США, Канада, Швеция, Италия) в последние десятилетия ещё и поощряют
собственников земель, сажающих новые леса!
Поскольку тайга и умеренные леса растут и поглощают углерод в течение десятков, а иногда и сотен лет, в тех местах, где происходили нарушения лесного покрова в ХХ веке, сейчас возобновляются леса и происходит накопление ими углерода. Яркий пример – восстановление хвойного леса вблизи тихоокеанского побережья Канады (Рис. 2.3.17). В начале XX века эта территория была покрыта гигантскими хвойными лесами из пихты Дугласа и красного кедра, достигавшими высоты 80–90 м. К середине XX века эти леса были вырублены. До сих пор на местах бывших вырубок можно увидеть гигантские пни диаметром более 2 м. Позже в Канаде были приняты строгие природоохранные законы, которые способствовали восстановлению лесов на местах бывших рубок.
Совершенно иная ситуация в развивающихся странах, особенно в Южной Америке, ЮгоВосточной Азии и Океании. Население и экономики этих стран быстро растут, потому постоянно требуются новые территории для устройства сельскохозяйственных полей, размещения фабрик и заводов, строительства городов, посёлков и дорог. Эти дополнительные территории в основном образуются за счёт уничтожения тропических лесов. Площади вы 
рубок быстро превращаются в сельскохозяйственные земли, потому восстановления лесов и последующего поглощения углекислого газа не происходит. Фотография, сделанная в тропической части Аргентины (Рис. 2.3.18), показывает начало уничтожения леса. Лесные земли ранее принадлежали армии, но в начале 2000-х годов были переданы в муниципальное управление. Муниципалитет выдал разрешение на сельскохозяйственное освоение этих земель, и началась вырубка.
Вырубка лесов в некоторых тропических регионах происходит с очень высокой скоростью. За 30 лет (с 1972 по 2002 годы) в Папуа Новой Гвинее было вырублено около 15 % площади дождевых лесов (Рис. 2.3.19). Ещё
на 9 % площади новогвинейских джунглей леса деградируют. Поэтому выбросы парниковых газов от обезлесения в Новой Гвинее возросли за эти 30 лет более чем в 2 раза.
Сейчас около 10 % количества углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу человеком, образуется из-за вырубки тропических лесов. В рамках Организации Объединённых Наций обсуждается создание глобальной системы для сокращения выбросов парниковых газов от уничтожения лесов в развивающихся странах. Есть двусторонние международные проекты по сохранению тропических лесов (например соглашение между Австралией и Индонезией). Некоторые развивающиеся страны, например Китай, Индия и Коста-Рика, проводят собственные программы по увеличению площади лесов. Но в целом ситуация с сохранением запасов углерода тропических лесов пока весьма тревожная.
Как управлять углеродным балансом лесов
Баланс углерода в лесу зависит от многих факторов, из которых самые важные – это воздействие человека, катастрофы (лесные пожары, вспышки размножения вредителей и другие), а также изменения климата. Оказывается, балансом углерода лесов можно управлять! Если сильно сократить объёмы заготовок древесины, то леса будут поглощать больше углерода из атмосферы.
Один из таких проектов осуществляется Всемирным фондом дикой природы (WWF) на Дальнем Востоке России. Идея проекта – отказаться от промышленных рубок кедровошироколиственных лесов бассейна реки
Бикин, допускается лишь заготовка дров коренным населением (Рис. 2.3.20). При этом проект предлагает местным жителям развивать традиционные формы использования лесов: сбор кедровых орехов, ягод, грибов, папоротника, лекарственных растений.
Также важно снижать ущерб от лесных пожаров. Подавляющая часть пожаров возникает по вине человека. Это оставленные не погашенными во время пикников костры, брошенные на сухую подстилку или лишайники дымящиеся окурки, поджигание сухой травы (Рис. 2.3.21) и другие ситуации, вызванные неосторожным обращением с огнём на природе. Такой обычный призыв «Берегите лес от пожара!» в условиях климатических изменений звучит по-новому актуально. Если вам удастся отговорить своих приятелей от поджога травы или тополиного пуха, залить костёр после семейного отдыха в лесу, вы можете с полным основанием
считать, что внесли свой собственный вклад в предотвращение климатических изменений!
Вопросы
1. Какие леса называют таёжными?
2. Какая древесная порода преобладает в лесном покрове Восточно-Европейской тайги и почему?
3. Как смещается в последние десятилетия граница лестундра и почему?
4. Предположим, что к концу этого века потеплеет на 4 °С. Как это отразится на лесах?
5. Как хозяйственная деятельность человека влияет на леса?
6. Какие основные пулы углерода имеются в лесной экосистеме?
7. Могут ли растения дышать?
8. Какие организмы разлагают мёртвые растительные остатки?
9. Могут ли старовозрастные леса очистить атмосферу от лишнего углекислого газа?
10. Почему тропические леса теряют запасы углерода?
Задания
Задание 1. Эксперимент
Цель: выяснить, какие деревья и кустарники наиболее чувствительны к потеплению.
Материалы: нераспустившиеся ветки деревьев, ёмкости с водой. Ход эксперимента. Эксперимент проводится за несколько недель до типичных сроков снеготаяния в регионе. На улице срезается несколько веток с различных древесных и кустарниковых пород (берёза, вяз, ива, тополь, клён). Ветки устанавливаются в ёмкости с водой, начинаются периодические наблюдения. Отмечается увеличение размеров почек, сроки, когда почки лопаются, увеличение листочков. Измерения размеров почек проводятся и на улице. После
распускания листьев деревьев на улице строятся графики увеличения размеров почек и листьев в помещении и на улице. В заключение эксперимента делается вывод о том, какие породы деревьев более чувствительны к потеплению (быстрее реагируют на тепло).
Задание 2. Эксперимент
Цель: выяснить, у какой породы деревьев в древесине содержится больше углерода.
Материалы: несколько брусочков разной древесины (дуб, ель, берёза, осина и другие), линейка, весы.
Ход эксперимента. Измерим размеры каждого брусочка, рассчитаем объём (умножим длину на ширину и на высоту брусочка) и взвесим его. Разделим вес брусочка на его объём, так мы узнаем, сколько грамм весит кубик древесины со стороной 1 см. Разделим получившееся число на 2, это будет вес только углерода в этом кубике. Обсудим получившийся результат и сделаем вывод о том, в какой древесной породе пул углерода больше, а значит именно такие леса предпочтительно сажать с целью снижения парникового эффекта.
Задание 3. Эксперимент
Цель: сравнить количество кислорода и углекислого газа, выделяемое растениями на свету и в темноте.
Материалы: две большие стеклянные ёмкости с герметичной крышкой и водой (примерно треть объёма), черенки растений с крупными листьями, лучинка, спички. Ход эксперимента. Внутрь каждой высокой прозрачной ёмкости помещают черенки растений и герметично закрывают. Одну ёмкость ставят в тёплое, светлое место, другую закрывают тёмным покрывалом. Через 1–2 дня с помощью горящей лучинки проверяют, в какой из них пламя горит ярче: результат оценивается сразу после снятия крышки, пока газ не улетучился. Наблюдают за яркой вспышкой пламени лучинки, внесенной в «светлую» ёмкость сразу
после снятия крышки. В «тёмной» банке лучинка, наоборот, слегка затухает. Делается вывод о том, что на свету растение выделяет больше кислорода, чем углекислого газа, а в темноте наоборот.
