Польза одуванчиков для человека

Когда в лесу меняются деревья

Предложена модель, позволяющая объяснить естественное видоизменение таежных лесов: замену лиственных деревьев на хвойные, и определить, на каком этапе существования леса стоит этих перемен ожидать. Полученные данные полезны при составлении долгосрочных прогнозов состояния лесного покрова и, учитывая высокую хозяйственную ценность хвойных лесов, помогают рассчитать доступность лесных массивов для их использования в экономических целях.

В работе А.С. Исаева из Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов и В.Г. Суховольского, А.И. Бузыкина и Т.В. Овчинниковой из института леса им Сукачева СОРАН представлена математическая модель замещения лиственных деревьев на хвойные в зависимости от фитомассы лиственных деревьев. Объектами исследования служили наиболее распространенные типы леса Восточного Саяна и Средней Сибири: лиственные, хвойно-лиственные и темнохвойные леса.

В процессе развития — от начала своего существования до достижения устойчивой, климаксовой, конечной (в идеале) фазы развития — леса видоизменяются. Такая последовательная, необратимая и закономерная смена одного растительного сообщества на другое называется сукцессией. Каждый этап сукцессии имеет свой характерный видовой и возрастной состав растений. Молодые леса бореальной зоны (северных умеренных широт) формируются лиственными деревьями, в основном березами и осинами, которые по прошествии 200-500 лет, заменяются коренными хвойными породами: сосной, елью, пихтой, лиственницей и кедром (см.: Исаев и др., 2005. Моделирование лесообразовательного процесса: феноменологический подход // Лесоведение. ? 1. С. 3-11).

Описанию первичных условий возникновения леса (после гарей или вырубок) на сайте Элементы посвящено две статьи: «О конкуренции среди популяций с дискретной структурой. » и «Феноменологические модели роста лесных насаждений». В первой работе моделируются конкурентные отношения молодой березовой поросли с травянистыми растениями (вейником). Во второй работе, написанной почти тем же коллективом авторов, что и статья нынешняя, также речь идет о начальных этапах становления леса: о смене сообщества травянистых растений на сообщество растений древесных.

Для описания сукцессионных процессов как в статье «Феноменологические модели роста лесных насаждений», так и в настоящей работе используются представления об экологических фазовых переходах. Под фазой в физике понимается равновесное состояние системы, однородной по своему составу и свойствам, качественно отличающееся от других равновесных состояний. Фазовый переход в широком смысле — это переход системы из одного равновесного состояния в другое при изменении внешних условий. В физике выделяются фазовые переходы первого и второго рода. Фазовый переход первого рода совершается скачкообразно, при этом резко меняются внутренние характеристики системы. При фазовом переходе второго рода внутренние свойства системы изменяются плавно и непрерывно.

В «Феноменологических моделях роста лесных насаждений» обсуждалось превращение ценоза травянистых растений в лесной ценоз, которое происходит довольно быстро (за несколько лет) с резким изменением суммарной биомассы (масса растений травянистых сообществ в среднем составляет несколько десятков тонн на гектар, а древесных — сотни тонн на гектар). Такие сукцессионные переходы можно рассматривать как аналоги фазовых переходов первого рода в физических системах.

Обсуждаемая в настоящей работе замена лиственных деревьев на хвойные происходит довольно медленно (на протяжении десятилетий), при этом общая древесная биомасса существенно не меняется. В данном случае мы имеем дело с аналогом фазового перехода второго рода.

Лиственные деревья на первых этапах существования леса имеют преимущество перед хвойными: по сравнению с последними береза и другие лиственные деревья плодоносят более регулярно, их семена распространяются на большие расстояния, скорость роста самих растений выше. Кроме того, береза хорошо возобновляется вегетативным путем, что позволяет ей захватывать обширные территории. Через 70-80 лет фитомасса березы достигает своего максимума. Затем, вследствие вымирания старых деревьев, фитомасса уменьшается. До какого-то момента в таких лесах хвойные деревья практически отсутствуют. Однако после уменьшения фитомассы лиственных ниже определенного критического уровня (Xr) под пологом лиственных деревьев начинают появляться молодые ели и кедры. Это значение критической фитомассы лиственных и определяет момент фазового перехода сукцессии от лиственной стадии к смешанной. Представленная в статье модель показывает, что при дальнейшем уменьшении фитомассы лиственных деревьев доля хвойных (точнее, квадрат этой величины) возрастает линейно до тех пор, пока лес не превратится полностью в хвойный. Причем расчеты показывают, что смешанные и хвойные леса менее подвержены экологическому риску по сравнению с лиственными.

Сравнение предложенной модели с натурными данными показало высокую степень сходства (коэффициент детерминации R 2 в большинстве случаев не опускался ниже 0,7), однако критические значения фитомассы лиственных деревьев (определяющие появление хвойных) изменялись в широких пределах для разных типов леса: от 205 до 91 м 3 /га. Таким образом, приведенная в статье модель адекватно описывает сукцессию таежных лесов, но, к сожалению, не дает ответа на вопрос о времени, необходимом на восстановление коренных хвойных лесов.

Анализ полученных данных показал зависимость критической фитомассы от бонитета леса: у малопродуктивных лиственных лесов невелик запас фитомассы, соответственно и критическое значение фитомассы перехода к смешанному лесу меньше.

На отклонение натурных данных от расчетных могут влиять разные факторы, в том числе климат или ландшафтные условия. Согласно теории фазовых переходов, чем значительнее фитомасса лиственного леса превышает критическую величину Xr, тем слабее воздействия любых внешних факторов, но вблизи Xr даже малые изменения экологических условий могу привести к смене видового состава.

Россия — лесная держава, владеющая 25% лесных ресурсов планеты. По имеющимся оценкам за последние 40 лет, российские леса относительно стабильны. Однако на обширных площадях сосновые, кедровые и еловые леса, вырублены и сменились березняками, осинниками или хвойными монокультурами низкой продуктивности. Академик А.С. Исаев считает, что только треть наших лесов доступна для использования в экономических целях. Прежде, чем превращать дерево в бревно, необходимо хотя бы примерно знать, когда на этом же месте вырастет аналогичное дерево. «Из всех работающих на нас машин лес — одна из самых долговечных, но и труднее всех поддающихся починке» (Л. Леонов «Русский лес»).