Научные основы создания системы полезащитных лесных полос

В сельскохозяйственных районах страны уровень продуктивности растениеводства определяется не только характером использования основных средств производства, но и довольно частым проявлением неблагоприятных природных факторов – сильными ветрами, вызывающими выдувание снега и мелкозема, суховеями, которые увеличивают непродуктивные потери влаги. Вместе с тем циркуляционные процессы в атмосфере, особенно в нечерноземной зоне и Сибири, вызывают резкое изменение теплового баланса в ответственные фазы развития сельскохозяйственных культур, что также сказывается на урожае.

Полезащитные лесные полосы выполняют ряд функций. Основные из них: улучшение водного и теплового баланса пахотных угодий, элементов микроклимата об- лесенных полей, защита почвы от эрозии. Эффективность полезащитных лесных полос зависит от правильности подбора древесных и кустарниковых растений, их размещения на сельскохозяйственной территории в виде линейных насаждений. Главное требование, которое предъявляется к данному виду защитных лесных насаждений – это формирование у них признаков системности.

Лесные полосы, создаваемые на пахотных угодьях в мелиоративных целях, будут обладать свойствами системных объектов лишь тогда, когда на любой части межполосного поля будет заметен мелиоративный эффект от линейных насаждений. Если линейные насаждения не образуют систему, то мелиоративный эффект от них будет проявляться только на части облесенных угодий. Под системой лесных полос понимается совокупность линейных лесных насаждений на сельскохозяйственной территории, способных существенно мелиорировать микроклимат любой ее части. Признаком системы считается взаимодействие (в сфере микроклимата) нескольких лесных полос или участков насаждений.

Основная задача системы лесных полос – снижение уровней максимальных скоростей ветра, что вызывает уменьшение энерго-, массо- и теплообмена на межполосном угодии. Изменение энергетического режима приводит к улучшению баланса массопереноса на пахотных угодьях. Вместе с тем изменяется и тепловой баланс.

Формирование систем защитных лесных насаждений начинается на стадии их проектирования, цель которого создать систему, обеспечивающую оптимизацию микроклимата защищаемого угодья в соответствии с экологическими требованиями выращиваемых сельскохозяйственных культур и охрану окружающей среды в условиях интенсивного сельскохозяйственного производства при минимальном изъятии земли под насаждения и затратах на их выращивание. На стадии проектирования систем защитных лесных насаждений уточняется их ширина, размещение и подбор древесных

Главный вопрос проектирования полезащитных лесополос – это определение оптимальных расстояний между основными лесными полосами, их ориентации относительно направления вредоносных ветров. Решение его основано на анализе конкретных почвенно-климатических условий роста и формирования насаждения из разных пород, урожая сельскохозяйственных куль тур, потерь почвы от эрозии с применением существующих методик. В основе подбора древесных и кустарниковых пород лежит экологический принцип. Он решается в рамках агролесомелиоративного районирования в зависимости от конкретных почвенно-гидрологических условий. Для этого используют материалы крупномасштабных почвенных обследований, а при необходимости уточняются свойства почв и грунтов путем дополнительных полевых обследований на трассах будущих лесных полос.

Ведущими параметрами, определяющими основные функции системы, являются: высота и конструкция насаждений, расстояния между ними, форма поперечного профиля лесополос, шероховатость подстилающей поверхности, особенности ветрового режима. Высота насаждений обусловливает характер и протяженность зон их влияния и в связи с этим определяет такой важный параметр системы, как расстояние между основными лесными полосами. Высота насаждения зависит от породного состава, лесорастительных условий, возраста насаждения, густоты посадки, размещения главных древесных пород в насаждении, агротехники их выращивания

Конструкция лесных полос – важный аэродинамический параметр системы, определяющий степень, условия и распределение ветропроницаемости по вертикальному профилю насаждения. Насаждения разных конструкций обладают неодинаковыми защитными свойствами. Конструкция зависит от состава насаждения, его ярусности, числа рядов, размещения деревьев и кустарников в насаждении, периодичности, интенсивности и вида рубок ухода. Полезащитным лесным полосам придают продуваемую или ажурную конструкцию, выбор которой зависит от требуемых функций лесных полос в конкретных природных зонах и лесорастительных условиях

Продуваемая лесная полоса – это насаждение без кустарников, пройденное рубками ухода, с крупными сквозными просветами под кроной. В нижней части полосы сопротивление воздушному потоку оказывают только стволы деревьев. Под кроной насаждения воздушный поток часто имеет скорость выше, чем в открытом поле. Продуваемая конструкция рекомендуется для полезащитных лесных полос в районах с сильными снегопереносами.

Ажурная лесная полоса представляет собой насаждение с равномерными просветами по всему вертикальному профилю, благодаря чему воздушный поток проходит сквозь все насаждение. Ажурные лесные полосы наиболее эффективны в снижении скорости ветра на большом расстоянии.

Непродуваемая лесная полоса – это насаждение из деревьев и кустарников, плотное сверху донизу, без просветов, с незначительной ветропроницаемостью. Heпродуваемая конструкция рекомендуется главным образом при создании затишковых и снегосборных насаждений, лесных полос около населенных пунктов и ферм для защиты от ветров, пыли и снега.

Поскольку ветропроницаемость характеризует конструкцию лесной полосы, представляет интерес изменение ветропроницаемости в связи с некоторыми параметрами насаждения. Исследования показали, что малорядные лесные полосы обладают большей ветропроницаемостью, чем многорядные. Вместе с тем на ветропроницаемость оказывает влияние породный состав насаждения. Акация белая, береза, тополь и др. формируют более ветропроницаемые насаждения, чем вяз, клен ясенелистный. Между светопроницаемостью (ажурностью) и ветропроницаемостью существует определенная связь

Ветропроницаемость ажурных лесных полос несколько выше, чем светопроницаемость. Для лесных полос продуваемой конструкции связь более сложная. Уменьшение высоты подкроновой части полосы приводит к усилению поджатая воздушного потока и к увеличению ветропроницаемости. Параметр шероховатости влияет на условия ветропроницаемости: с его увеличением растет ветропроницаемость в кроне и подкроновой части насаждения.

Частое размещение деревьев в ряду вызывает формирование ажурных и менее ветропроницаемых насаждений. Оптимальной ажурностью (40 %) обладают 7-рядные часто дубовые, дубово-ясеневые и акациево-гледичиевые полосы при 1500 шт. стволов на 1 км

При изменении направления ветров к лесной полосе изменяется ее ветропроницаемость. Исследования на моделях лесных полос и в натуре показали, что с уменьшением угла направления ветра к полосе ее ветропроницаемость уменьшается, что связано с изменением сопротивления полосы воздушному потоку, причем более сильное снижение ветропроницаемости происходит у плотных насаждений.

На коэффициент сопротивления, а соответственно и на ажурность и ветропроиицаемость, влияет ширина полосных насаждений. Установлено, что широкие полосы обладают меньшей ажурностью, чем узкие. При высоте лесных полос 10 м и ширине междурядий в 3,3 м ажурность составляет 45 %, а при ширине междурядий в 10 м она уменьшается до 17 %.

Помимо аэродинамических характеристик линейных насаждений, на которые влияет их ширина, не менее важной является форма поперечного профиля насаждений, обусловливающая обтекание насаждений воздушным потоком. Наилучшая форма поперечного профиля для ажурных лесных полос – прямоугольная, для продуваемых – треугольная.

Шероховатость подстилающей поверхности защищаемого поля также является немаловажным параметром системы линейных насаждений. Она влияет на ветровой и тепловой режимы в системе лесных полос, обусловливает условия переноса почвенного мелкозема. Шероховатость подстилающей поверхности зависит от характера использования земли (полевые севообороты, кормовые угодья и др.). Уровень шероховатости поля оценивается параметром шероховатости Z0. По обобщенным данным, параметр шероховатости после обработки почвы близок к 1-2 см. Для разных сельскохозяйственных фонов он варьирует от 0,1 до 9 см.

Величина параметра шероховатости дли полей, занятых разными сельскохозяйственными культурами и их остатками, см. На функции параметров системы лесных полос влияют особенности ветрового режима в условиях выраженного рельефа. На наветренном склоне по направлению от основания к вершине (водоразделу) скорость ветра возрастает на 120-157 %. На заветренном склоне скорость ветра меньше, чем на равнине.

Лесные полосы, проектируемые на равнинных полях, образуют клетки, обычно имеющие форму прямоугольника. В настоящее время расстояния между основными лесными полосами при достижении ими проектной высоты приняты: на серых лесных почвах, оподзоленных и выщелоченных черноземах 600 м; на типичных и обыкновенных черноземах 500 м; на южных черноземах 400 м; на темно-каштановых и каштановых почвах 350 м; светло- каштановых почвах 250 м; на песчаных почвах в лесостепи 400 м; в степи 300 м, в полупустыне 200 м. Расстояние между вспомогательными полезащитными лесными полосами на песчаных почвах не должно превышать 1 км, на остальных почвах - 2 км.

Такие параметры размещения лесных полос обеспечивают проявление признаков системности в группе линейных насаждений при условии, что их высота соответствует проектной, а направление вредоносных ветров почти перпендикулярно полосам. Такие лесные полосы обеспечивают оптимизацию микроклимата облесенного поля и кормового угодья, защиту почвенного покрова от разрушения ветром. Вместе с тем проектирование систем лесных полос невозможно без знания закономерностей функционирования лесополос в их системе, которые можно было бы довести до расчетных формул и графиков. В этой связи целесообразно рассмотреть проявление функциональных закономерностей работы системы лесных полос по отношению к некоторым метеорологическим элементам.

Исследования с помощью метода физического моделирования показали, что при обтекании систем лесных полос воздушный поток трансформируется таким образом, что в нижних слоях его скорости снижаются, а над насаждениями увеличиваются. Наибольшее снижение скоростей происходит непосредственно у лесных полос, где скорости потока могут падал до нуля. С удаленьем от пунктов наибольшего торможения потока скорости увеличиваются и достигают определенного максимума, зависящего от величины межполосного пространства местоположения полос в системе и расстояния от подстилающей поверхности. При размещении лесных полос в системе 15 Я (Я – высота насаждений) наибольшие скорости потока в слое до высоты полосы составляют 13-53%. В системах лесных полос с межполосными расстояниями 25-35 Я максимальные скорости потока соответственно равны 26-38 % и 41-79 %.

Шероховатость подстилающей поверхности вызывает изменение режима воздушного потока в системе При высокой шероховатости отмечается уменьшение эффективности продуваемых лесных полос в снижении скорости ветра и возрастание скоростей потока, проходящего через лесные полосы. Наиболее благоприятное поле скоростей воздушного потока формируется в системе ажурных лесных полос.

Условия роста сельскохозяйственных культур и интенсивность переноса мелкозема особенно зависят от режима ветра в нижней часть приземного слоя воздуха. Непосредственно за ажурными лесными полосами скорости составляют 20-66 %. По мере удаления от них скорости потока сначала снижаются до определенного минимального значения, затем возрастают, достигая максимума, после чего снова снижаются Степень трансформации скоростей потока зависит от схемы размещения и местоположения полос в системе на высоте 0,2 Я в системе лесных полос (результаты модельных опытов

Экспериментальные данные о скорости потока в системах лесных полос продуваемой конструкции покатывают, что специфика их сохраняется и в случае системного размещения. Наличие в нижней части полос крупных просветов приводи г к формирование непосредственно в полосах и за ними повышенных скоростей потока По мере удаления от полос скорости возрастают и достигают определенного максимума. Это закономерное изменение ветрового режима зависит от расстояний между полосами, их местоположениями и степени шероховатости подстилающей поверхности.

Математическое моделирован ветрового режима в системе лесных полос позволило найти. зависимость между межполосным расстоянием L и рядом переменных (максимальная относительная скорость ветра в системе, высота полос, Я; параметр шероховатости, Z0) в которой показатели степени при данных переменных величинах и коэффициенты определены экспериментально. Получены, таким образом, математические модели ветрового режима в системах непродуваемых, ажурных и продуваемых лесных полос

Противодефляционная эффективность систем лесных полос определяется целым комплексом факторов, которые можно объединить е три основные группы: климатические предпосылки ветровой эрозии, аэродинамические характеристики почвенного покрова параметры систем лесных полог Общие закономерности почвозащитной эффективности систем лесных полос с различными параметрами заключаются в следующем. При скорости потока близкой к критической независимо от конструкций лесных полос при небольших межполосных расстояниях (16 Я) эрозионные процессы на полях выражены слабо, но в открытых полях выдувание песка достигает значительных размеров.

При увеличении межполосного пространства до 24 и 36 Я на полях появляются зона выдувания Наблюдается выдувание песка и в продуваемых лесных полосах. В открытых полях размеры дефляции превышают выдувание песка в системе лесных полос в несколько раз. В системе лесных полос количество вынесенного песка пропорционально скорости воздушного потока, которая зависит от расстояния между лесными полосами. Для ажурных лесных полос корреляционные отношенья, отражающие тесноту связи между количеством выдутого леска и скоростью потока, имеющие высокое значение: 0,64-0-87. С увеличением скорости ветра усиливается выдувание леска в открытом поле и возраста л дефляция на тех полях в системе лесных полос, где расстояние между основными полосами 35 Я и белее.

Система из ажурных лесных полос характеризуется в делом наиболее эффективными почвозащитными свойствами. Система продуваемых лесных полос обладает противодефляцонными свойствами, отличающими ее от системы моделей непродуваемых и ажурных лесных полос. С ростом скорости ветра за каждой продувай*. ой лесной полосой наблюдается выдувание – перемещение песка, хотя размеры дефляции намного меньше, чем в открытом поле. Выдуты» песок отлагаемся на межполосном поле.

Для полного устранения выдувания песка в системе продуваемых лесных полос необходимы меньшие расстояния между основными полосами, чем в системе ажурных. Вместе с тем повышение шероховатости поверхности поля и устойчивости почвы к выдуванию существенно снижает размеры ветровой эрозии лаже при высоких скоростях ветра. В этом случае расстояние между основными лесными полосами могут быть большими, чем при размещении лесных полос на почвах, легко выдуваемых и лишенных пожнивных остатков. В условиях устойчивых к выдуванию почв, а также хорошей защищаемости поверхности почвы растительностью (например, многолетними травами высокой эффективностью обладает система не только ажурных, но и продуваемых лесных полос.

Во ВНИАЛМИ разработана методика расчета максимально допустимых расстояний между основными лесными полосами, которая позволяет учесть абсолютные скорости ветра во время пыльных бурь, размеры ветровой эрозии и ее допустимый предел, шероховатость поверхности поля, конструкцию лесных полос.

Система лесных полос прежде всего уменьшает энергетику ветра в приземном слое. Величина кинетической энергии ветра в межполосном поле во многом зависит от расстояния между лесными полосами. В натурных опытах в Алтайском крае и на Северном Кавказе изучались разные расстояния между основными лесными полосами. При фактическом расстоянии между лесными полосами в 37 Я в среднем за 1976-1978 гг. скорость ветра на высоте 1 м от слоя вытеснения была в 2 раза меньше, чем в открытом поле. Поэтому транспортирующая способность ветра также снизилась с уменьшением расстояния между лесными полосами. Кинетическая энергия приземного потока воздуха с поперечным сечением 1 м² с уменьшением расстояния между лесными полосами с 600 до 250 м снизилась с 1614 до 98 Дж при скорости ветра 6 м/с.

В результате уменьшения кинетической энергии ветра снижается перенос снега на межполосном поле. На полях, где лесные полосы заложены на расстоянии 300 м одна от другой, запасы воды в снеге в среднем за 2 года были 26 мм, на полях с лесными полосами через 500 м – 21 мм и через 600 м – 16 мм. Снижение скорости ветра зимой привело к уменьшению теплообмена между холодным потоком воздуха и поверхностью почвы или растениями озимой пшеницы. Если при штиле температура воздуха была -7°С, то при скорости ветра 15 м/с охлаждение поверхности почвы и растений в открытом поле достигло -8,4°С; а в системе лесных полос -7,4° С. Вследствие уменьшения теплоотдачи с поверхности почвы в системе лесных полос складываются более благоприятные условия для перезимовки пшеницы. Зимой 1975-1976 гг. абсолютный минимум температуры почвы на глубине узла кущения пшеницы составил в пределах межполосного поля шириной 36 Я -5,7...11,2° С, шириной 64 Я -7,0...11,9, шириной 92 Я -6,2…-11,4° С. В среднем соответственно -7,8, -9,4 и -9,6° С.

Взаимодействие системы лесных полос с воздушным потоком вызывает изменение вертикальных профилей скоростей ветра на межполосных полях. Вместе с тем изменение структуры воздушного потока, особенно в зоне интенсивного влияния на него лесной полосы, уменьшение крупных вихрей и турбулентного режима вызывает существенное снижение турбулентного теплообмена. При расстоянии между лесными полосами в 35 Я коэффициент турбулентного обмена составляет 7,3 г/см-с, а при расстоянии 85 Я – 10,1 г/см -с.

При суховеях система лесных полос существенно регулирует два параметра микроклимата – температуру и влажность приземного слоя воздуха. Благодаря уменьшению турбулентного обмена наблюдается снижение обмена верхних сухих и теплых слоев воздуха с нижними, более влажными и прохладными. В среднем на межполосном поле шириной 35 Я температура составила 24,8° С, шириной 50 Я – 25,2, шириной 85 Я – 26,5°С.

Снижение температуры приземного слоя воздуха летом предохраняет растения от перегрева прямой солнечной радиацией. По сравнению с открытым полем, где температура воздуха была 19,5°С, а температура листьев пшеницы 19,2° С, в системе лесных полос, размещенных через 85 Я, температура листьев пшеницы была на 0,2° С, размещенных через 50 Я на 0,6, а через 36 Я на 1,2° С ниже.

Во время умеренно влажной погоды относительная влажность воздуха на высоте 1 м на посевах кукурузы (фаза выметывания метелки) была в среднем на поле шириной 85 Я 53,6%, шириной 50 Я 55,5, шириной 35 Я 57%.

Во время суховейной погоды относительная влажность воздуха на межполосном поле шириной 75 Я была 23,6%, шириной 60 Я – 25,1, шириной 45 Я – 27,4%. По сравнению с открытым полем воздух был влажнее в системе лесных полос в умеренно влажную погоду на 1,5-4,9 %, а в суховейную на 2,5-6,3 %.

Сохранение снежного покрова от выдувания, уменьшение потерь влаги на непродуктивное испарение летом, как следствие снижения турбулентного обмена, приводят к улучшению водного баланса полей в системе лесных полос. Оптимальные параметры микроклимата складываются в системе с размещением полезащитных лесных полос не более чем через 30-35 Н; наиболее полно проявляются признаки системности у линейных защитных лесных насаждений и наблюдается наибольшая продуктивность- пашни.

Проектирование систем полезащитных лесных полос проводится в комплексе с проектированием других видов защитных насаждений, а также с организационно- хозяйственными, агротехническими, гидротехническими и другими мероприятиями при внутрихозяйственном землеустройстве колхозов и совхозов. Выбор оптимальных параметров систем лесных полос должен быть экономически обоснован.