Лесной барьер: как лес защищает реки и озера

О невероятно красивой природе Сахалина можно говорить часами. Но лучше всего увидеть ее собственными глазами. Команде портала "Научная Россия" повезло оказаться на острове в октябре, когда природа наполнена яркими осенними красками. Кстати, леса Сахалина занимают 2/3 его территории. Сахалинская тайга — самая богатая в России. Здесь произрастает множество видов деревьев, кустарников и представителей сахалинского высокотравья. О значимости и роли леса говорили еще в древние времена. Современные исследования показывают, что лес защищает местные водоемы от загрязнения, что сказывается и на качестве воды в реках, и на качестве грунта. Подробнее о защитной функции леса и сохранении богатства сахалинской флоры в нашей беседе с научным сотрудником Института морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения РАН Александром Кордюковым. 

— Как вы стали изучать леса? Почему выбрали именно это направление?

— Интерес к растениям появился в университете. Там у нас сложился дружный коллектив из нескольких студентов. Мы задумали издать книгу — «Атлас сосудистых растений окрестностей Южно-Сахалинска». Фактически, это книга с фотографиями растений, наиболее часто встречающихся в окрестностях города, и описанием: морфология, где обитает, в каких сообществах его можно встретить, каковы особенности растения, фенология и так далее. В рамках этой работы появился живой интерес к растениям и к лесу как к растительному сообществу, где детерминантом выступают деревья. Будучи студентом, я начал ездить в экспедиции. Так и появилась любовь к лесу, а именно темнохвойному, сложенному елями и пихтами лесу. темному, густому, с высокой сомкнутостью крон.

Вместе с научным руководителем Валерием Николаевичем Ефановым, доктором биологических наук, мы пришли к вопросу о влиянии леса на реки. Следует отметить, что Валерий Николаевич в первую очередь ихтиолог. Он кандидат биологических наук по специальности ихтиология и доктор биологических наук по специальности экология. Ему ближе реки и ихтиофауна. А мой интерес был сосредоточен на лесных сообществах. Мы объединились и стали заниматься изучением влияния леса на реки, а именно на состав речных грунтов.

На Сахалине реки гравийно-галечные. Раньше в них в большом количестве обитал тихоокеанский лосось, в первую очередь горбуша. Сахалинский вылов горбуши составлял около 75 % от общероссийского. Дело в том, что горбуша нерестится в чистых пресных реках. За миллионы лет эволюции она адаптировалась к чистым речным грунтам. Грунт реки, вокруг которой растет лес, содержит мало мелких частиц (меньше одного миллиметра). Такие частицы активно попадают в реку в результате нарушения лесного покрова. В результате хозяйственной деятельности количество леса на водосборах сокращается, его качество ухудшается, что увеличивает интенсивность эрозионных процессов.

C поверхности почвы и при разрушении берегов в русло попадают мелкие илистые фракции. Все частички меньше одного миллиметра, как было установлено ихтиологами и гидрологами, не просто перемещаются и стекают из речки в океан, а фильтруются в речном грунте. Гравийно-галечный речной грунт, состоящий из относительно крупных камушков, выступает в качестве сита для этих частиц, и они осаждаются в грунте. Также установлено, что мелкие частицы негативно влияют на водообмен внутри грунта. Если грунт чистый, циркуляция воды происходит естественным образом. Когда грунт заилен, циркуляция воды в грунте существенно ухудшается.

Тихоокеанские лососи нерестятся в реках и откладывают икру в нерестовых буграх. А нерестовые бугры, если они сложены чистым грунтом, имеют хороший водообмен. Икре в таких буграх комфортно, она получает необходимое количество кислорода, продукты жизнедеятельности икринок быстро выносятся, поэтому выживаемость икры остается высокой. Когда грунт заилен, водообмен ухудшается, и икре не хватает кислорода, а продукты жизнедеятельности выносятся хуже. Выживаемость существенно падает.

В рамках научной работы мы не изучали влияние грунта на лосось, поскольку этот вопрос достаточно интересный, но уже проработанный. Наше внимание было сосредоточено на влиянии состава, количества и качества леса в водосборах на характеристики грунта.

— Каковы результаты этого исследования?

— Каждое лесное сообщество — многоярусное. В его составе деревья первого и второго ярусов, кустарниковая растительность, мохово-лишайниковый ярус и травяно-кустарничковый ярус. Ярусы образовываются и изменяются на протяжении нескольких сотен лет. Если говорить о естественных лесах, то там формируется качественная лесная подстилка.

Антропогенное влияние и ухудшение характеристик леса нарушает гидрологический режим и негативно влияет на гидрологические характеристики. Мутность воды и заиленность грунтов увеличивается при ухудшении качественных и количественных характеристик лесов — уменьшении облесенности в целом, а также уменьшении участия хвойных пород, нарушении структуры, деградации подстилки, нарушении почв и так далее. Вследствие этих процессов изменяются особенности трансформации осадков, усиливается склоновая и русловая эрозия.

— Вы упомянули антропогенный фактор. Речь идет о вырубке?

— В первую очередь. Раньше Сахалин считался достаточно лесным регионом. В книгах японских авторов начала ХХ века, а до сентября 1945-го года южная часть Сахалина была оккупирована японцами, можно встретить информацию о том, что Южный Сахалин покрыт густыми, девственными хвойными лесами. Сейчас от хвойных густых девственных лесов осталось буквально несколько процентов в наиболее труднодоступных местах.

Как мы знаем, лесные ресурсы не всегда используются оптимальным и рациональным методом. За вырубками часто следовали пожары. На вырубленных участках оставались порубочные остатки, которые обильно освещались солнцем. Обстоятельства складывались так (в том числе по вине человека), что остатки леса загорались, приводя к пожарам на остальных, не вырубленных, участках. При этом, на восстановление, например, темнохвойного леса требуется до трехсот лет.

— Как развивалось направление, посвященное лесам, в Институте морской геологии и геофизики РАН?

— Название Институт морской геологии и геофизики не должно вводить в заблуждение. Изначально в этом здании был японский научно-исследовательский институт, который занимался проблемами сельского и лесного хозяйства. И первое десятилетие институт, называвшийся тогда Сахалинским комплексным НИИ, имел в основном биологическую направленность. Затем по мере развития народного хозяйства и оценки углеводородного потенциала стали наиболее востребованы направления наук о Земле, и превалирующими науками в институте постепенно стали как раз геология и геофизика. Только в 1984 году институт получил известное сегодня название — Институт морской геологии и геофизики. Однако традиционно биологическое направление на протяжении всей жизни института сохранялось, и сейчас остается одной из пяти тем научно-исследовательских работ. Сегодня биологическое направление связано с экологией, влиянием антропогенных факторов, влиянием факторов окружающей среды.

Это мощное наследие. В Институте сформирована прекрасная школа биологов, которые и сегодня продолжают значимые исследования. Конечно, в настоящее время биологическая направленность отнюдь не превалирующая. Тем не менее, замечательные специалисты занимаются изучением леса, экологией растений, структурной ботаникой, исследуют лишайники, мхи, флору сосудистых растений.

— В Институте создан уникальный питомник растений. Расскажите подробнее об этом проекте.

— Насколько питомник уникальный, мне сложно оценить. Между тем, экспериментальные поля для сельскохозяйственных исследований стали деградировать, после того, как это направление утратило силу в институте.

В то же время по острову активно распространялся борщевик Сосновского, который сейчас активно расселяется по югу Сахалина. В 2014 году возникла идея создать на территории института питомник декоративных деревьев и кустарников. Администрация нас поддержала, хотя проект был достаточно сложным. Вообще сельское хозяйство и растениеводство — это труд, который не даёт быстрого «выхлопа». Растению, прежде чем вырасти из сеянца до чего-либо более-менее презентабельного, требуются годы: от 4 до 7 и более лет. При этом саженцы нуждаются в постоянном уходе.

Питомник начал деятельность на территории института в 2016 году. При этом мы занимаемся как выращиванием деревьев, кустарников из семян, так и черенкованием и доращиванием. У коллег из питомников, расположенных в центральной части России, покупаем посадочный материал с открытой корневой системой, привозим его в Южно-Сахалинск, рассаживаем в контейнеры для дальнейшего доращивания. Мы ухаживаем за растениями, обрезаем, поливаем, полем, удобряем, пока не вырастет хороший саженец, который можно будет использовать в озеленении города, частных территорий, дворов, парков и так далее.

— Какова основная функция леса? Почему следует его оберегать и использовать лесные ресурсы рационально?

— О пользе леса знали еще в древние времена. В своде законов Хаммурапи, например, уделялось внимание охране рек — указывалось, что в бассейнах рек необходимо сохранять лесные массивы в водоохранных целях. В противном случае, при вырубке леса будут деградировать реки.

Постепенно это проникало в умы всех, кто занимался лесом и реками, поскольку эта связь была очевидной: когда вырубаешь лес, изменяются гидрологический режим реки, качественный состав воды и другие значимые показатели.

По выражению замечательного русского ботаника, лесоведа, почвоведа Георгия Николаевича Высоцкого, леса определяют деревья-лесообразователи, влияние человека на лес, влияние окружающей среды на лес и влияние леса на окружающую среду. Последнее выражается в нескольких аспектах: это и гидрологическая водоохранная роль леса, и санитарно-гигиеническая роль леса, и защитная роль леса, которая включает в себя почвозащиту, берегозащиту, ряд других аспектов.

Кстати, в 1948 году был принят так называемый Великий план преобразования природы. Этот план, в частности, предполагал создание защитных лесополос вдоль рек, дорог и сельхозугодий на засушливых территориях Советского Союза.

План, к сожалению, полностью не был реализован, однако его экономические последствия были колоссальными. По наблюдениям исследователей, один гектар высаженного леса позволял улучшать гидрологический режим, состояние почв, ветровой режим на двадцати гектарах прилегающих территорий. Защитные лесные полосы очень полезны при ведении сельского хозяйства, хотя сейчас этот факт игнорируют, потому как выращивание лесных защитных полос требует времени. Это долгосрочная инвестиция, которая отобьется только через 10-20 лет. Быстрого «выхлопа» не дает, при этом требует постоянного ухода.

Водоохранная роль леса тоже очень велика, особенно в бассейнах малых и горных рек. Если река малая, с общей длиной русла до пятидесяти километров, то водоохранная зона должна составлять не менее пятидесяти метров. Для более крупных рек — не менее ста метров и больше. Это участки, которые в большей степени ответственны за качественный состав стока, его регуляцию и режим. Но в целом динамика зависит от состояния лесов на всём бассейне.

—- Какие методы используют современные специалисты, изучая лесные экосистемы?

— Из современных методов широко применяется дистанционное зондирование, которое было известно и раньше, но сейчас стало доступнее. Высококачественные спутниковые снимки, детальные, подробные, позволяют анализировать состояние лесного покрова в целом, породный состав. Отражаемый свет, который видим мы, который считывают спутники, можно анализировать, в том числе с использованием методов машинного обучения. Нейросети, например, позволяют составлять достаточно подробные карты лесного покрова.

Однако нельзя забывать, что для обучения нейросетей нужны исходные материалы, то есть геоботанические описания в каждом конкретном месте. Чем больше точек будет описано стандартными, классическими ботаническими методами, тем больше будет материалов для анализа данных.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования и Российской академии наук.