Природа взаимодействия леса с внешней средой сложна и, несмотря на длительное изучение ее, наука еще не раскрыла многого в области экологии леса, которая должна быть одной из важнейших научных основ рассматриваемой проблемы.
Лес, как самое большое биологическое сообщество на земле, содействует очищению воздуха от пыли и обогащает его кислородом, являясь важным регулятором газового соотношения в природе.
Считается, что продолжительность полного цикла круговорота кислорода в биосфере равняется 2000 годам. Кислород акцептируется непосредственно всеми компонентами биогеоценоза, обеспечивая дыхание животных и растений в атмосфере, почве, воде, превращение органических веществ, течение многих химических реакций в горных породах, почве, гидросфере. Но только с зелеными растениями атмосферный кислород находится в двустороннем взаимодействии — поглощается при дыхании и выделяется при фотосинтезе. Во всех других случаях он лишь потребляется в разнообразных реакциях окисления.
Основная масса вещества растений (94—99,5% по массе) состоит из углерода, водорода и кислорода. Именно усвоение них элементов определяет количество освобождаемого кислорода и поглощаемой углекислоты и воды. Азота и зольных элементов в растениях мало, и они не влияют на выделение кислорода.
Лес в значительной степени содействует очищению воздуха от пыли и копоти и препятствует дальнейшему их распространению. У стены леса, расположенной вблизи от промышленных предприятий, в воздухе содержится 0,23—0,32 мг/м3 сернистого газа. На расстоянии 15—20 км его количество снижается до 0.07 мг/м3, а в пасмурную погоду до 0,17 мг/м3. Как днем, так и ночью при малой скорости ветра лишь незначительное количество пыли проникает внутрь лесного массива. Основная масса попадает в него со стороны опушки. Эта пыль быстро оседает вследствие безветрия в лесу.
Пылезащитные свойства разных древесных пород неодинаковы. Гладкие, глянцевитые листья осины и тополя бальзамического задерживают в 6,3, а дуба в 2,3 раза меньше пыли, чем шероховатые листья вяза. На верхушке вяза высотой 13 м ее остается в 8 раз меньше, чем на высоте 1,5 м. Это объясняется сдуванием пыли ветром и смыванием ее дождем с вершин деревьев. В точение года 1 га леса отфильтровывает до 50—70 т пыли: сквозь кроны еловых древостоев ежегодно фильтруется из воздуха 32 т/га пыли, сосновых —36, дубовых — до 56 и буковых до 68 т/га. Лесные насаждения сохраняют пылезащитную способность и в безлистном состоянии. Поэтому лес и зеленые насаждения в городах особенно необходимы и незаменимы с социально-гигиенической точки зрения. Они являются «зелеными легкими» в районах промышленных предприятий. При подборе древесных пород, устойчивых к действию дымогазовых эмиссий, частично решается проблема поглощения вредных газов — окиси углерода, сернистого газа и сернистого ангидрида, представляющих опасность для здоровья человека.
Санитарно-гигиеническое значение лесных фитоценозов проявляется в их антимикробном, стерилизующем влиянии на среду. На первый план в данном случае выступает способность леса обогащать атмосферу ионизированным кислородом и фитонцидными веществами.
Установлено, что 5— 7 часовое пребывание человека в лесу приводит к повышению тонуса, улучшению функций высшей нервной деятельности, увеличению на 10 — 30% минутного объема дыхания.
Фитонциды, продуцируемые лесными фитоценозами, изменяют биохимические условия окружающей среды и являются лучшими из регуляторов микрофлоры воздуха.
Таким образом, лес является мощным фильтром воздуха, обладает антимикробными, стерилизующими свойствами, ионизирующим воздействием на воздух и общим оздоровляющим действием на окружающую человека обстановку.
Выяснена шумопоглощающая способность насаждений в зависимости от породы, полноты насаждения и количества подроста. Так, на расстоянии 80—100 м от источника шума (автомобильная дорога) в лесу с полнотой 0,8 при наличии подроста и подлеска наблюдается снижение звукового давления до 30 дБ.
Освещенность в лесу — немаловажный показатель для оценки фитоценоза. Для определения освещенности фитоценоза применяют индекс затенения, который учитывает густоту и величину деревьев одновременно в пихтово-еловых и широколиственно-хвойных лесах.
Результаты исследований показали, что индекс затенения полностью согласуется с показателями освещенности. Аналогичные данные, по на склонах различной экспозиции, получены в широколиственно-хвойных лесах. Отмечено, что применение индекса затенения оправдывается в горных лесах только в сходных топографических условиях.
В течение всего года в темнохвойном лесу влажность воздуха выше, чем на полянах и вырубках. Наибольшие различия наблюдаются в теплые месяцы. В среднем за вегетационный период относительная влажность воздуха в спелых и приспевающих насаждениях выше, чем на открытых участках, на 9%. Трансформирующее влияние леса на осадки проявляется особенно ярко. От общего количества осадков открытого места в спелых ельниках задерживается 27—31%, в пихтовых и кедровых насаждениях —26—32%. По градациям дождей диапазон перехвата осадков расширяется до 8—82%.
В настоящее время водоохранная и водорегулирующая роль леса, известная человеку и используемая им с очень давних времен, научно подтверждена и получила количественную оценку. Данные исследований, накопленные различными областями науки, убедительно свидетельствуют, что с истреблением леса обводненность ландшафтов заметно уменьшается, водный режим рек значительно нарушается и в конечном итоге благодатные лесные и лесостепные местности превращаются в почти безжизненные пустыни с аренами развеваемых песков и обнаженных горных пород.
Все леса, расположенные в пределах водосборных бассейнов, а не только запретные полосы вдоль рек, выполняют водоохранные и водорегулирующие функции. Водоохранная и водорегулирующая роль леса количественно характеризуется повышением относительной влажности воздуха на 5—6%, увеличением запасов воды на полях за счет снежного покрова в 1,5—2 раза и более, снижением испарения влаги на 10—30%, повышением влагоемкости почв в 18 раз, снижением коэффициента поверхностного стока в 10—20 раз.
Во многих районах леса могут приобрести гораздо большее значение при регулировании водостока или использовании их в качестве зон отдыха, чем в производстве древесины. Прирусловые леса, оказывая влияние на состояние рек и водоемов, способствуют развитию судоходства, повышают энергетический потенциал рек и воздействие их на сельское и рыбное хозяйства.
Большой интерес представляет не только способность леса регулировать сток поверхностных вод, но и способность в результате фильтрации изменять их химический состав. Прозрачность воды, как известно, один из важнейших признаков ее доброкачественности. Она зависит от большего или меньшего содержания в воде взвешенных частиц и химических примесей.
Наряду с улучшением органолептических свойств и химического состава воды водоемов установлено также повышение ее бактериологической чистоты под влиянием защитных лесных насаждений.
При наличии древесной растительности по берегам водоемов их воды обычно чисты и бедны водорослями. Питательных веществ, имеющихся в воде, хватает лишь на ограниченное количество водных растений, которые к тому же интенсивно поедаются находящимися в воде живыми организмами. Таким образом, водоем находится в состоянии биологического равновесия,
Необходимо также подчеркнуть большую роль лесных защитных насаждений в предотвращении испарения воды и повышения ее температуры в водоемах. Повышение температуры поды оказывает воздействие на физические, химические и биологические процессы, которые определяют пригодность воды для ее обитателей, потребления и других хозяйственных целей.
К настоящему времени установлено положительное влияние леса на выпадение осадков и увлажнение атмосферы, регулирование грунтовых вод и накопление снега, а также на изменение водного баланса бассейнов под влиянием лесных насаждений.
Таким образом, водоохранно-водорегулирующая роль леса проявляется, прежде всего, в более полном и рациональном расходовании влаги как на внутрилесных, так и на защищенных лесом территориях, в эффективной защите и очистке воды от различного рода загрязнений.
Средозащитные функции леса не могут быть заменены никакими другими видами использования земли. Лес — это совершенная система защиты почвы и вод, очищения атмосферы от пыли и вредных газов. Но и его емкость имеет пределы. Неся огромную средозащитную службу, лес сам в значительной мере страдает от запыленности и загазованности атмосферы. Загрязнение атмосферы вредными выбросами уменьшает интенсивность процессов фотосинтеза. На территориях, подверженных задымлению, полностью отсутствует пихта, быстро усыхают хвойные насаждения, что наносит значительный ущерб окружающей среде и хозяйству.
Лесная растительность с момента образования сомкнутого древостоя активно воздействует на почву, изменяя ее свойства. Происходящие изменения в почве связаны с видовым составом лесообразующих пород лесного биоценоза. Направление, интенсивность и устойчивость этих изменений под влиянием насаждений зависят также от многих условий: типа почвы, физико-географической среды, климатических особенностей.
Интерес к вопросу о взаимосвязях между древесной растительностью и почвами обусловлен его практическим значением. Изучение этих взаимосвязей служит обоснованием одной из средообразующих функций леса.