Содержание к диссертации
Введение
1. Экологические условия почвообразования 6
1.1 Климат 7
1.2 Геология и рельеф 9
1.3 Гидрология 10
1.4 Почвообразующие породы 11
1.5 Растительность 13
2 Состояние вопроса 17
2.1 Лес и почва 17
2.2 Защитные лесные насаждения в экологической стабилизации лесоаграрных ландшафтов 32
3 Программа и методика исследований 37
4 Почвы и их лесорастительные свойства 39
4.1 Генезис и структура 39
4.2 Свойства лесопокрытых почв 43
4.3 Морфологическая характеристика 43
4.4 Водно-физические свойства 55
4.5 Физико-химические свойства 57
5 Почвы и лесоводственно-таксавдонные показатели защитных лесных насаждений 67
5.1 Почвенные условия и состав насаждений 67
5.2 Почвы и продуктивность насаждений 68
5.3 Устойчивость насаждений 81
6 Формирование почвенного плодородия и урожая сельскохозяйственных культур в лесоаграрных ландшафтах 85
6.1 Влияние защитных лесных массивов на снегонакопление 85
6.2 Влияние лесных массивов на агрохимические свойства почв 98
6.3 Закономерности формирования урожая под влиянием защитных лесных насаждений 103
7 Повышение бонитетного уровня почв и устойчивости защитных насаждений 106
7.1 Лесная подстилка в повышении плодородия почв 107
7.2 Лесопроизводственная группировка почв 115
7.3 Оптимизация состава защитных лесных насаждений 122
Заключение 128
Литература 131
- Почвообразующие породы
- Защитные лесные насаждения в экологической стабилизации лесоаграрных ландшафтов
- Морфологическая характеристика
- Почвы и продуктивность насаждений
Введение к работе
Актуальность темы. Вопросы почвенной экологии защитных лесных насаждений являются одним из важных в сельскохозяйственном производстве. С развитием общества встает вопрос об интенсивном и эффективном использовании сельскохозяйственных площадей. Получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур при одновременном сохранении почвенного плодородия возможно лишь при использовании защитного эффекта лесных насаждений. Современная стратегия использования комплексного влияния защитных насаждений на устойчивость сельскохозяйственного производства достигается оптимальной лесистостью, сохраняющей естественное экологическое равновесие данной местности или поддерживающей относительно неизменное состояние средообразующих компонентов. Для разработки мероприятий сбалансированного природопользования необходимо установить причины и степень деградации лесоаграрных ландшафтов, определить объективные показатели их восстановления и сохранения. В настоящее время не разработаны вопросы оптимизации лесоаграрных ландшафтов, позволяющих наиболее экономически и экологически оправданного ведения хозяйства, во многих случаях происходит нерациональная трансформация земель. Создается реальная угроза разбалансирования лесоаграрных ландшафтов в связи с деградацией почв и переходом защитных насаждений в стадию старения с одной стороны и с появлением различных форм собственности на землю - с другой. В этих условиях особую теоретическую и практическую значимость приобретают закономерности взаимодействия почв и защитных лесных массивов на лесоаграрных ландшафтах.
Целью работы является выявление закономерностей взаимодействия почв и защитных лесных насаждений и разработка концепций пользования защитными лесными массивами на лесоаграрных ландшафтах, установление оптимальных лесоводственно-таксационных показателей защитных лесных насаждений в зависимости от почвенных условий.
Научная новизна. Установлены лесорастительные свойства почв Предуралья. Предложена концепция пользования защитными лесными массивами на землях агропромышленного комплекса. Установлены оптимальные лесоводственно-таксационные параметры защитных лесных насаждений, интегрирование выполняющих экологические функции.
На защиту выносится:
- лесорастительные свойства почв Предуралья и продуктивность
защитных лесных насаждений;
- влияние лесных насаждений на продуктивность почв и урожайность
сельскохозяйственных культур.
Практическая ценность результатов исследований. Материалы исследований могут быть использованы при разработке системы защитного лесоразведения и ведения сельского хозяйства Предуралья. Рекомендации по формированию почвенного плодородия и урожая сельскохозяйственных культур с использованием защитных насаждений в лесоаграрных ландшафтах используется Министерством сельского хозяйства Республики Башкортостан. Результаты исследований внедрены в Учебно-опытном лесхозе Башгосагроуниверситета, используются в учебном процессе по специальностям «Агрономия» и «Лесное хозяйство».
Личный вклад автора заключается в разработке программы исследований, постановке экспериментов в полевых условиях. Автору принадлежит анализ и обобщение собранного материала, математическая обработка и интерпретация фактических данных, формулировка выводов и предложений. Аналитическая часть исследований проведена в Башкирском государственном аграрном университете при личном участии автора.
Обоснованность выводов и достоверность результатов исследований
обеспечивается применением современных методов исследований,
достаточным объемом экспериментального материала, воспроизводимостью
результатов опытно-производственных данных, использованием
математической статистики.
5 Апробация. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: международных -«Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (Воронеж, 2000), «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2000), «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003); региональных - «Аграрная наука - состояние и проблемы» (Ижевск, 2002), «Достижения аграрной науки - производству» (Уфа, 2004); на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников БГАУ (1998-2004).
Публикации. По теме работы опубликовано 12 научных работ, в том числе три монографии.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 130 стр. машинописного текста, включает 34 таблиц, 6 рисунков. Список литературы содержит 160 наименований, в том числе 4 на иностранном языке.
Почвообразующие породы
Почвообразующие породы служат как бы резервуаром, определяющим общий потенциал элементов питания, и, следовательно, потенциальную продуктивность, как лесопокрытых почв, так и самого леса. Экологическая роль почвообразующих пород в развитии почвообразовательного процесса и их влияние на рост, и развитие леса освещена в работах В. В. Докучаева (1951), Г. Ф. Морозова (1949), Н. П. Ремезова, П. С. Погребняка (1965), В. П. Фирсовой (1969), В. Д. Зеликова (1971).
Важными свойствами почвообразующих пород, влияющих на почвообразовательный процесс, являются их мощность, механический состав, которые определяют водные и физические свойства; соотношение первичных и вторичных минералов, карбонатность породы, создающая благоприятные условия для интенсивного гумусонакопления (Кауричев И.С, Александрова Л.Н., Попов Н.П. и др.,1982; Роде А.А., Смирнов В.Н., 1972).
Характерными для Предуралья почвообразующими породами являются отложения Уфимского и Казанского ярусов пермской системы, и они представлены делювиальными, элювио-делювиальными и аллювиальными глинами, суглинками, мергелями и песчаниками. Встречаются также делювиальные карбонатные глины, легкие суглинки, делювиальные бескарбонатные глины, аллювиальные карбонатные глины, элювий известняков и песчаников. Почвообразующие породы Предуралья характеризуются нейтральной и слабощелочной реакцией (рН 7,0-7,5), высокой степенью насыщенности основаниями (97,9-98,9%) при незначительной гидролитической кислотности (0,6-0,9 мг-экв на 100 г почвы), и преобладанием в составе поглощенных оснований Са ".
Делювиальные карбонатные суглинки и глины характеризуются желто-бурой окраской, средней плотностью, во влажном состоянии обычно бесструктурны, но при высыхании распадаются на комковато-мелкопризматические отдельности. По механическому составу встречаются от среднесуглинистого до глинистого. При этом преобладающими в механическом составе являются фракции крупной пыли (20-28%) и коллоидных частиц (27-35%). Реакция среды слабощелочная (рН 7,1-7,2), высокая степень насыщенности основаниями. На этих породах сформировались основные подтипы почв Предуралья: выщелоченные и типичные черноземы, темно-серые лесные, серые лесные и серые лесные коричневоцветные почвы.
Элювий известняков и песчаников - продукты выветривания известняков. В морфологическом отношении имеют палевый, светло-серый цвет, более рыхлое сложение. Здесь сочетается смесь обломков щебенки с мелкоземом. Аллювиальные карбонатные почвообразующие породы характеризуются бурой окраской, слабой уплотненностью, по механическому составу встречаются от супесчаной до глинистой. На данной породе сформировались аллювиально-дерновые, поименно-аллювиальные почвы. В целом физико-химические свойства почвообразующих пород Предуралья благоприятны для формирования почв, обладающих высокими лесорастительными свойствами.
По природным ландшафтам Предуралье входит в зону лесостепи, где участки широколиственных и широколиственно-сосновых лесов перемешиваются с открытыми пространствами былых, ныне распаханных степей. Лишь в наиболее засушливой части островки лесов из дуба, липы, клена сменяются разнотравно-ковыльной степной растительностью.
Ботанический состав травяного покрова весьма разнообразен и зависит от рельефа местности, способа хозяйственного использования (сенокошение, выпас скота). Антропогенное воздействие на почвообразовательный процесс начинается именно с изменения растительности. В составе растительных ассоциаций всех типов на территории Предуралья преобладают разнотравные и злаковые компоненты. Лесистость Предуралья составляет 22%, тогда как сельскохозяйственная освоенность - 59,8%. Хищническое истребление лесов привело к снижению лесистости за последнее столетие почти вдвое. На месте вырубленных хвойных древостоев возникли вторичные леса, главным образом из березы, осины, липы. Коренные, хвойные насаждения, в основном представлены сосной обыкновенной, которые по своему характеру и флористическому составу очень близки с горными светлохвойными лесами Урала. Очевидно, они отчленились от южноуральских сосняков в плиоцене в период затопления Камско-Бельского понижения (Система рекомендаций..., 1976). Общая площадь сосняков с каждым годом возрастает, так как в Предуралье она является главной культивируемой породой (таблица 1). Площади естественных сосняков сокращается из-за интенсивных рубок и неудовлетворительного возобновления. Твердолиственные леса по сравнению с хвойными значительно богаче по флористическому составу древесных и кустарниковых пород, а также травянистому покрову. Однако, несмотря на то, что они занимают сравнительно плодородные почвы, образуют низкопродуктивные насаждения. Так, запасы спелых и перестойных насаждений дуба низкоствольного всего 149 м3/га.
Защитные лесные насаждения в экологической стабилизации лесоаграрных ландшафтов
Экологическая оптимизация лесоаграрных ландшафтов Предуралья направлена в первую очередь, на борьбу с эрозией, которая является на сегодняшний день одной из важнейших проблем в сельском хозяйстве. Эрозия, вызывая смыв и сдувание почвы с поверхности полей, становится источником ряда неблагоприятных последствий, таких как, снижение площади территорий пригодных для выращивания сельскохозяйственных растений, падение их урожайности, уменьшение плодородия почв (Дмитриенко, 1981; Данилов, Каргин, Лобанов, 1983; Косоуров, 1984; Хайретдинов, 1984; Павловский, 1985; Федоров, 1989).
Наиболее эффективным мероприятием для борьбы с эрозией наряду с противоэрозионной агротехникой является защитное лесоразведение. Лесные насаждения способствуют оптимизации лесоаграрных ландшафтов: снижению ветровой эрозии, накоплению снега на полях, сохраняют плодородный слой почвы от смыва и сдувания, создают благоприятные санитарно-гигиенические условия для существования людей (Лысак, 1970; Левашов, 1974; Гальперин, 1975; Виноградов 1981; Колисниченко,1981; Гарифуллин, 1983, Файзуллин, Макашев, 2001; Федоров, 2002; Федоров, Ишбулатов, 2004).
Многообразие почв, формирующихся под влиянием защитной лесной растительности, различия в характере влияния защитных лесов на почвы в зависимости от физико-географических условий, определяющая роль почв в продуктивности лесоаграрных ландшафтов и многие другие аспекты зависимости сельскохозяйственной и лесной растительности от почвенных условий показывают, что ведение сельского хозяйства на полях защищенных лесными массивами и полосами должно строиться на базе углубленного исследования свойств почв для каждого региона.
Защитные лесные насаждения В.Р. Вильяме считал неотъемлемой системой земледелия. Являясь основным звеном системы земледелия, защитные лесные насаждения Башкирского Предуралья стали важным фактором социально- экономического развития. Однако их роль в этом плане определена не четко и дальнейшая судьба вовсе не ясна. Известно, что в природе существуют цепные процессы или, иначе, цепные реакции, означающие непроизвольное распространение возникших в каком-либо звене природного сообщества импульсов на остальные факторы среды. В таких процессах начальный толчок в одних случаях дает прогрессивно нарастающий эффект, а в других постепенно угасает, в третьих не имеет видимого закономерного распределения.
Найти такие начальные импульсы, которые, будучи возбуждаемы с наименьшими затратами, дадут в ходе цепной реакции наибольшей экологически и экономически полезный эффект во всем природном и урбанизированном комплексе - одна из глобальных задач современности. Защитные лесные насаждения являются тем звеном природной среды, которая служит входным каналом в биосферу, иначе говоря, искусственно создаваемые защитные насаждения используются как преемники того первого толчка, с которого начинается желаемый цепной процесс, последующими звеньями какового являются изменение почвенного, растительного покрова территории, ее водного, воздушного режимов и животного мира - первооснов человеческого бытия (Хайретдинов, 2003).
При этом влияние искусственных лесных насаждений на более или менее обширные земельные территории всегда имеет положительное значение и может быть принято как аксиома. Вопрос стоит в другом: насколько нарастает или угасает тот положительный эффект, вызываемый искусственным лесоразведением на сельскохозяйственных угодьях, т.е. насколько он продолжителен. Вполне очевидно, что это связано, в первую очередь, с продолжительностью самих насаждений, их устойчивостью и самовозобновлением во втором поколении. Безусловно, что с точки зрения улучшения экологических условий, получения социально- экономического эффекта наиболее желательно, чтобы единожды созданные полезащитная лесная полоса или овраго - балочное насаждение, возрождаясь вновь и вновь, функционировали бы в течение неопределенно длительного времени, как и естественные леса.
Следовательно, в изучении процессов искусственного лесоразведения наряду с выявлением его средообразующей роли и значения в сохранении плодородия почв и повышении урожайности сельскохозяйственных культур актуальным является определение дальнейший судьбы самих защитных насаждений, характер естественного возобновления, т.е. изучение процессов продолжительности жизни популяции. В этой связи рассмотрим состояние созданных и функционирующих защитных насаждений и их влияние на повышение плодородия почв и урожайность сельскохозяйственных культур.
Общая стабилизация экологической обстановки сельскохозяйственного производства достигается оптимальной лесистостью, сохраняющей естественное экологическое равновесие данной местности и поддерживающей относительно неизменное состояние средообразующих компонентов. Стабилизирующая роль лесного фонда (в Республике Башкортостан леса занимают 6,2 млн.га) в системе экологически сбалансированного сельскохозяйственного производства сводится к регулированию водного и воздушного режимов и предотвращению водной и ветровой эрозии, улучшению микроклиматических условий, созданию комфортных условий для жизни населения, повышению эстетических и санитарно-гигиенических свойств агроландшафтов, поддерживанию баланса кормовых угодий (в лесфонде 24,2 тыс. га сенокосов, 52,4 тыс.га пастбищ) и повышению эффективности биологической защиты природных систем. Однако леса в Башкирском Предуралье размещены неравномерно.
Морфологическая характеристика
Почва от почвообразующей породы отличается не только плодородием, но и морфологическими признаками, по которым отличают одни почвы от других (Кауричев, Александрова, Попов и др., 1982). Главными морфологическими признаками почвы являются строение, мощность почвы и отдельных ее горизонтов, окраска, механический состав, структура, сложение.
В зависимости от почвообразующих пород, рельефа местности, окультуренности лесопокрытые почвы имеют различные морфологические признаки. Среди них механический состав почвы является наиболее устойчивым признаком, от которого в значительной степени зависит интенсивность многих почвообразовательных процессов и он оказывает существенное влияние на водно-физические, физико-химические, воздушные свойства, на накопление в почве гумуса, азота и зольных элементов.
В исследуемой территории по механическому составу выделены почвы глинистые - 2,9%, тяжелосуглинистые - 27,9%, среднесуглинистые - 64,5%. Около 5% от общей площади занимают почвы легкосуглинистые и супесчаные. Во всех почвах суглинистого механического состава содержание физической глины колеблется в пределах 20,3 - 50%, при высоком содержании илистой фракции 10 - 32,3%. Характерным для всех лесопокрытых почв является преобладание в механическом составе фракции мелкого песка и крупной пыли.
Механический состав черноземов очень разнообразен. Черноземы, сформированные на делювиальных отложениях, обычно глинистые, тяжело- и среднесуглинистые. Легкосуглинистые и супесчаные разновидности сформированы на элювиальных супесях. Для выщелоченных легкосуглинистых черноземов характерно высокое содержание мелкого песка (частиц размером 0,25-0,05), а для оподзоленных среднесуглинистых черноземов характерно передвижение частиц мелкой пыли в нижележащие горизонты.
По механическому составу серые лесные почвы на исследуемой территории представлены от супесчаного до глинистого. Данные анализа механического состава серых лесных почв показывают более резкое перераспределение физической глины и иловатых частиц ( 0,001 мм) по профилю. Как правило, верхние горизонты этих почв обеднены ими по сравнению с материнской породой. Однако в разных подтипах серых лесных почв перераспределение отдельных фракций механических элементов происходит неодинаково. В серых лесных почвах количество физической глины и иловатых частиц несколько уменьшается в переходном горизонте и заметно увеличивается в иллювиальном. Количество более крупных фракций, напротив, достигает минимума в иллювиальном горизонте.
Другие разновидности почв на исследуемой территории представлены в основном средне- и тяжелосуглинистым механическим составом. Наибольшим содержанием физической глины отличаются серые лесные коричневоцветные почвы. Черноземные почвы встречаются в комплексе с темно-серыми и серыми лесными почвами. В основном они сформировались на пологих склонах и понижениях и обычно опоясывают лесные массивы.
Эти почвы, обладающие огромным потенциальным плодородием, в основном распаханы и применяются для нужд сельского хозяйства. Имеется лишь малая доля черноземов, покрытых лесной растительностью. На этих почвах образуются сложные, смешанные лиственные леса из дуба, липы, осины, клена, ильмовых с богатым кустарниковым и травяным покровом. Общими характерными особенностями морфологии лесопокрытых черноземов являются темная окраска, зернистая и комковато- зернистая структура мощного гумусового горизонта, наличие карбонатов в нижней части почвенного профиля.
Черноземы выщелоченные относятся к числу наиболее плодородных почв Башкортостана и занимают, по данным Д. В. Богомолова (1954), 16,9% территории Предуралья. Данные почвы приурочены к пологим склонам, на верхних частях междуречий и на понижениях в условиях более высокого увлажнения. Почвообразующими породами являются делювиальные и элювио-делювиальные отложения.
Из черноземов самыми богатыми по флористическому составу являются выщелоченные. Из лесообразующих древесных пород на них распространены преимущественно дуб, липа, клен, ильмовые и осина. Выщелоченные черноземы Предуралья отличаются укороченностью почвенного профиля в целом и отдельных генетических горизонтов, менее интенсивной окраской гумусового горизонта по сравнению с другими подтипами и более слабо выраженным иллювиальным горизонтом.
Почвы и продуктивность насаждений
Формирование в одинаковых почвенных условиях древостоев определенного состава не означает их абсолютную идентичность. Они отличаются между собой по производительности, устойчивости и по другим лесоводственно таксационным показателям. Для изучения влияния лесорастительных свойств почв на средние таксационные показатели насаждений были выбраны участки насаждений сосны, дуба, липы, березы, осины. Выделы, отбираемые для обследования, отвечали следующим требованиям: 1) лесообразующая порода составляла в составе древостоя не менее 7 единиц; 2) полнота не менее 0,6 для насаждений 1-ІЙ и 0,5 для насаждений IV-V классов бонитета; 3) возраст древостоев в пределах от 40 до 60 лет, а для составления таблиц хода роста - до 90 лет; 4) почвообразующими породами на этих выделах являются делювиальные отложения средне- и тяжелосуглинистого механического состава. Аналогичная методика отбора насаждений для закладки пробных площадей при качественной оценке лесопокрытых почв предложена кафедрой почвоведения Московского государственного университета леса (Зеликов, 1982; Зеликов, Знаменская, Некрасова, 1986; Зеликов, Некрасов, Алмазова и др., 1983 ). Всего нами было заложено 86 временных и постоянных пробных площадей и почвенных разрезов, анализированы и обработаны на ПЭВМ данные 982 выделов. Площади пробных площадей составляли 0,20-0,40 га. Их закладка и обработка производились методами принятыми в лесной таксации (Анучин, 1981). Изучение влияния почвенных условий на средние лесоводственно-таксационные показатели насаждений Предуралья показывает, что как производительность, так и устойчивость древостоев различных пород в однородных почвенных условиях различна. Так, на черноземах выщелоченных средний класс бонитета дубовых древостоев 11,45, березовых -1,13, осиновых -1,71, липовых -11,24 (таблицаїї). Лесные культуры сосны на данных почвенных условиях произрастают в основном по 1а классу бонитета. В пределах однородных почвенных условий встречаются древостой различных классов бонитета.
Так, на темно-серых лесных почвах встречаются дубовые насаждения как I, так и IV классов бонитета, однако абсолютное большинство насаждений произрастает по II и III классам бонитета. Это показывает, что производительность древостоев зависит не только от плодородия почв, но и от других условий. Здесь могут быть различные микроусловия, различный режим влаги и особенности происхождения и развития самого древостоя. Древостой с широкой амплитудой классов бонитета встречаются в основном на среднеплодородных почвах. Как максимальное, так и минимальное плодородие сужает амплитуду, и на этих почвах произрастают древостой примерно одинаковой производительности. На самых плодородных почвах произрастают в основном древостой высших классов бонитета, на малоплодородных или избыточно-увлажненных почвах - древостой низких классов бонитета. Лесные культуры сосны на всех почвенных условиях, кроме как на избыточно-увлажненных почвах, имеют высокий класс бонитета. Соответственно с изменениями класса бонитета древостоя меняются и средние приросты по высоте и диаметру (таблица 12). Средний прирост по высоте дубовых древостоев не превышает 36 см в год. Наибольшего значения средний прирост древостоев по высоте достигает в сосновых насаждениях на темно-серых лесных почвах (50 см/год).В автоморфных почвах средний прирост по высоте и диаметру всегда выше, чем в гидроморфных почвах. Несмотря на то, что полнота сильно варьирует в зависимости от хозяйственной деятельности человека, данный показатель также является одним из интегральных показателей добротности условий местопроизрастания, тем более, если учитывать насаждения, в которых в течение последних 10 лет не проводились никакие лесохозяйственные мероприятия. На более плодородных почвах полнота древостоя всегда выше. Так, на черноземах и темно-серых лесных почвах средняя полнота в основном выше 0,6. Средний прирост по запасу также отражает плодородие почв и закономерно снижается по мере снижения плодородия. Однако, средние таксационные показатели массового материала без учета конкретного возраста насаждений, хотя и дают определенные представления о влиянии почвенных условий на производительность насаждений, не могут объективно отражать настоящие потенциальные возможности данных почв. Для этого необходимо изучать насаждения одного класса возраста и одинаковой полноты. Средняя высота осинников на выщелоченных черноземах 19,9 м, а на темно-серых лесных почвах 21,2 м, что может быть объяснено появлением осинников на черноземах только первого или второго поколения, где только образуются условия для произрастания деревьев. Средние диаметры древостоев меняются пропорционально изменениям средней высоты. Средний запас и прирост, кроме средних высот и диаметра, зависит ещё и от полноты древостоя. При одинаковой средней полноте средний запас и прирост древостоев в наиболее плодородных почвах выше, чем на малоплодородных (таблица 13). Вычисленные средние достоверны на 5% уровне значимости.
Максимальные коэффициенты варьирования не более 20 и особенно сильно варьируют запасы древостоев на более плодородных почвах. Это объясняется тем, что потенциальное плодородие черноземов и темно-серых лесных почв не всегда используются полностью из-за неблагоприятных климатических условий и других причин. Важным является вопрос изучения значимости различий между средними высотами основных лесообразующих пород, произрастающих на различных почвенных условиях при вероятности 0,95 (таблица 14). В основном разница между средними высотами древостоев на различных почвах значима, т. е. t фаКт t теор. Однако, часто встречается незначительная разница между высотами древостоев на черноземах оподзоленных и темно-серых лесных почвах, реже на черноземах оподзоленных и выщелоченных.