Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Защитные лесные насаждения в системе экологического сбалансированного природопользования 6
1.1. Защитные лесные насаждения в системе лесоаграрных ландшафтов Предуралья 6
1.2. Структура и функциональное назначение защитных лесных насаждений 10
1.3. Система полезащитных лесных полос 22
Глава 2. Экологический потенциал защитных лесных насаждении 30
2.1. Параметры экологического потенциала защитных лесных насаждений 30
2.2. Оценка экологической продуктивности защитных лесных насаждений 42
2.3. Классификация насаждений по экологической продуктивности 48
Глава 3. Типичные черноземы на облесенных полях Предуралья 54
3.1. Природные условия почвообразования 54
3.2. Типичные черноземы на облесенных полях 57
3.3. Структура и объемная масса почвы 61
Глава 4. Противодефляцнонная устойчивость типичных черноземов 67
4.1. Влияние полезащитных лесных полос на скорость ветра, снего отложение и влажность почвы 67
4.2. Закономерности противодефляционной устойчивости почв 83
4.3. Гумусообразование и гумусонакопление на облесенных полях 103
Глава 5. Регенерация искусственных лесных экосистем и постоянство пользования защитными лесными насаждениями 115
5.1. Защитные лесные насаждения и урожайность сельскохозяйственных культур 115
5.2. Регенерация искусственных экосистем и постоянство пользования защитными лесными насаждениями
Список литературы 150
Приложения
- Структура и функциональное назначение защитных лесных насаждений
- Оценка экологической продуктивности защитных лесных насаждений
- Типичные черноземы на облесенных полях
- Закономерности противодефляционной устойчивости почв
Введение к работе
Актуальность темы. Почва, являясь одним из основных компонентов биосферы, выполняет важнейшие биогеоценотические функции. Эта функция в сочетании с лесными насаждениями усиливается многократно. Оказывая прямое влияние на лесной фитоценоз, почва сама претерпевает существенные изменения под влиянием защитных насаждений, на них сформированных. Поэтому всестороннее и глубокое исследование генезиса и свойств черноземов типичных на облесенных полях необходимо не только с позиций сельскохозяйственной практики и проведения экологического мониторинга, но и охраны окружающей среды в условиях возрастающего антропогенного воздействия на нее. Особую теоретическую и практическую значимость приобретают как закономерности взаимодействия почв и лесных насаждений на лесоаграрных ландшафтах так и продолжительности этого взаимодействия.
Целью работы является выявление закономерностей взаимодействия черноземов типичных и защитных лесных насаждений и разработка концепций постоянства пользования защитными лесными насаждениями на лесоаграрных ландшафтах.
Научная новизна. Установлены закономерности взаимодействия
» черноземов типичных и защитных лесных насаждений Башкирского
Предуралья. Разработана концепция экологически сбалансированного природопользования непрерывного пользования.
На защиту выносится:
закономерности взаимодействия черноземов типичных и защитных лесных насаждений;
концепция непрерывности пользования защитными лесными насаждениями на лесоаграрных ландшафтах.
Практическая ценность результатов исследований. Материалы исследований могут быть использованы при разработЩ^^Щ^ сельского хозяйства Предуралья. Рекомендации по вьгоащи8^ШЗ^^Щ?гных
разновозрастных насаждений используется Федеральным агентством лесного хозяйства.
Личный вклад автора заключается в планировании эксперимента, разработке схемы полевых опытов и руководстве ее выполнением. Автору принадлежит анализ и обобщение собранного материала, математическая обработка и интерпретация фактических данных. Аналитическая часть исследований проведена в Башкирском государственном аграрном университете.
Обоснованность выводов и достоверность результатов исследований
обеспечивается применением современных методов исследований,
достаточным объемом экспериментального материала, воспроизводимостью
результатов опытно-производственных данных, использованием
математической статистики.
Апробация. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: международных -«Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания» (Уфа, 2002), Всероссийских- «Проблемы лесного комплекса России в переходный период экономики» (Вологда, 2002), региональных- «Аграрная наука- состояние и проблемы» (Ижевск, 2002), научно-практической конференции, посвященный 125-летию образования Уфимского лесхоз-техникума (Уфа 2002), на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников БГАУ (1998-2002).
Публикации. По теме работы опубликовано 7 работ, в том числе две монографии (в соавторстве), одна рекомендация и три статьи.
Структура и объем работы. Она состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 159 стр. машинописного текста, включает 27 таблиц, 10 рисунков, список литературы из 139 наименований, в том числе 4 на иностранном языке.
Структура и функциональное назначение защитных лесных насаждений
Характерной особенностью защитных лесных насаждений является их возрастная структура: если преобладающий возрастной категорией овражно -балочных насаждений являются средневозрастные, то в полезащитных полосах преобладают спелые. В этом плане сельскохозяйственное производство оказывается в самом выигрышном положении: около 30 % пашни находится под защитным влиянием достигших зрелости и вступивших в полную силу полезащитных лесных полос. Именно на их роли и сосредоточены наши исследования, в отличие от других разработок в этой области, где объетстом внимания выступают подрастающие лесные полосы. По породному составу защитные лесные насаждения Предуралья уникальны. В них сосредоточен весь ассортимент деревьев и кустарников, способных произрастать в условиях умеренно засушенного климата на относительно богатых почвах. Наблюдается широкий спектр видового разнообразия в насаждениях на эродированных крутосклонах (32 вида) и менее узкий ассортимент в полезащитных лесных полосах (7). Более разнообразны в этом отношении лесные полосы, созданные в послевоенные годы, Сохранность защитных лесных насаждений в зависимости от климатических условий годов посадки, породного состава, технологии производства и последующего ухода имеет широкую амплитуду колебаний, но общий итог положительный- около 65 %. Наиболее благополучная картина наблюдается в насаждениях, созданных в 1948-1960 гг. Приживаемость и сохранность искусственного лесовозобновления того времени была наибольшей, что отчасти может быть объяснено привлечением большого количества сезонных рабочих для ухода. Приживаемость посадок последних лет колеблется на уровне 82-91 %, сохранность весенних посадок выше, чем осенних. Категории лесокультурных площадей под посадками отличаются большим разнообразием: до 60-х годов 86 % насаждений создавались на прогалинах, 7,8- на эродированных склонах, со второй половины 70-х годов они стали основной категорией лесокультурной площади.
Насаждения создавались как чистые, так и смешенные. В овражно - балочных насаждениях доля чистых культур составляла 86 %, смешанных - 14%. Такая небольшая их доля объясняется увлечением одной породой - сосной, а также тем, что на значительной площади, отводимой под культуры сосны, введение примесей затруднено по лесорастительным особенностям почв; с другой стороны, создавать смешанные насаждения сложнее как организационно, так и технологически. Наиболее богатым и разнообразным составом отличаются насаждения на склонах, где встречаются до 17 типов смешения пород.
Основные параметры морфоструктуры и хозяйственная ценность будущего древостоя закладывается на этапе формирования молодняков и определяются исходной густотой. При большой начальной плотности формируются насаждения, характеризующиеся высокой напряженностью роста и низкими показателями индивидуальной и общей продуктивности, в то время как древостой с меньшей начальной густотой обнаруживают слабую напряженность роста, обусловленную конкуренцией, и достигают максимальных размеров лишь к возрасту спелости. В этой связи поиск оптимальной густоты, обеспечивающей наивысший текущий прирост биомассы на единице площади всегда актуален. В естественных условиях продуктивность лесного фитоценоза редко совпадает с потенциально возможной продуктивностью составляющих его особей. Сдерживающей причиной здесь является конкуренция между растениями, препятствующая проявлению таких возможностей. При условии полного или почти полного устранения конкурентных взаимоотношений наивысшей продуктивности могут достичь древостой, сформированные чаще всего рубками ухода из деревьев наилучшего роста при их равномерном распределении по площади и максимальной сомкнутости полога. Поскольку оптимальная густота меняется во времени, направленное формирование проводится постоянно на протяжении всего цикла роста и развития насаждений. Это позволяет в каждом возрасте поддерживать максимально возможный прирост и общую продуктивность. Такой подход в целом был положен в основу составления целевых программ высокопродуктивных овражно - балочных насаждений и полезащитных лесных полос.
Первоначальная густота овражно-балочных насаждений имеет широкий диапазон колебаний: от чрезвычайно густых (более 20,0 тыс. посадочных мест на I га) до редких (2,2-4,0 тыс.). 12 тыс.га полезащитных лесных полос и 78% овражно-балочных насаждений созданы густотой 6,1-10,0 тыс. посадочных мест на I га. Для чистых насаждений характерна средняя густота. Рядовые посадки являются преобладающими как среди чистых (97 %), так и смешанных насаждений (91 %).
Как в овражно-балочных, так и полезащитных древостоях основная доля приходится на насаждения II и III классов бонитета, что свидетельствует об их достаточно высокой производительности, при этом чистые культуры отличаются незначительным превосходством над смешанными. Средняя полнота овражно-балочных насаждений составляет 0,70, лишь 4,4 % культур имеют полноту ниже 0,5. При этом среди низкополнотных большую часть составляют насаждения I и II классов возраста, что свидетельствует о недостаточной их первоначальной густоте. Продуктивность овражно-балочных насаждений Предуралья изучена крайне недостаточно, а имеющиеся данные носят разрозненный характер. Более детальному анализу подвергнута лишь продуктивность овражно-балочных насаждений Белебеевской возвышенности (Косоуров, 1998).
Оценка экологической продуктивности защитных лесных насаждений
Для перехода из качественной характеристики экологической продуктивности в количественную наиболее приемлема балльная оценка физических величин. Поскольку составляющие величины экологической продуктивности измеряются в различных единицах, то единственным общим знаменателем может выступать лишь бальная оценка. Оценочный балл каждого показателя вычисляется по формуле: При дифференцированном подходе общий оценочный балл экологической продуктивности насаждения определяется как взвешенное по коэффициенту корреляции между лесистостью и показателями экологической продуктивности среднее арифметическое из оценки баллов отдельных показателей. Вычисление проводится по формуле: где Б0 - общий оценочный балл экологической продуктивности насаждения; бі, бг, бп - баллы отдельных показателей насаждения; Гі , 2 , Гп - коэффициенты корреляции. Такой способ выделения баллов позволяет учесть роль и долю участия в формировании экологический продуктивности каждого диагностического показателя насаждения, которые далеко не одинаковы.
Таким образом, предлагаемый способ определения экологической продуктивности защитных лесных насаждений основан на дифференциальной оценке показателей по их значимости в экологической продуктивности. При таком подходе за 100 баллов принимается сумма всех показателей, по которым проводится определение экологической продуктивности в их максимальном значении. Экологическая продуктивность по данной методике, предложенной К.М. Габдрахимовым (2002), определяется суммированием значений баллов, соответствующих диагностическим показателям экологической продуктивности (таблица 3). Все непредусмотренные таблицей факторы, влияющие на экологическую продуктивность лесов, учитываются в виде поправочных коэффициентов. Так, если известны значения климатообразующих параметров по региону, то для отдельных насаждений оценочные баллы могут быть скорректированы при помощи коэффициентов, учитывающих породный состав и полноту древостоев. Эти два показателя в наибольшей степени определяют влияние насаждения на температурный режим, влажность воздуха и на скорость ветра. Для ели, пихты поправочный коэффициент максимален -1.0; для сосны-0.8; липы-0.9; для других пород -0.7. Коэффициенты по полноте могут быть такими же, как и их номинальное значение -1.0; 0.9;...0.3.
При оценке водоохранно-почвозащитных параметров наибольшее значение имеют уклон местности и механический состав почв, учет которых позволяет выяснить исключительную водоохранно-почвозащитную роль лесов. При этом поправочные коэффициенты на уклон местности приняты: 5 - 0.2; 5-Ю -0.4; 10-20-0.6; 20-30-0.8; 30-40-1.0; на мехсостав почвы для песчаных -1.0; супесчаных -0.75; суглинистых-0.5; глинистых -0.25. При оценке санитарно-гигиенических параметров могут быть введены дополнительные коэффициенты кислородного эквивалента древесных пород, коэффициент депонированного углерода с учетом породы и возраста, коэффициенты фитонцидности, биологической активности и другие. В зависимости от категории защитности насаждений применяются дополнительные коэффициенты, учитывающие экологическую ценность данного насаждения для конкретного ландшафта. Мы здесь остановились лишь на некоторых принципах количественной оценки параметров экологической продуктивности насаждений. Определение конкретной величины экологической продуктивности является объективной основой для решения целого ряда организационно-хозяйственных вопросов и проведения лесохозяиственных мероприятий по усилению и повышению защитных функций насаждений.
Типичные черноземы на облесенных полях
Типичные черноземы в комплексе с выщелоченными в основном преобладают на водораздельном плато и верхней трети склонов, а в средней и нижней частях склонов они встречаются в комплексе с типичными карбонатными различной мощности.
Мощность гумусового горизонта типичных черноземов тесно связана с условиями почвообразования, механическим составом материнских пород и степенью эродированности почв и не превышает 60 см, среднесуглинистые разновидности отличаются более мощным гумусовым горизонтом (таблица 5) (Тайчинов, Бульчук, 1975). По данным этих же авторов, наибольшей гумусиро-вашюстью отличаются тяжело суглинистые разновидности почв (таблицаб). Составляя основной фон почвенного покрова района исследований, типичные черноземы характеризуются хорошими агрономическими свойствами. В пахотном слое в них содержится гумуса 6,9-10,2 % (уменьшение его вниз по профилю происходит постепенно), подвижного фосфора - 19,5-20,3, обменного калия - 16,7-17,8 мг на 100 г почвы. Почвы характеризуются средним содержанием гумуса, реакцией почвенного раствора близкой к нейтральной, высоким содержанием обменного калия и подвижного фосфора (Петров, 2002).
Степень насыщенности основаниями типичных черноземов высокая - 90-95%. В поглощенных основаниях при определении методом Гедройца содержится: кальция до 48-53, магния - 9-14мг-экв/100г почвы. По механическому составу типичные черноземы относятся к тяжелым и средним суглинкам. Мощность перегнойно-аккумулятивного горизонта достигает 70 см. Для гумусового горизонта характерна темная окраска.
Типичные черноземы с пониженным вскипанием отличаются от других подтипов высокой гумусированностью, хорошо выраженной зернистой достаточно водопрочной структурой, разрушаемой до порошисто-пылеватой при длительной вспашке в пределах пахотного слоя. В связи с малым количеством атмосферных осадков для них характерна сухость профиля. Повышенный уровень вскипания от 10% соляной кислоты в горизонтах АВ или в верхней части горизонта В, хорошая зернистая структура подпахотной части горизонта Ai и интенсивная темно-серая окраска гумусового горизонта являются характерными их морфологическими особенностями. Нередко в глубине вскипания карбонатов (50-75 см) отмечается скопление солей карбонатов в виде белых прожилок, количественно увеличивающихся книзу.
Наши стационарные опыты проводились на среднем ощных типичных черноземах тяжёлосуглинистого механического состава. Эти почвы характеризуются отсутствием признаков выщелоченное, оподзоленности и солонцева-тости, имеют темно-серую окраску гумусового горизонта, довольно хорошо выраженную зернистую структуру, карбонаты в этих почвах залегают в пределах гумусового горизонта объемная масса в пределах гумусовых горизонтов колеблется от 0,96 до 1,09 см , что свидетельствует об их относительно рыхлом сложении и одновременно создает благоприятные условия для проявления дефляции (таблица 7). Для представления морфологии типичных черноземов приводим описание разреза, заложенного на территории СПК «Алга» Буздякского района в 100 м южнее ажурной 55 летней березовой лесополосы с высотой 21 м. Апах 0-28 см. Темно-серый, тяжелосуглинистый, комковато-порошистый, обильно пронизан корнями растений, переход постепенный, по линии вспашки. Ai 28-60 см. Темно-серый, тяжелосуглинистый, с хорошо выраженной округлоз ернистой структурой, слабоуплотнен, наблюдается мелкие кротовины, переход постепенный. АВ 60-70 см. Темно-бурый, тяжелосуглинистый, уплотнен, структура крупнозернистая, переход заметный по окраске и структуре, вскипает от 10% соляной кислоты в нижней части горизонта. В 70-110 см. Темно-бурый с коричневым оттенком, тяжёлосуглинистый, более уплотнённый, чем предыдущие горизонты, неясно призмовидная довольно грубая структура, переход постепенный. С 110-120 см. Буровато-коричневый, тяжёлосуглинистый, структура плохо выражена, наблюдается резкий карбонатный мицелий. Следует отметить, что основные показатели, характеризующие почвы СГЖ, в целом типичны для аналогичных почв, получивших распространение и в других районах Демско-Чермасанской долины.
Закономерности противодефляционной устойчивости почв
Сильные ветры вызывают разрушение верхнего, плодородного слоя, и перенос мелкозема в места затишья. При пыльных бурях легкие фракции уносятся на большие расстояния. Потери почвы от выдувания могут достигать большой величины. Во время пыльных бурь весной 1969 г. в западных районах Волгоградской обл. глубина выдувания составила 1—3 см, в отдельных случаях до 6-8 см, а на юго-востоке Украины - до 10-15 см. В Северном Казахстане средние ежегодные потери южных черноземов и темно-каштановых почв определены в 70 т/га (Защитные насаждения... 1987). Наряду с потерей почвенного плодородия при дефляции происходит повреждение и гибель посевов сельскохозяйственных культур в результате засекания, обнажения корней, выдувания и засыпания мелкоземом.
Лесные полосы, ослабляя силу ветра, значительно предотвращают выдувание почвы и защищают посевы. Для полного прекращения дефляции почвы на межполосном поле скорость ветра не должна превысить 6-15 м/с. Такое требование обеспечивает размещение лесных полос перпендикулярно направлению сильных ветров на расстоянии не более 17—30 Н друг от друга.
Однако на полях хозяйств межполосные расстояния в большинстве случаев значительно их превышают. Естественно при этом защищается от дефляции не вся площадь межполосного пространства, а только часть ее, находящаяся в зоне затишья, где скорость ветра не превышает критическую. На крупных межполосных полях в зоне затишья происходит отложение мелкозема в виде шлейфа, а иногда больших сугробов в зависимости от конструкции лесных полос и их ажурности, размера пылесборной площади, податливости почвы выдуванию, наличия растительности и интенсивности дефляции, которые при весеннем снеготаянии и ливневых дождей уносятся в овраги и затем попадают в речную сеть.
Формы мелкоземных отложений у лесных полос сходны с очертаниями снежных шлейфов, но отличаются более резким падением высоты наносов за полосами. Протяженность зоны отложения мелкозема достигает непродувае-мыми лесными полосами 5—10 м, за ажурными 15—20 м, за продуваемыми не превышает 50м. С удалением от лесных полос по мере возрастания скорости ветра выдувание почвы усиливается, и на расстоянии 300 м воздушный поток может достигать полного насыщения пылью. Масса отложений мелкозема у продуваемых лесных полос в ловушках размером 1м колеблется от 0,3 (поле) до 5,8 г за период апрель-ноябрь при весьма удовлетворительных показателях точности (таблица 12). В зависимости от погодных условий и таксационных показателей насаждений этот показатель может превосходить приводимые данные в несколько раз. Решающее значение при этом имеют полнота и высота лесной полосы, что в большей степени обусловлено породой (прил. 2,3).
Эти данные согласуются с имеющимися в литературе материалами исследований (Кретинин, 1971), указывающими на неодинаковую степень защищенности почвы от выдувания на разном удаленши от лесных полос и различный характер отложения мелкозема за лесными полосами. Что же касается гранулометрического состава, накопленного в ловушках мелкозема, то наблюдается в целом известная закономерность оседания частиц в двухфазном потоке: более крупные и тяжелые частицы оседают в непосредственной близости к лесополосе, более легкие - в значительной удаленности от нее (таблица 13).
Ветровая эрозия почв в условиях Предуральской степи проявляется в различных формах и в продолжение всего года. Однако интенсивность ее проявления и наносимые ущербы бывают наиболее сильными ранней весной, когда поверхность почвы еще не покрылась растительным покровом. В этот период проявляются все виды ветровой эрозии почвы, но однако преобладают черные бури и местная ветровая эрозия. Сильная ветровая эрозия почв проявилась в засушливые годы (1891,1901,1906,1911,1921).
Механизм ветровой эрозии заключается в выдувании, переносе и отложении почвенных частиц. Ветровой эрозией повреждаются бесструктурные почвы, лишенные растительности. Выдуванию подвергаются преимущественно иссушенные частицы почвы диаметром 0,1-0,5 мм.
Ветровую эрозию разделяют на черные бури и повседневную (рисунок 4). Г.Н. Лысак (1970), внесший большой вклад в изучение эрозии почв, повседневную ветровую эрозию подразделяет на местную и эрозионный поземок.
Пыльные или черные бури в Демско-Чермасанской долине возникают при скорости ветра более 10 м/сек., чаще они охватывают большие территории. О характере и последствиях черной бури можно судить по ее описанию С.Г. ПрокушеЕіко (1893): «Сухой сильный восточный ветер в продолжении нескольких дней рвал землю и гнал массы песка, земли и пыли. Туча за тучей поднимались клубы земли и, то догоняя, то перегоняя одна другую, сливались в непроницаемую для глаза массу пыли, засекавшей глаза. Ветер выл, грохотал с неимоверной силой, срывал на пути все, что могло служить ему препятствием. Посевы, пожелтевшие от сухого воздуха, подрезались под корень, как серпом; но и корни не могли уцелеть, ветер выносил землю с корнем, не щадилась старая сухая сорная трава - и та выкорчевывалась. Земля выносилась до 18 см глубины и обнажалась подпочва.... Это была, по словам некоторых наблюдателей, какая-то пустыня, недавно еще зеленевшая нива превратилась в черную избитую равнину, как бы после пожара».
Незаметная повседневная ветровая эрозия проявляется почти во все времена года. Она сопровождается переносом небольшого количества почвенных частиц при скорости ветра свыше 5 м/сек, но не превышающей 10 м/сек. При этом в воздух поднимается значительно меньше эрозионного мелкозема, чем при «пыльных бурях», но он хорошо заметен. Площадь, подвергающаяся такому виду дефляции, не превышает 5-6 кв. км. Действие дефляции продолжается с перерывами, длящимися не больше двух-трех часов. Этот вид дефляции так же как, и черные бури, приносит большой вред. При этом снос поверхностного горизонта почвы достигает 4-5 см. Эрозионный поземок отличается от других типов дефляции тем, что эрозионный мелкозем не поднимается выше одного метра от поверхности земли и, почвенные частицы перевеиваются на небольшом расстоянии. Если в отложении эрозионного мелкозема при пыльных бурях или при местной ветровой эрозии основную роль играют макро- и мезоформы рельефа, то при действии поземка на отложение почвенных частиц главное влияние оказывает микрорельеф. Вред, приносимый проявлением этого вида дефляций, заключается как в сносе верхнего почвенного горизонта, так и засекании растений переносимыми почвенными частицами. Наиболее сильно проявляется эрозионный поземок на паровых полях и весной, когда поверхность почвы еще непокрыта растительностью. На полях, поврежденных ветровой эрозией, после появления всходов сельскохозяйственных культур при рядовом их посеве выдувание в междурядьях происходит сильнее, чем в рядках, защищенных растениями, в результате чего наблюдается понижение междурядий, а затем постепенное их засыпание эрозионным мелкоземом. Ветровая эрозия почвы имеет распространение во многих странах мира, в том числе и в нашей стране. По примерным подсчетам, проведенным институтом им. В.В. Докучаева под руководством академика С.С. Соболева (1961), только в Европейской части страны около 50 млн. га земель подвергается водной эрозии, в том числе 30 млн. га повреждено эрозией, из них около 10-11 млн. га средне- и сильно эродированных, и на них в 2-3 раза снижается урожай. Ежегодно в нашей стране смывается водными потоками более 500 млн. т почвы. Со смытой почвой уносится азота около 1,2 млн. т, фосфора - 0,6 млн. т и примерно 12 млн. т калия. Продукты эрозии - песок, глина, отлагаясь, заиливают судоходные реки, пруды, озера и водохранилища, чем наносят огромный вред народному хозяйству. Не меньший вред причиняет и ветровая эрозия почвы. Так, например, по данным Всесоюзного научно-исследовательского института зернового хозяйства, в Павлодарской области охвачено ветровой эрозией 700 тыс. га.
