Содержание к диссертации
Введение
1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕНДРОКЛИМАТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ИНДИКАЦИИ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ 13
1.1. Изучение антропогенных воздействий на лес: основные направления 13
1.2. Современное состояние дендроклиматических исследований, дендроиндикация 27
2. ЦЕНТРАЛЬНАЯ ЛЕСОСТЕПЬ: ДИНАМИКА КЛИМАТА, ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ 34
2.1. Климат: общая характеристика, многолетняя динамика климата (по данным метеостанции "Воронеж") на фоне циклических колебаний активности Солнца 34
2.2. Рельеф, почвы, гидрография 43
2.3. Лесная растительность 44
3. МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 51
3.1. Методы биоиндикации, комплексная методика биоиндикации состояния сосновых насаждений, методика исследований 51
3.2. Достоверность исследований (математико-статистический аппарат исследований) 72
3.3. Характеристика объектов исследований 78
4. ДЕНДРОИНДИКАЦИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ДИНАМИКИ ЭКОСИСТЕМ И ДЕНДРОШКАЛЫ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЛЕСОСТЕПИ 101
4.1. Дендроклиматический анализ сосны обыкновенной Усманского бора 101
4.2. Дендроклиматический анализ сосны обыкновенной Цнинского бора 114
4.3. Дендроклиматический анализ сосны обыкновенной борового ряда (Аь А2, А3) Хреновского бора 130
4.4. Динамика прироста сосны обыкновенной за 224-летний период и некоторые аспекты индивидуальной изменчивости прироста деревьев 147
4.5. Эталонные дендрошкалы ЦЧР: построение, хранение, применение.. 161
5. ЦИКЛИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ, КЛИМАТА, ПРИРОСТА ДЕРЕВЬЕВ И ЕЕ ПРОГНОСТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ 174
5.1. Цикличность природных процессов. Солнечная активность. Цикличность солнечной активности 174
5.2. Цикличность прироста деревьев и ее связь с солнечной активностью 179
5.3. Солнечная активность —> циркуляция атмосферы —» климатические изменения —> прирост деревьев 183
5.4. Дендроклиматический прогноз до 2012 гг. по результатам анализа вековой и 11-летней цикличности активности Солнца 187
5.5. Цикличность прироста сосновых древостоев Центральной лесостепи (за вековой период) в 11-летнем цикле солнечной активности и её прогностическое значение 193
5.6. Моделирование пожароопасных сезонов 200
5.7. Моделирование и прогноз генерализованного ряда прироста сосны обыкновенной в Центральной лесостепи 205
6. ДЕНДРОИНДИКАЦИЯ СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ТЕХНОГЕННОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ АТМОСФЕРЫ 211
6.1. Использование растений для биоиндикации и в экологическом мониторинге лесов 211
6.2. Техногенное загрязнение атмосферы: источники загрязнения, загрязняющие вещества, экологическая обстановка в г. Воронеже и Воронежской области 215
6.3. Дендроиндикация состояния сосновых насаждений подверженных воздействию загрязнения атмосферы от стационарных источников 221
6.4. Дендроиндикация состояния сосновых насаждений вдоль автотрасс 245
6.5. Содержание тяжелых металлов в почве, лесной подстилке и снежном покрове 272
6.6 Содержание тяжелых металлов в древесине 276
7. ДЕНДРОИНДИКАЦИЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ЭКОСИСТЕМ ПОД ВЛИЯНИЕМ РЕКРЕАЦИИ, ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ, РУБОК УХОДА 281
7.1. Динамика состояния сосновых насаждений под воздействием рекреации 281
7.2. Влияние Воронежского водохранилища на прибрежные лесные культуры сосны обыкновенной 295
7.3. Влияние болота и реки на примыкающие лесные культуры сосны обыкновенной 313
7.4. Влияние рубок ухода на радиальный прирост сосновых древостоев 328
8. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ 331
8.1. Зонирование пригородных лесов и рекомендации по повышению их устойчивости к воздействию антропогенных нагрузок 331
8.2. Концепция создания картографического материала (в составе ГИС) отражающего интенсивность антропогенных воздействий на лесные экосистемы 338
ВЫВОДЫ 341
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 345
ПРИЛОЖЕНИЯ 398
- Изучение антропогенных воздействий на лес: основные направления
- Климат: общая характеристика, многолетняя динамика климата (по данным метеостанции "Воронеж") на фоне циклических колебаний активности Солнца
- Достоверность исследований (математико-статистический аппарат исследований)
Введение к работе
Актуальность темы. Лесные экосистемы (биогеоценозы) являются саморегулирующимися, они обладают значительной устойчивостью и способны поддерживать динамическое равновесие в очень широком диапазоне условий. Однако, в настоящее время техногенное, рекреационное, хозяйственное воздействие человека на окружающую среду привносит опасные изменения как в экологические системы в целом, так и в отдельные их компоненты. Степень нарушения биогеоценозов, отдельных составляющих биосферу компонентов определяют путем сравнения их по ряду признаков и характеристик с ненарушенными экосистемами, по динамике поддающихся учету изменений.
Для экологической оценки состояния лесных экосистем (в том числе испытывающих воздействие антропогенных факторов различной интенсивности) эффективно использование методов биологической индикации. Биоиндикация -это выявление естественных колебаний природных процессов и экологически значимых антропогенных изменений на основе реакции на них живых организмов и их сообществ. Биологическая индикация предусматривает использование компонентов биогеоценоза, их различных характеристик (количества, видового разнообразия, продолжительности жизни) для установления состояния насаждения. Растения обладают относительно высокой чувствительностью к изменению газового состава атмосферы, уплотнению и загрязнению почвы, изменению светового режима и т.д., что позволяет использовать их в качестве индикаторов для выявления антропогенного воздействия (как со знаком плюс, так и со знаком минус) и определения его уровня. Преимущество таких методов в возможности выявления реакции на весь комплекс воздействующих факторов, который очень сложно и неполно определяется с помощью приборов.
Характерные внешние признаки нарушения жизнедеятельности древосто-ев и статистически достоверные изменения таксационных показателей появляются только при разрушительном воздействии антропогенных факторов, когда чаще всего изменения в экосистеме уже необратимы. Очевидно, что при оценке антропогенных воздействий необходимы более тонкие методы исследований,
5 учитывающие небольшие, обратимые изменения в лесных экосистемах, и здесь неоценима роль дендроклиматического метода анализа.
Оценка (индикация) воздействия антропогенных факторов на радиальный прирост деревьев (а следовательно на состояние биогеоценоза в целом) невозможна без предварительного изучения изменчивости прироста в естественных условиях. Построение региональных дендроклиматических шкал естественной изменчивости радиального прироста деревьев в различных лесорастительных условиях создает базу для экологического мониторинга состояния лесных экосистем.
В результате применения методов дендрохронологического и дендроклиматического анализа для выявления и оценки внешних воздействий на лесные экосистемы, сформировалось новое научное направление - дендроиндикация естественной и антропогенной динамики состояния экосистем.
Вопросы установления степени и характера влияния на лес природных и антропогенных факторов успешно решаются с применением дендроклиматического метода анализа. Радиальный прирост деревьев - комплексный показатель, позволяющий проследить изменение их состояния в течение всей жизни и учесть климатическую составляющую. При анализе динамики состояния лесных экосистем нельзя обойтись без достоверной оценки этого показателя.
Устойчивость к антропогенному воздействию даже растений одного вида зависит от многих причин, среди которых немаловажное значение имеют климатические и эдафические факторы. Интенсивность воздействия климатических факторов на прирост древесины зависит от лесоводственных характеристик древостоя, географических условий. Диагностика трансформации лесных экосистем должна иметь региональный характер и базироваться на ле-сотипологической основе, необходимо изучить реакцию деревьев (изменения параметров радиального прироста) на различные виды воздействия (рекреацию, промышленное и автотранспортное загрязнение атмосферы), на различную интенсивность воздействия и т.д.
Сосна обыкновенная прекрасный объект как для дендроклиматических исследований (отчетливые границы между годичными слоями, долговечность, слабое влияние плодоношения на динамику прироста), так и для дендроинди-кации (обладает высокой чувствительностью и характерной реакцией на загрязнение атмосферы различной интенсивности, на рекреационное воздействие). Кроме того, сосна обыкновенная в ЦЧР по распространенности занимает второе место после дуба, а в городских и пригородных насаждениях - первое.
Начало дендроклиматическим исследованиям в борах Центральной лесостепи положили работы М.П. Скрябина (1946, 1964 и др.) и СИ. Костина (1963, 1965, 1968 и др.). После некоторого перерыва, локальные исследования отдельных аспектов проблемы влияния климатических и гелиофизических факторов на изменчивость прироста сосны обыкновенной в Центральной лесостепи отражены в работах А.А. Молчанова (1976), Е.В. Дмитриевой, (1982, 1987, 1990), Алесковского Ю.М., Успенского В.В. (1982), Н.В. Ловелиуса (1997).
Систематические дендроклиматические исследования начаты на кафедре лесоводства ВГЛТА под руководством проф. В.И. Таранкова в 1980-х годах. В.И. Таранков опубликовал целый ряд работ по дендрохронологии и дендрок-лиматологии сосны (1990, 1993 2000 и др.) также и в соавторстве со своими учениками: Таранков, Лазуренко (1990, 2000); Таранков, Матвеев (1992, 1994, 1996, 1998, 2000 и др.). С 1980-х годов ведутся и наши исследования естественных и антропогенных воздействий на сосновые насаждения.
Проблему нашего исследования определило отсутствие обобщения результатов комплексных исследований динамики экосистем сосны обыкновенной в Центральной лесостепи под влиянием естественных и антропогенных факторов. Несмотря на важность проблемы, до настоящего времени не имеется достаточного научного обоснования режима ведения хозяйства в антропогенно-трансформированных лесах, не решена проблема создания надежных краткосрочных и долгосрочных прогнозов изменения климата и состояния лесных экосистем, не учитывается в лесохозяйственной практике циклическая динами-
7 ка продуктивности древостоев, что значительно меняет реальную картину воздействия лесохозяйственных мероприятий.
Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной тематикой кафедры лесоводства ВГЛТА (1991-1995, 1996-2000, 2001-2005 гг.) и по тематике грантов РФФИ, Минобразования РФ, Минприроды РФ:
Закономерности развития антропогенно-трансформированнных лесных экосистем ЦЧР, (проект 01-04-974000) - грант РФФИ (тема № 07/01), 1998-2003 гг.
Структурно-функциональная организация и мониторинг лесных экосистем ЦЧР, - грант Минобразования РФ (тема № 5/00), 2000 г.
Биогеосферные исследования состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории Центрально-Черноземного региона, государственный контракт № ВК-02-47/301, - НИОКР Минприроды РФ (тема № 3050), 2003 г.
Цель и задачи исследования. Цель исследования: Изучение циклической динамики экосистем сосны обыкновенной в Центральной лесостепи и разработка экологических основ дендроиндикации и прогнозирования их состояния.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Оценить состояние и естественную динамику радиального прироста древостоев в борах лесостепи: Усманском, Хреновском, Цнинском.
Построить дендрошкалы сосны обыкновенной в различных лесорасти-тельных условиях пригодные для использования в качестве "эталонов" при проведении экологического мониторинга сосновых насаждений Центральной лесостепи.
Изучить циклическую динамику климата и радиального прироста сосновых древостоев.
Разработать комплексную методику биоиндикации состояния сосновых насаждений.
Разработать основы дендроклиматического прогнозирования состояния и продуктивности сосновых древостоев Центральной лесостепи.
Оценить интенсивность воздействия антропогенных факторов (выбросов промышленных предприятий, энергетических источников, автотранспорта, рекреации, рубок ухода) на городские и пригородные сосновые насаждения.
Разработать принципы зонирования лесов по интенсивности воздействия антропогенных факторов.
Разработать практические рекомендации по проектированию и проведению лесохозяйственных мероприятий в пригородных лесах лесостепной зоны ЦЧР.
Научная новизна работы.
Выявлены закономерности циклической динамики прироста сосновых древостоев Центральной лесостепи под влиянием геофизических, климатических, антропогенных факторов. Установлена возможность прогнозирования благоприятных и неблагоприятных периодов роста сосновых древостоев на основе их цикличности, построены математические модели и дан прогноз.
Впервые разработана и апробирована комплексная методика биоиндикации естественной и антропогенной динамики экосистем сосны обыкновенной на основе дендроклиматического анализа.
Проведена оценка воздействия антропогенных факторов (выбросов промышленных предприятий, автотранспорта, рекреации, рубок ухода) на состояние, продуктивность, устойчивость сосновых насаждений пригородных зон (зеленых зон городов Воронежа и Липецка). Установлена высокая надежность дендроиндикации при ранней диагностике повреждения лесов. Предложены принципы зонирования пригородных лесов по интенсивности воздействия антропогенных факторов.
Доказана необходимость учета циклической динамики текущего прироста древостоев при проектировании лесохозяйственных мероприятий. Разрабо-
9 таны соответствующие рекомендации для лесхозов ЦЧР на ревизионный период 2003 - 2012 гг., в том числе - по ведению хозяйства в лесах, подверженных воздействию антропогенных факторов, способствующие сохранению их жизнеспособности и целевых функций.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований.
а) Результаты научно-исследовательской работы (рекомендации лесному хо
зяйству) внесены в "Проект организации и развития лесного хозяйства" на ре
визионный период 2003 - 2012 гг. в двух лесхозах: Учебно-опытном ВГЛТА и
Хреновском лесхозе-техникуме для внедрения в производственный процесс
(Акт внедрения от 10.12.2003) а так же могут использоваться при проектирова
нии лесохозяйственных мероприятий в других лесхозах ЦЧР.
б) Результаты исследований позволили разработать и внедрить в учебный про
цесс новую дисциплину "Дендрохронология", а также используются в препода
вании дисциплин: метеорология и климатология, мониторинг лесных экоси
стем, рекреационное лесоводство (Акт внедрения от 18.11.2003);
в) Построено 14 дендрошкал сосны обыкновенной возрастом более 100 лет (в
т.ч. 224-летняя дендрошкала в наиболее распространенном в ЦЧР ТЛУ Вг).
Практическая значимость эталонных дендрошкал основывается как на возмож
ности оценки (реконструкции и прогнозирования) климатических характери
стик, так и на возможности изучения не климатических воздействий (в т.ч. ан
тропогенных) на изменчивость радиального прироста деревьев. Наличие эта
лонных дендрошкал является основой для мониторинга состояния сосновых
насаждений Центральной лесостепи.
г) Создана и зарегистрирована в государственном регистре (Регистрационное
свидетельство № 9003 от 27.02.04) база данных дендрошкал основных лесооб-
разующих пород ЦЧР. База данных является прикладной и позволяет решать
разноплановые задачи: научные, хозяйственные, экологические и т.д.
10 д) Разработанные методики, классификации, аналитические схемы используются при оценке состояния не только сосняков, но и дубрав, бучин и других насаждений, как в лесостепи, так и за ее пределами.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались в период 1994 - 2003 гг. на 15 Всероссийских и международных форумах (и ежегодно -на внутри вузовских): Российская научно-практическая конференция "Фундаментальная и методическая подготовка будущего специалиста по экологии и охране природы" (г. Орел, 1994 г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов" (г. Москва, 1994 г.); Всероссийское рабочее совещание Научного Совета по проблемам леса РАН "Проблемы динамической типологии лесов" (г. Архангельск, 1995 г.); Всероссийская конференция "Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктового) лесопользования" (г. Воронеж, 1995 г.); Российский молодежный научный симпозиум "Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга" (г. Воронеж, 1996 г.); Международная конференция "Влияние атмосферного загрязнения и других антропогенных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы" (г. Москва, 1996 г.); Международный конгресс "YSTM -96". Молодежь и наука - третье тысячелетие (г. Москва, 1996 г.); Международная конференция " Globalni klimaticka zmena: ucinky, stav a uroven reseni prob-lemu v meritku Ceske republiky (г. Оломоуц, Чехия 1998 г.); Научно-техническая конференция "Вклад ученых и специалистов в национальную экономику" (г. Брянск, 1998 г.); Научная конференция "Лесные проблемы Центрального Черноземья и Северного Кавказа" (г. Воронеж, 1998 г.); Международная научно-практическая конференция "Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины" (г. Воронеж, 2000 г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Динамика лесистости в малолесных районах европейской части России. Проблемы и перспективы" (г. Воронеж, 2000 г.);
VII-я международная научно-практическая конференция "Приспособления организмов к действию экстремальных экологических факторов" (г. Белгород, 2002 г.); V-я международная конференция "Циклы" (г. Ставрополь, 2003 г.); Всероссийское совещание "Дендрохронология: достижения и перспективы" (г. Красноярск, 2003 г.).
Основные положения выносимые на защиту.
Естественная циклическая динамика (11-летний, 30-3 5-летний, 50-60-летний, вековой циклы) радиального прироста сосновых древостоев Ус-манского, Хреновского и Цнинского боров в различных лесораститель-ных условиях.
Дендроклиматический прогноз состояния и продуктивности сосновых насаждений Центральной лесостепи на 2005 - 2012 гг. Наиболее вероятны ближайшие минимумы прироста в 2005 - 2008 гг.
Дендроиндикация состояния сосновых насаждений, в том числе - испытывающих воздействие антропогенных факторов (техногенное загрязнение атмосферы, рекреация).
Принципы зонирования пригородных лесов по отношению к воздействию антропогенных факторов.
Система мероприятий по сохранению функций и улучшению состояния сосновых насаждений в городских и пригородных лесах.
Достоверность результатов. Достоверность полученных в работе результатов и выводов подтверждается обширным фактическим (экспериментальным) материалом: 53 пробные площади, более 580 образцов древесины, свыше 65000 первичных замеров ширины годичных колец. В работе использованы современные методы обработки данных и анализа результатов исследований, в т.ч. математико-статистический анализ с помощью компьютерных программ DENDRO, Microsoft Excel, STADIA, STATISTICA, STATGRAPHICS, KOR 1, REG 1. Спектрофотометрический анализ экспериментальных материа-
#
*
12 лов на содержание тяжелых металлов проводился в специализированной поч-венно-химической лаборатории по стандартным методикам.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научных работы, в т.ч. монография (272 с), учебное пособие (88 с), 6 статей в центральной печати (журналах, рекомендованных ВАК), 2 статьи в зарубежной печати, 1 база данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, библиографического списка из 456 работ, в том числе 60 на иностранных языках, и 10 приложений. Диссертация включает 344 стр. текста, в том числе 95 таблиц, 56 рисунков. Общий объем диссертации - 456 стр.
Изучение антропогенных воздействий на лес: основные направления
Изучение влияния природных и антропогенных факторов на продуктивность и устойчивость лесных экосистем имеет важное значение для оптимизации лесообразовательного процесса с учетом их эффективного функционирования. Воздействие человека на природу - необходимое условие его существования. В результате этого воздействия возможно непрерывное обеспечение жизненными благами и воспроизводство человеческого общества. Хозяйственная деятельность человека по мере своего развития привела к усилению антропогенного воздействия на природную среду, лесные экосистемы и отдельные компоненты.
В условиях нарастания темпов потребления древесного сырья и лесоэксплуатации сохранение и повышение устойчивости лесных экосистем становится важнейшей задачей. Эта многоплановая задача лесной отрасли предполагает успешное лесовосстановление, охрану лесов от пожаров, защиту от вредителей и болезней, принятие мер по снижению загрязнения окружающей среды, а также снижению последствий от экстремальных воздействий климатических факторов.
Термин "устойчивость" используется экологами в разных значениях (Полякова и др., 1981; Устойчивость растения, 1986). По Р. Риклефсу (Риклефс, 1979), устойчивость - это внутренне присущая системе способность выдерживать изменение, вызванное извне, или восстанавливаться после него. Только устойчивые насаждения имеют шанс оставаться высокопродуктивными или выполнять другие функции до возраста спелости и старения. Устойчивость во многом зависит от степени естественности развития леса. По этому признаку различают следующие леса: девственные, развивающиеся без нарушения в течение нескольких поколений; естественные, испытавшие катастрофическое воздействие какого-либо фактора, приведшее их к гибели, и вновь развивающиеся без вмешательства извне довольно длительное время; антропогенные, испытывающие влияние хозяйственной или другой человеческой деятельности неоднократно в течение одного поколения. Практически все леса Центральной лесостепи относятся к антропогенным.
Антропогенные леса отличаются наиболее низкой устойчивостью по отношению к большинству негативных воздействий. Например, особенно заметна неустойчивость к лесопатологическим факторам лесных культур по сравнению с естественными молодняками (Харченко и др., 2000).
Небывалый темп роста промышленности и интенсификации лесного хозяйства во второй половине XX века привел к снижению устойчивости лесов. Участились случаи их ослабления и усыхания от засух, морозов, промышленных выбросов, усилилась вредоносность насекомых, грибных болезней, грызунов (Харченко, 1994; Бугаев, Сериков, 1996; Арефьев, Харченко, 2000).
Одним из условий устойчивости лесов является их целостность. Сокращение площадей лесных массивов и их дробление неизбежно ведет к снижению устойчивости лесов.
Задача приблизить по устойчивости антропогенные леса к естественным в целях снижения доли опеки (уходов, защиты и охраны) перед лесоводами ставилась еще Г.Ф. Морозовым (1970), который завещал вести дело так, чтобы постоянство пользования было налицо, но чтобы лес не терпел заметного ущерба в своей биологической устойчивости, по возможности был и самостоятелен в смысле возобновления и отличался от стихийного большей производительностью.
Необходимость сохранения и повышения устойчивости лесов требует общих усилий всех служб лесной отрасли, особенно служб охраны и защиты, лесовосстановления, лесопользования, лесоустройства.
Экологической основой мониторинга состояния лесов, т.е., главным объектом наблюдения, должен стать сам лес, его состояние, устойчивость и экологические показатели последних. Источникам неблагоприятных воздействий должна быть отведена роль активных участников динамических процессов, формирующих состояние природных экосистем (Григорьевская, 2003).
Все антропогенные изменения в природе можно разделить на две категории: преднамеренные и попутные. Примером преднамеренных преобразований может служить освоение земель под сельскохозяйственные культуры или многолетние насаждения, сооружение водохранилищ, строительство населенных пунктов, промышленных предприятий, путей сообщения. Попутные изменения - это изменения газового состава атмосферы, загрязнение окружающей среды, обеднение видового состава животного мира, развитие эрозионных процессов почвы и др. Большая часть попутных изменений в природе неизбежна. Задача заключается в том, чтобы свести их к минимуму или найти решение, полностью устраняющее некоторые виды негативных процессов.
Разделение антропогенных изменений на две категории - преднамеренные и попутные - по целенаправленности изменяющего фактора. Безусловно, это только один аспект возможной классификации, изучаемого явления. Существует целый ряд различных определяющих признаков, которые можно использовать для идентификации антропогенных изменений в природе. В частности, в антропогенных воздействиях на лес целесообразно различать постоянно действующие факторы и эпизодические или периодические. К первым можно отнести загрязнение атмосферы, изменение водоснабжения насаждений (создание водохранилищ или осушение), рекреационные нагрузки. Ко вторым - лесные пожары, вспышки энтомовредителей, лесохозяйственную деятельность.
Важнейшей экологической и социально-экономической проблемой современности является охрана природы, лесных экосистем от отрицательных антропогенных факторов в промышленно-развитых районах, каковым и является Центрально-Черноземный экономический район. Основным посредником между средой городов и естественными ландшафтами является растительность пригородных зон (Григорьевская, 2000). Пригородная растительность непосредственно участвует в оздоровлении окружающей среды городов. Ведущая роль в этом принадлежит лесным насаждениям. Всесторонний контроль за состоянием лесных насаждений, оценка антропогенного воздействия, поиск путей повышения устойчивости и продуктивности пригородных лесов являются актуальной задачей сегодняшнего дня.
ЦЕНТРАЛЬНАЯ ЛЕСОСТЕПЬ: ДИНАМИКА КЛИМАТА, ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ
ЦЕНТРАЛЬНАЯ ЛЕСОСТЕПЬ: ДИНАМИКА КЛИМАТА, ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ
Зона лесостепи характеризуется сравнительно теплым и сухим климатом. В целом климат района можно отнести к умеренно-континентальному, причем континентальность усиливается к юго-востоку (Бевз и др., 1965). Зима в ЦЧР обычно мягкая, но с устойчивыми морозами. Часты метели и гололед (25-30 дней). Устойчивый снежный покров в Цнинском массиве появляется 22-25 ноября, в Усманском и Хреновском борах 4-15 декабря. Число дней со снежным покровом ПО на юго-западе (Белгородская обл.) и 140 на северо-востоке (Тамбовская обл.) региона. Высота снежного покрова 20-30 см. В отдельные годы в лесостепи снежный покров отсутствует или характеризуется чрезвычайной неустойчивостью. В апреле снежный покров сходит. Запасы воды в снежном покрове определяются в 100-125 мм, местами 40-150 мм. Весной переход среднесуточной температуры через 0С в районе г. Воронежа наблюдается 1 апреля. Наступление среднесуточных температур выше +5С в г. Воронеже, Курске и Тамбове отмечено в среднем 13-14 апреля, а температуры выше +15С - 18-20 мая. Средняя длительность периода со среднесуточными температурами воздуха выше +5С в г. Воронеже составляет 195 дней, а выше +15С - 87 дней.
В г. Воронеже метеорологические наблюдения начаты в 1861 году. В настоящее время опорной метеостанцией г. Воронежа является метеостанция аг-роуниверситета основанная в 1918 г. Её географические координаты: 51 40 с.ш., 39 13 в.д., высота над уровнем моря 150 м. По данным многолетних наблюдений метеостанции «Воронеж» (1862-1996 гг.) основные элементы климата характеризуются следующими показателями. Среднегодовая температура воздуха: +5,6С, абсолютный минимум температуры: -38С, абсолютный максимум: +41С. Среднемноголетняя температура января: -9,6С, июля: +19,9С. Среднегодовое количество осадков (за весь период наблюдений) составляет 520 мм, однако оно характеризуется большой неустойчивостью и колеблется в отдельные годы от 263 мм (1891 г.) до 845 мм (1980 г.) (табл. А. 1 Приложения А).
За вековой период наблюдений минимальное количество осадков (мм) отмечалось в следующие годы: 1891 (263), 1895 (305), 1911 (333), 1921 (364), 1924 (364), 1934 (356), 1938-1939 (380-382), 1946 (334), 1949 (332), 1971 (401), 1984 (422). Годы с наиболее обильными осадками (свыше 700 мм): 1881 (767), 1912 (737), 1915 (708), 1919 (716), 1980 (845), 1989 (733), 1990 (763).
По данным других метеостанций ЦЧР, среднегодовые показатели осадков изменяются от 550-600 мм на севере и в центральной части, до 450-500 мм на юго-востоке (табл. А.2, А.4, А.6 Приложения А). В среднем около половины годовой суммы осадков и более выпадает в летние месяцы, но по вегетационным периодам отдельных лет также наблюдается неравномерность (табл. A3 Приложения А). Среднемноголетнее количество осадков за вегетационный период (t 5С) по метеостанции «Воронеж» составляет 307 мм (рис. 2.1.1).
По средним показателям климатические условия лесостепной зоны достаточно благоприятны для произрастания древесной растительности (Рубцов, 1966), однако неустойчивый характер увлажнения, типичный для этой зоны, может периодически вызывать для растительности весьма неблагоприятные последствия. Наибольшее отрицательное влияние могут оказывать засухи и суховеи.
Объективным показателем увлажнения в регионе и повторяемости атмосферных засух является гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (ГТК), этот показатель служит также для объективной оценки климатических условий природных зон. Рассчитанный нами ГТК за период май-сентябрь (табл. А.5 Приложения А), по многолетним данным метеостанции «Воронеж» равен 0,91 (ГТК 1), что говорит о некоторой засушливости в ЦЧР.
Засухи в ЦЧР повторяются 2-3 раза в десятилетие. Особенно сильные засухи отмечены в 1889, 1891-1893, 1895, 1921, 1924, 1938-1939, 1946, 1963, 1971-1972, 1984 гг. (Таранков, Лазуренко, 1990). Относительная влажность воздуха в среднем за многолетний период по данным метеостанции «Воронеж» составляет 74 % (Климат Воронежа, 1986).
Достоверность исследований (математико-статистический аппарат исследований)
Точность учета радиального прироста древостоев.
Для уменьшения индивидуальных различий в изменчивости ширины годичных колец, обеспечения возможности статистической обработки полученного ряда и для определения средней ширины годичных колец с заданной точностью (для обеспечения статистической достоверности результатов исследований) следует установить необходимое количество учетных деревьев (образцов древесины).
Достоверными результатами следует называть такие результаты выборочного исследования, которые совершенно определенно оценивают генеральный параметр (Плохинский, 1970, стр. 30). Т.е., в нашем случае, средняя арифметическая ширина годичного кольца, за каждый год, рассчитанная по количеству образцов N должна достоверно отражать среднюю ширину годичного кольца всего обследованного древостоя. Необходимое число образцов для достоверного установления средней ширины годичного кольца в древостое с заданной точностью можно рассчитать по формуле (Дударев и др., 1978): N = tst2-CV2/P2, где
N - необходимое число образцов (спилов, кернов);
CV - коэффициент варьирования ширины годичных колец в древостое;
Р - заданная точность исследования (в биологических исследованиях принято считать приемлемой для практических целей точность исследований 10%);
tst - показатель надежности (критерий Стьюдента), определяемый в зависимости от установленного (заданного) критерия вероятности безошибочных прогнозов (Р) (табл. 3.2.1):
Для заданной 10 %-й точности исследований, при вероятности Р = 0,95, необходимое число образцов (N) зависит от коэффициента варьирования ширины годичных колец (CV) (табл. 3.2.2):
Проведенные нами исследования (Матвеев, 1994; 2001; 2003) показали, что средний коэффициент варьирования ширины годичных колец в сосновых древостоях Центральной лесостепи составляет 30%: 15-25 %-в чистых одно-возрастных древостоях (40-45 лет) искусственного происхождения; 25-35 % 74 в естественных сосняках возраста 120-140 лет; до 42 % в древостоях, подверженных интенсивному аэротехногенному и рекреационному воздействию. Минимальное количество образцов древесины для обеспечения 10 %-й точности исследований (при вероятности 0,68 и среднем коэффициенте варьирования 30 %): N = 9.
Минимально необходимым количеством для обеспечения достоверности дендрохронологических исследований считают 10 образцов многие исследователи (Феклистов и др., 1997; Шиятов и др., 2000).
Исследования П.А. Феклистова, В.Н. Евдокимова, В.М. Барзут (1997) в сосновых насаждениях Архангельской области показали, что изменчивость радиального прироста в отдельные годы в древостое редко превышает 50 %. Изменчивость годичного прироста, выраженного в индексах - %, - еще меньше. Названные авторы рассчитали необходимое число учетных деревьев при коэффициенте изменчивости 50 % и вероятности 0,9. Оказалось, что при установлении прироста древостоя в относительных величинах (индексах - %) требуется приблизительно в два раза меньше учетных деревьев для получения одной и той же точности расчета (табл. 3.2.4).
Для получения прироста древостоев (в индексах - %) с точностью 10 % при вероятности 0,9, достаточно измерить его у 10-20 учетных деревьев, а для получения такой же точности в абсолютных величинах - у 45-50 деревьев.
Точность определения радиального годичного прироста в зависимости от количества учетных деревьев (числитель - точность учета в индексах - %, знаменатель - в мм) (Феклистов др., 1997)
Тип леса Число учетных деревьев 10 15 20 25 30 40 50 100 500
Сосняк мохо-во-ишайнико-вый 14,9 30,4 10,5 25,3 8,617,5 1А 15,2 62 13,6 6J.12,4 5Л 10,7 й2 9,6 ЗА6,8 1Л 3,0
Сосняк кус-тарничко-сфагновый 16,0 34,7 11,3 24,5 9 20,0 ш17,3 12 15,5 6 514,2 52 12,3 52 11,0 167,8 1Л3,5 Использование при расчете среднего годичного прироста древостоев 40-60 учетных деревьев для получения 10 % точности исследований чрезвычайно трудоемко, как на этапе отбора образцов, так и при проведении измерений. П.А. Феклистов, В.Н. Евдокимов, В.М. Барзут (1997) разработали способ учета годичного прироста древостоя по малому числу учетных деревьев, т.к. между приростом соседних деревьев наблюдается взаимосвязь: увеличение прироста одного дерева компенсируется соответствующим уменьшением прироста соседнего (Гортинский, 1971), предлагается изучать прирост соседних деревьев на круговых площадках (площадь 100 кв.м. - радиус 11,29 м). Количество учетных деревьев на круговых площадках колеблется от 8 до 14. Указанные авторы установили, что различия средних значений годичного прироста, рассчитанного по количеству учетных деревьев на круговых площадках и по 100 учетным деревьям, не достоверны. Таким образом, на малом количестве учетных деревьев (8-14) получена высокая точность прироста древостоя (около 6 %) в абсолютных величинах.
