Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 7
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РЕГИОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 42
2.1 .Местонахождение и площадь 42
2.2. Лесорастительная зона и климат 42
2.3. Рельеф и почвы 48
2.4. Гидрология и гидрография 56
2.5. Типы лесорастительных условий и типы леса 57
2.6. Биоэкологические особенности исследуемых пород 63
2.7. Растительность и животный мир 68
3. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКА РАБОТ 78
3.1. Закладка пробных площадей, их полекамеральная обработка и отбор образцов для дендрохронологического анализа 78
3.2. Методика дендрохронологических и дендроклиматических исследований 81
3.3. Объём выполненных работ 86
4. ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИЙ И ДЕНДРОКЛИМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДУБА СКАЛЬНОГО, ДУБА ГАРТВИСА, ЯСЕНЯ ОБЫКНОВЕННОГО И ГРАБА ОБЫКНОВЕННОГО 89
4.1. Дендрохронологический анализ в различных типах дубрав 89
4.2. Влияние температурного режима на прирост дуба 97
4.3. Влияние осадков на прирост дуба „.„ 99
4.4. Влияние гидротермического коэффициента на прирост дуба ... 108
4.5. Дендрохронологический анализ ясеня обыкновенного и граба обыкновенного 110
4.6. Дендроклиматический анализ ясеня обыкновенного и граба обыкновенного 115
5. СВЯЗЬ ДИНАМИКИ ПРИРОСТА С СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ 122
5.1. Влияние солнечной активности на прирост дуба скального и дубаГартвиса 122
5.2. Влияние солнечной активности на прирост ясеня обыкновенного и граба обыкновенного 137
6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРИРОСТА 150
6.1. Оценка достоверности при дендрохронологических и дендроклиматических исследованиях 150
6.2. Использование прироста по площади поперечного сечения и прироста по объему ствола в дендроклиматических исследованиях 159
6.3. Прогнозирование прироста 165
ВЫВОДЫ 175
ЛИТЕРАТУРА 179
ПРИЛОЖЕНИЯ 201
- Лесорастительная зона и климат
- Закладка пробных площадей, их полекамеральная обработка и отбор образцов для дендрохронологического анализа
- Влияние гидротермического коэффициента на прирост дуба
Введение к работе
з .
Актуальность темы. Одним го наиболее перспективных
направлений исследований в экологии является дендроклиматология, которая выявляет экологические факторы, влияющие на продуктивность древостоев, позволяет осуществлять биоиндекацию и прогнозирование состояния лесных экосистем, что имеет важное значение в мониторинге лесов. Решение этих вопросов весьма актуально для условий Северного Кавказа, леса которого характеризуются большим видовым и экосистемным разнообразием. Несмотря на интенсификацию дендроклиматологических исследований, экосистемы дуба скального и дуба Гартвиса до последнего времени оставались неизученными в этом отношении, что и определяло необходимость постановки данной темы.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является изучение многолетней динамики и цикличности прироста дуба скального и дуба Гартвиса в связи с климатическими факторами и разработка дендроклиматического прогноза в условиях Северного Кавказа
В задачи исследований входило:
-
Построение дендрохронологических шкал для основных условий произрастания в сухом, свежем и влажном типах леса дуба скального, во влажном для дуба Гартвиса и сопутствующих пород (ясеня обыкновенного и граба обыкновенного).
-
Выявление цикличности прироста и определение величины циклов различных порядков.
-
Изучение зависимости прироста от колебаний метеорологических факторов и солнечной активности.
-
Выявление индивидуальной реакции динамики прироста пород на изменение внешних факторов.
-
Составление прогнозирования прироста дубрав на ближайшие 10 лет.
Научная новизна заключается в том, что впервыей шювдлЗДо
СПетербурт к-$А
дендрохронологическое и дендроклиматическое исследование в дубовых насаждениях Северо-Западного Кавказа Выделены циклы динамики прироста различной величины, в том числе и близкие одиннадцатилетним солнечным. Определены лимитирующие факторы и степень зависимости динамики прироста от колебаний климатических факторов и солнечной активности в различных типах леса Установлены индивидуальные особенности радиального прироста исследуемых пород под влиянием внешних факторов. Составлен прогноз прироста до 2025 года
Практическая значимость. Стопятидесятилетний дендрохро-нологический ряд дуба скального позволяет сделать вывод о характере цикличности климата региона исследования с благоприятными и неблагоприятными периодами для роста в будущем. На основании этого можно вносить коррективы в объёмы рубок ухода, рубок главного пользования и величину лесокулыурного фонда Данные могут бьпь использованы при проведении мониторинга лесов района исследований.
На защиту выносятся:
-
Дендрохронологические ряды основных лесообразующих пород Краснодарского края.
-
Связь динамики прироста с метеорологическими факторами и солнечной активностью в различных эдатопах, его цикличность.
-
Прогноз динамики прироста
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Международных научно-практических конференциях (г. Воронеж, 25 — 27 сентября 2001 г.; Белгород, 5-6 ноября 2002 г.), на Всероссийской научно-практической конференции (г. Ульяновск, 18-19 ноября 2003 г.), на семинарах кафедры лесоводства ВГЛТА (1999-2003 гг.), а также опубликованы в сборниках материалов по итогам научно-исследовательской работы молодых учёных Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА, 2002,2003 гг.).
Личный вклад. Автором разработана программа и методика
5 исследований, выбраны объекты, собран, обработан и проанализирован экспериментальный материал, написана диссертация.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ и 1 работа находятся в печати.
Структура и объем рукописи. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка использованной литературы, приложений. Общий объем составляет 209 страниц, в том числе 40 рисунков, 30 таблиц и 9 страниц приложений. Список литературы содержит 212 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Лесорастительная зона и климат
Афипский лесхоз расположен на территории Северского района Краснодарского края на расстоянии 30 км к югу от города Краснодара. Протяженность территории с севера на юг 60 км, с востока на запад до 50 км. Лесхоз разделен на 7 лесничеств: Ильское, Убинское, Крепостное, Афипское, Ставропольское, Мирное и Шабановское. Общая площадь — 91337 га.
Пшишский лесхоз расположен в северной части Туапсинского района Краснодарского края, на расстоянии 70 км к юго-востоку от города Краснодара. Протяженность территории с севера на юг до 20 км, с востока на запад 50 км. Лесхоз разделен на пять лесничеств:: Афанасьевское, Пшишское, Шаумянское, Гунайское, Навагинское. Общая площадь: 79647 га.
Территория обоих лесхозов располагается в западном округе дубовых лесов (Алентьев, 1976). Округ занимает западную оконечность северного склона Большого Кавказского хребта. Восточной границей служат Пшехо-Пшишский; водораздел в направлении на Гойтхский перевал. На территории округа представлены два типа рельефа:: низкогорный, состоящий из небольших по высоте (до 600-900 м) горных складок и предгорный - пологохолмистый. Округ характеризуется теплым, сухим и свежим климатом в предгорной части и умеренно - теплым свежим климатом в низкогорной части. Количество осадков увеличивается с запада на восток и с севера на юг. Господствующее положение занимают леса с преобладанием дуба, на которые приходится 81% покрытой лесом площади. В округе выделяются два лесорастительных района: предгорный лесорастительный; район дубовых лесов и низкогорный лесорастительный район буково-дубовых лесов (рис. 2.1.).
Вся площадь Пшишского лесхоза находится в низкогорном лесорастительном районе буково-дубовых лесов. Рельеф горный, но горы невысокие. Основная часть территории располагается между 400-700 м над уровнем моря. Климат умеренно-теплый (табл. 2.1.) среднегодовая температура + 10,5С. Период с устойчивой температурой выше +10 С составляет 180-200 дней и характеризуется большим увлажнением в сравнении с предгорными районами. Среднегодовое количество осадков 1675 мм. Влажность воздуха 59 - 69 % в июле - августе, но бывают и засухи. Зимы короткие и малоснежные. Весьма характерной климатической особенностью района являются частые туманы осенью, зимой и ранней весной, которые при отрицательных температурах образуют ожеледи. Во время ожеледи деревья покрываются толстым слоем льда, который в силу своей тяжести производит поломки ветвей, сучьев, сваливает даже целые деревья, причиняя, таким образом, значительные повреждения целым участкам леса.
Благодаря разнице в атмосферном давлении, в горах порождается собственная система ветров «фенов», которые наблюдаются в холодное время года и сопровождаются падением относительной влажности, значительным повышением температуры и прояснением неба.
Дубовые леса образованы преимущественно дубом скальным (81%), который в зоне своего экологического оптимума ( 500-700 м ) занимает как северные, так и южные склоны, уступая наиболее затененные и увлажненные участки буку и грабу. Дуб черешчатый примешивается к дубу скальному на пологих склонах. Встречается дуб пушистый, который образует леса с участием дуба скального на сухих известковых склонах. На
богатых мощных аллювиальных почвах в долинах горных рек встречается дуб Гартвиса. Вместе с дубом, буком и грабом растет черешня, ясень, груша и клен полевой. В подлеске — азалия, кизил, лещина, кд н татарский, свидина, боярышник, клекачка, бересклет, шиповник. Наиболее: распространены влажные, свежие и свежеватые местообитания.
Афипский лесхоз своей территорией охватывает оба лесорастительных района, представляя все вертикально-зональное распределение растительности западного округа дубовых лесов. Предгорный лесорастительный район дубовых лесов с северной стороны ограничивается подножием гор, а южная граница проходит по заканчивающейся здесь гряде Скалистого хребта. Рельеф пологохолмистый до 300 м над уровнем моря. Характерны широкие балки и долины с узкими водоразделами. Годовое количество осадков по данным метеостанции Горячий ключ составляет 944 мм. Соответственно уменьшается увлажненность климата. Среднегодовая температура воздуха 11ДС. На вегетационный период, продолжительность которого 180-190 дней, приходится только половина выпадающих осадков. Климат теплый свежий (табл. 2.2.). К неблагоприятным факторам, отрицательно влияющим на развитие древесно-кустарниковой растительности вместе с ожеледью, следует отнести также сухие северо-восточные ветры, иссушающие летом почву. В жаркие летние месяцы почва теряет доступную для растений влагу. Периодически повторяющиеся летние засухи отрицательно влияют на рост древостоев, особенно на южных склонах, на мелких почвах. Район характеризуется господством дубовых лесов, 91 % покрытой лесом площади. До высоты 200 м над уровнем моря доминируют насаждения с преобладанием дуба черешчатого, выше — дуба скального. В районе наиболее распространены сухие, суховатые и свежие местооб итан ия.
Закладка пробных площадей, их полекамеральная обработка и отбор образцов для дендрохронологического анализа
Выбор объектов для закладки пробных площадей осуществлялся после предварительного реконгаосцировочного осмотра насаждений с преобладанием дуба, на территории таксаторского участка параллельно с лесоустроительными работами (1999 г. Пшишский лесхоз Афанасьевское лесничество, 2000 г. Афипский лесхоз Шабановское лесничество). Подбор осуществлялся с учётом охвата основных типов леса произрастания дуба скального и дуба Гартвиса в Краснодарском крае..
При лесоустройстве лесхозов Краснодарского края использовалась схема типов леса и лесорастительных условий, разработанная Кавказским филиалом ВНИИЛМ (1984 г.), в детальном виде она изложена в «Информации для заполнения карточек таксации IBM (СОЛИ-2) по объектам Краснодарского края» (2000 г.)- Пробные площади закладывались в соответствии с требованиями «Инструкции по проведению лесоустройства в лесном фонде России» (1995 г.) и «Рабочих правил по проведению полевых лесоустроительных работ» (1988 г.) для тренировочных пробных площадей.
Форма пробных площадей прямоугольная. Для определения румбов и направления прорубки граничных визиров использовалась буссоль Стефана. Ширина и длина периметра исследуемого участка измерялась мерной лентой. По углам устанавливались столбы. Схематический чертеж расположения пробной площади, с привязкой к квартальной сети, заносился в специальную ведомость, также как и другие данные замеров деревьев, подроста, подлеска и т. д. Размеры площадей устанавливались с учётом того, чтобы они включали в себя не менее двух сотен деревьев главной породы (дуба). Их размеры варьировали от 0.3 га в чистых насаждениях сухой дубравы до 1 га в сложных по составу пойменных дубравах.
Экспозицию склонов определяли при помощи буссоли, крутизну -высотомером SUUNTO ПМ 5. На пробных площадях мерной вилкой производился сплошной перечет по диаметру всех растущих деревьев с разделением их на деловые, полуделовые и дровяные стволы. Замеры высот выполнялись высотомером у не менее 25 деревьев разных диаметров для главной породы и 5 деревьев для сопутствующих пород. Глазомерно определялось происхождение большинства деревьев главной породы (семенное, порослевое). На специальных площадках производился перечет и замер подроста и подлеска. Для подроста определялась его благонадёжность. Для определения морфологического описания почв выкапывался почвенный разрез.
Одним из главных условий при выборе места закладки пробных площадей было обязательное их соседство в одном и том же выделе, с участком, делянкой, на которой производилась заготовка леса (главное пользование) в год обследования или за год до этого. Замеры высот, диаметров на середине ствола, протяженность бессучкововой зоны, кроны, а также возраст модельных деревьев производились по возможности во время лесозаготовки. Если деревья на делянке были свалены и вывезены за год до этого, то валка моделей производилась специально.
С пней, оставшихся после заготовки, на высоте 0.3 м от земли брались спилы для дендрохронологического анализа. Учитывалось, чтобы пни принадлежали деревьям, занимавшим доминантное положение в древостое, I - II, изредка III класс по Крафту. В насаждениях с произрастанием дуба скального брались спилы только с этой породы. В насаждении, с преобладанием дуба Гартвиса, помимо главной породы, образцы брались с ясеня обыкновенного и граба обыкновенного. Количество образцов для разных участков составило от 15 до 25 спилов. В лесу на спилах записывалась порода, номер модели, номер участка и год валки деревьев.
При полекамеральной обработке пробных площадей, помимо вышеперечисленных инструкции и рабочих правил, использовались «Таблицы для учёта лесосечного фонда основных лесообразующих пород Северного Кавказа» (2000 г.) и «Таблицы хода роста для основных лесообразующих пород Северного Кавказа». Методика получения таксационных характеристик подробно изложена в учебных пособиях (Лесотаксационный справочник, 1980; Лозовой, Гладышева, 1991 и др.).
По материалам ведомости сплошного перечета по ступеням толщины для каждой породы производился расчёт суммы площадей всех деревьев, на пробной площади и на 1 га, а также площадь сечения и диаметр среднего дерева. По таблицам объёмов стволов определялся запас, приходящийся на каждую ступень толщины, запас на пробе и запас на гектаре. По замерам высот высотомером и модельных деревьев, строился график зависимости высоты от диаметра. По вспомогательной таблице для определения площадей сечений и запасов насаждений Северного Кавказа по средней высоте и сумме площадей сечений на 1 га находилась полнота, приходящаяся на каждую породу и её запас на гектаре. По бонитеровочной шкале по средней высоте, возрасту и происхождению насаждения определялся бонитет. Общая полнота и запас насаждений находился путём суммирования этих показателей у всех пород представленных на пробной площади. Процент выхода деловой древесины и класс товарности определялся из отношения запаса деловой древесины к общему запасу насаждения.
Исходные данные о характере возобновления и подлеска были получены со специальных учетных площадок, расположенных конвертом (5 шт.) на пробе. Учитывался только благонадёжный подрост, его порода, высота и возраст. Определялось его количество на площадках и на гектаре,I состав, средняя высота и возраст. Также определялся породный состав и высота подлеска, а по его количеству густота.
Основные таксационные характеристики обследованных пробных площадей приведены в таблице 3.1.
Для всех пробных площадей количество подроста недостаточно для нормального возобновления леса, В сухом типе леса подлесок густой из азалии и боярышника, напочвенный покров редкий из овсяницы и мятлика. В свежем типе леса подлесок средней густоты из крушины, свидины и лещины, напочвенный покров средней густоты из ежевики, ясменника и марьянника. Во влажном типе леса подлесок средней густоты из лещины, боярышника и свидины, напочвенный покров редкий из осоки, копытня, сныти и марьянника.
Влияние гидротермического коэффициента на прирост дуба
В процессе жизни любой живой организм испытывает на себе влияние целого комплекса внешних факторов. Именно желание получить математическое выражение этого комплекса внешних условий, замедляющих или увеличивающих прирост деревьев, явилось причиной возникновения множества формул содержащих в себе различные соотношения отдельно взятых климатических факторов. Так Битвинскас в своей книге «Дендроклиматические исследования» (Битвинскас, 1974) приводит четыре формулы комплексного показателя. Остановимся на одной наиболее часто используемой другими авторами:
Как видно из таблицы 4.3 в сухом типе леса зависимость прироста от осадков по всем показателям выражена более сильно в сравнении с ГТК.
В свежем типе леса зависимость абсолютного прироста от осадков также теснее, а индексы прироста находятся в большей зависимости от ГТК. Так самая высокая корреляционная связь в этом типе леса (0,49) наблюдается между индексами позднего прироста и ГТК восьми месяцев, с декабря прошлого года по июль (рис. 4.8.).
Во влажном типе леса дуба скального, как и в сухом прирост древесины по диаметру по всем показателям находится в большей зависимости от осадков, чем от ГТК. Исключение составляет только май месяц, но величины коэффициентов корреляции здесь настолько малы, что говорить о какой-либо зависимости прироста от осадков и ГТК за этот период не приходится, и поэтому этим можно пренебречь.
Во влажном типе леса для дуба Гартвиса нельзя говорить, какой из метеорологических факторов, осадки или: ГТК, однозначно оказывает большее влияние на ширину годовых колец. Однако наибольшие коэффициенты корреляции проявляются при определении связи прироста с ГТК. Так самый большой из них (0,35) оказался между индексами позднего прироста и ГТК восьми месяцев, с декабря прошлого года по июль (рис. 4.9.). Гидротермический коэффициент, учитывая в себе как лимитирующую роль осадков, так и влияние температуры, является также важным метеорологическим фактором, оказывающим влияние на ширину годового кольца. Наибольшая корреляционная связь с этим климатическим показателем, по сравнению с осадками в свежем типе леса для дуба скального и во влажном для дуба Гартвиса выдвигает его на первое место по влиянию на радиальный прирост в определенных условиях произрастания.
Вместе с модельными деревьями дуба Гартвиса на одной и той же пробной площади, во влажных условиях, произрастания, для. того чтобы определить швдивидуальные особешюсти радиального прироста дуба на фоне других пород, брались спилы с пяти модельных деревьев ясеня обыкновенного и с пяти моделей граба обыкновенного.
Для ясеня был составлен дендрохронологический ряд протяженностью 72 года с 1929 по 2000 год (рис. 4.10.). Среднегодовой радиальный прирост составил 2,88 мм, а средний диаметр спила без коры на высоте 0,3 м от земли -41,5 см.
Для этой породы прирост ниже средней динамической нормы, определённой одшшадцатилетшш сглаживанием, приходится на 1929; 1932; 1934; 1935; 1938; 1940; 1942; 1946; 1950; 1952 - 1954; 1957; 1962; 1964; 1967; І969 - 1973, 1975; 1979 - 1983, 1986; 1990 - 1992; 1994 - 1997; 1999. К наиболее выдающимся минимумам можно отнести 1935 (1,1 мм), 1972 (2,3 мм) и 1986 (1,9 мм) годы. Прирост выше средней динамической нормы приходится на 1933; 1936; 1937; 1939; 1941; 1943 - 1945; 1948; 1949; 1951; 1955; 1956; 1958— 1961; 1963; 1965; 1966; 1968; 1974; 1976- 1978; 1984; 1985; 1987 - 1989; 1993; 1998 и 2000 годы. А годами с наиболее выдающимися максимумами можно назвать 1939, 1966 и 1988 годы.
Средняя продолжительность циклов первого порядка на графике индексов прироста составила 3,2 года, а циклов второго порядка составила 12,7 лет. Определить границы циклов третьего порядка у ясеня не позволяет величина дендрохронологического ряда.
Протяженность дендрохронологического ряда у граба обыкновенного составила 91 год с 1910 по 2000 годы (рис. 4.П.). Среднегодовой прирост по радиусу - 2,35 мм, а средний диаметр спила без коры - 42,8 см.
Прирост ниже динамической нормы пришелся на 1914; 1915; 1919 — 1924; 1928, 1929; 1936 - 1939; 1943; 1945; 1947; 1948; 1950; 1951; 1957; 1958; 1962 - 1964; 1968 - 1973; 1975; 1978 - 1988; 1994 - 2000 годы. К годам с наиболее выдающимся минимумам можно причислить 1923 (1,1 мм), 1936 (1,7 мм), 1981 (1,4 мм) и 1999 (0,6 мм) годы. Периоды, с ростом выше средней динамической нормы прироста 1910 - 1913; 1916 - 1918; 1925-1927; 1931 - 1935; 1940-1942; 1944; 1946; 1949; 1952-1956; 1959-1961; 1965 - 1967; 1974; 1976; 1977; 1989- 1993 годы. Годы с наибольшими максимумами прироста— 1956, 1966 и 1977.
Средняя величина малых колебаний для индексов прироста граба составила 3,8 года. Средняя величина циклов, связанная с солнечной активностью составляет 10,5 лет. Также можно говорить и о средней величине ещё больших циклов - 19 лет.
