Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
1.1 Качественная структура дубовых насаждений 8
1.2 Дендроклиматические и дендрохронологические исследования на современном этапе 10
1.3 Роль лесов в решении проблемы парникового эффекта атмосферы 14
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ 30
2.1 Местонахождение 30
2.2 Климат 30
2.3 Рельеф. Почвы. Геология. 33
2.4 Гидрология и гидрография 36
2.5 Лесорастительные условия и лесной фонд 37
3. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ 39
3.1 Характеристика объектов исследований 39
3.2 Методика исследований 68
3.2.1 Закладка пробных площадей 68
3.2.2 Определение лесоводственно-таксационной характеристики объектов исследований 68
3.2.3 Выявление особенностей морфологической структуры 69
3.2.4 Дендрохронологический и дендроклиматический анализ 71
3.2.5 Расчет депонирования углерода 74
3.3 Объем выполненных работ 76
4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ И КАЧЕСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ДУБОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ 77
4.1 Морфологическая структура нагорных дубрав 77
4.2 Морфологическая структура дуба черешчатого в составе сосново-дубовых насаждений 81
4.3 Морфологическая структура пойменных дубрав 83
4.4 Морфологическая структура байрачных дубрав 87
4.5 Общие сравнительные характеристики различных типов дубовых насаждений 90
5. ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИЙ И ДЕНДРОКЛИМАТИЧЕСКИИ АНАЛИЗ В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ДУБОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ 96
5.1 Динамика радиального прироста в нагорных дубравах 97
5.2 Динамика радиального прироста в сосново-дубовых насаждениях 102
5.3 Динамика радиального прироста в пойменных дубравах 107
5.4 Динамика радиального прироста в байрачных дубравах 112
5.5 Дендроклиматический прогноз на 2005-2030 г.г по результатам анализа вековой и 11-летней цикличности активности солнца 117
5.5.1 Прогноз солнечной активности 117
5.5.2 Прогноз прироста дубовых насаждений 118
5.5.3 Прогноз прироста нагорных дубрав 119
5.5.4 Прогноз прироста дуба и сосны в составе сосново-дубовых насаждений 119
5.5.5 Прогноз прироста пойменных дубрав 120
5.5.6 Прогноз прироста байрачных дубрав 121
6. ЗАПАСЫ И ДЕПОНИРОВАНИЕ УГЛЕРОДА В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ДУБОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ 122
6.1 Депонирование углерода в нагорных дубравах 123
6.2 Депонирование углерода в сосново-дубовых насаждениях 125
6.3 Депонирование углерода в пойменных дубравах 127
6.4 Депонирование углерода в байрачных дубравах 130
6.5 Динамика погодичного депонирования углерода различными типами дубовых насаждений 134
6.6 Общие закономерности погодичного депонирования углерода характерные для всех типов дубовых насаждений и древостоев 135
6.7 Запасы гумуса и органического углерода в почвах различных типов дубовых насаждений 144
7. ДИНАМИКА РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ДУБОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ И УВЛАЖНЕНИЯ В ПРЕДЕЛАХ 11 -ЛЕТНЕГО ЦИКЛА ПО МЕТОДУ НАЛОЖЕННЫХ ЭПОХ 150
7.1 Сущность метода наложенных эпох 150
7.2 Динамика прироста в нагорных дубравах 152
7.3 Динамика прироста в сосново-дубовых насаждениях 157
7.4 Динамика прироста в пойменных дубравах 165
7.5 Динамика прироста в байрачных дубравах 166
ВЫВОДЫ 172
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 175
ПРИЛОЖЕНИЯ 198
- Дендроклиматические и дендрохронологические исследования на современном этапе
- Климат
- Морфологическая структура нагорных дубрав
Введение к работе
Актуальность темы. Глобальное потепление климата в результате парникового эффекта в атмосфере - реальное явление, которое доказано многими отечественными и зарубежными учеными. Депонируемый в лесных экосистемах углерод и определяющие его потоки поддаются регулированию, в силу чего леса следует рассматривать как надежный инструмент стабилизации концентрации углекислого газа в атмосфере.
Дубравы, преобладающие в Центральном Черноземье, в процессе фотосинтеза наиболее полно обеспечивают поглощение углекислого газа и выделение кислорода, являются эффективной природной системой для снижения парникового эффекта и формирования благоприятной окружающей среды.
Одним из объективных методов для оценки депонирования углерода лесными насаждениями в многолетней динамике является дендрохронологическии анализ. Выявление влияния климатических факторов на прирост древостоя и его циклическую динамику имеет важное значение для разработки основ прогнозирования в системе лесного мониторинга. Актуальность темы значительно возрастает в связи с недостатком данных по депонированию углерода дубовыми насаждениями в различных типах леса.
Не меньшее значение имеет изучение морфологической структуры дубрав, определяющей выход и товарность деловой древесины, а следовательно углерододепонирующую ценность насаждения.
Цель и задачи исследований. Целью работы является выявление циклической динамики прироста и дендрохронологических особенностей депонирования углерода в дубовых насаждениях Центрального Черноземья. В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
Выявление морфологической структуры естественных популяций дуба черешчатого.
Определение особенностей циклической динамики прироста древосто-ев.
Разработка принципов прогнозирования прироста дубовых древостоев.
Изучение показателей биологического круговорота углерода различных типов дубовых насаждений.
5. Рассмотрение дендрохронологических особенностей депонирования
углерода в дубовых насаждениях.
Научная новизна работы. Изучена морфологическая структура естественных популяций дуба черешчатого в различных типах леса. Проведен денд-рохронологичекий анализ дуба черешчатого в нагорных, пойменных, байрач-ных дубравах и сосново-дубовых насаждениях. Определена сравнительная цикличность прироста дендрохронологических рядов дуба черешчатого и сосны обыкновенной. Составлен прогноз радиального прироста дуба на ближайшие 25 лет. Выявлены дендрохронологические особенности депонирования углерода в различных типах дубовых насаждений. Определены количественные показатели поглощения углекислого газа и выделения кислорода дубовыми насаждениями. Выявлены закономерности динамики прироста дуба и увлажнения в пределах 11-летнего цикла солнечной активности.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы при ведении и планировании системы лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности, качественной структуры и устойчивости дубрав с учетом их углерододепонирующих функций. Особенности динамики прироста насаждений в связи с фазами солнечной активности можно использовать при определении времени и интенсивности рубок ухода в дубравах. Результаты работы могут найти широкое применение в системе экологического мониторинга дубовых лесов Центрального Черноземья.
На защиту выносятся:
Динамика и цикличность радиального прироста дубовых насаждений.
Запасы углерода в дубовых насаждениях.
3. Погодичное депонирование углерода в дубовых насаждениях.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион
ной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на заседаниях ка-
федры лесоводства, а также на конференциях: «Исследования молодежи - экономике, производству, образованию», «Лесной комплекс: состояние и перспективы» (Сыктывкар, 2006), «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, ВГЛТА, 2005), «Вузовская наука региону» (Вологда, 2005), «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2006).
Личное участие автора. Состоит в выборе и закладке пробных площадей, проведении работ по сбору, анализу, обобщению экспериментального материала и написании диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка используемой литературы и приложений. Общий объем составляет 261 страницы, в том числе 52 рисунка, 23 таблицы и 64 страницы приложений. Список используемой литературы содержит 242 наименования, из которых 24 на иностранном языке.
Дендроклиматические и дендрохронологические исследования на современном этапе
Дендроклиматические исследования на современном этапе приобретают все возрастающую актуальность, в связи с грядущим изменением климата. Этой области дендроклиматологии посвящены работы: (Бельчинский, Петро-сян, 1995; Битвинскас, 1974; Евдокимов, 1980; Комин, 1993; Костин, 1963,1965, 1968; Мелехов, 1979; Таранков, 1990; Феклистов, 1978; Шиятов, 1979).
Выявление связей между приростом деревьев и метеорологическими элементами имеет большое значение для понимания биологических процессов и оценки экологических факторов, определяющих рост и продуктивность лесных сообществ.
Дендроклиматический анализ может быть использован при планировании и осуществлении многочисленных лесохозяйственных мероприятий (Таранков, 1990).
Динамика прироста насаждений в первую очередь зависит от колебаний климата, как наиболее активного фактора из комплекса условий произрастания лесов. По мнению климатологов эти колебания обусловливаются солнечной ак ) тивностью через механизм циркуляции атмосферы (Кац, 1960; Вительс, 1977; Эйгенсон, 1963).
Одной из основных характеристик солнечной активности являются числа Вольфа, их часто используют для сопоставления с различными биологическими процессами, в частности, с приростом древостоев (Оленин, 1974, 1976, 1977; Пугачев, 1975; Феклистов, 1978; Евдокимов, 1980).
Анализируя воздействия климата, М.П. Скрябин (1946) выяснил, что во влажных условиях (Дз) произрастания у дуба уменьшается толщина годичного кольца во влажный период и увеличивается в периоды сухие. Затем было выявлено, что ход радиального прироста, при равных условиях у дуба различного возраста (60 и 160 лет) аналогичен. Кроме того, на прирост дуба оказывает влияние целый ряд других биотических и антропогенных факторов (Вихров, Енькова, 1953).
В нагорных дубравах для прироста позднораспускающейся фенологической разновидности большее значение имеют летние осадки, ранораспускаю-щейся-осенне-зимние. Прирост дуба изменяется в зависимости от степени увлажнения почвы (Миленин, 1997).
Дендроклиматические исследования были проведены в основных типах ЛРУ (В2, В3, Сг, Дг, ДзП, Е2) в дубовых насаждениях. Особенности прироста изучались в нагорных, пойменных, байрачных дубравах и сосново-дубовых насаждениях.
Особенности прироста дуба черешчатого, в зависимости от влияния различных метеорологических элементов изучали многие исследователи (Раскатов, 1948; Костин, 1963, 1965, 1968; Молчанов, 1976, 1978; Ефимов, 1967, 1974; Битвинскас, 1974). Для изучения влияния колебаний климата на толщину годичных колец рекомендуют использовать не абсолютные показатели, а относительные индексы ширины годичного кольца. А.С. Алексеев (1990), рассматривая методические вопросы дендроэкологического анализа, изучил возможность использования ширины годичного кольца как индикатора продуктивности деревьев и древостоев. Выявлено, что на ранних стадиях роста деревьев и древо-стоев взаимоотношения между шириной годичных колец и климатическими факторами проявляются слабо.
Радиальный годичный прирост в большей мере зависит от суммарных осадков за год, чем за отдельные месяцы. Наиболее сильно он связан с суммарными осадками за май-август. Наибольший эффект дают осадки июня т.е. в период максимального светового дня (Алесковский, 1982).
Одним из методов познания климата прошлого и прогнозирования его изменений в будущем является дендроклиматология, изучающая зависимость ширины годичного кольца от климатических факторов. История развития дендрохронологии и дендроклиматологии в нашей стране и за рубежом, анализ работ в этом направлении и задачи стоящие перед дендроклиматохронологией, освещены рядом исследователей (Битвинскас, 1974; Молчанов, 1976, 1978; Матвеев, 2003,2004; Маликов, 2000).
В ранний период развития дендрохронологических исследований они проводились в экстремальных условиях произрастания леса, где основным лимитирующим фактором является температура (Шиятов, 1979; Ловелиус, 1979) или увлажнения (Мухамедшин, 1966; 1967).
Дендрохронология базируется на хорошей «памяти» деревьев, образующих лесные экосистемы, которые в структуре, химическом составе и размерах годичных колец прироста четко фиксируют все изменения, происходящие как внутри системы, так и во внешних условиях, определяющих их развитие (Комин, 1993).
Исследования П. Б. Раскатова, (1948), Ю. П. Ефимова (1974) свидетельствуют о том, что на прирост дуба, кроме климата, оказывают существенное влияние множество других абиотических, биотических и антропогенных факторов.
По динамике структуры годичных колец показана принципиальная возможность восстанавливать изменения в прошлом метеорологических факторов (Терсков, 1981).
В лесостепной дубраве отмечалось прекращение прироста в конце августа в связи с использованием к этому времени доступной влаги из почвы. Основным фактором, определяющим продуктивность дубрав, является запас доступной влаги в корнеобитаемом слое почвы, а осадки и температура имеют меньшее значение (Самилек, 1978).
Климат
Одним из важнейших критериев устойчивого развития любого региона, обеспечения надежной экологической безопасности является сбалансированность потоков углерода в природной среде. Круговорот этого элемента лежит в основе происходящих в биосфере генеральных процессов функционирования живой материи, синтеза и деструкции органического вещества .Расчет баланса углерода в окружающей среде как при малом (биологическом) ,так и большом (геологическом) круговоротах невозможен без оценки накопления его в так называемых резервных фондах. На суше одним из таких фондов, относящихся к категории обменных, являются леса (Базилевич, 1993; Молчанов, 1971).
Накапливаемый в лесных экосистемах углерод и определяющие его потоки поддаются регулированию, в силу чего леса следует рассматривать как надежный инструмент управления важнейшими процессами биосферы. При оценке законсервированного в лесах углерода традиционно рассчитывают их фитомассы. Исходят из широко известного факта, что масса углерода хорошо коррелирует с абсолютно сухой массой органического вещества. По существу выявление запасов углерода в растительности экосистем переходит в плоскость установления запасов их фитомассы (Родин, Базилевич, 1965; Степочкин, 2003).
Запас углерода в лесном фонде любой территории складывается из его запасов в массе: лесной растительности на лесных покрытых лесом площадях, остатков древостоя, подроста, подлеска и живого напочвенного покрова, лесной подстилки.
Таким образом, запасы углерода в лесах определяются структурой земель лесного фонда и насаждений, их продукционным потенциалом. На покрытых лесом площадях запас углерода в экосистемах включает массу, сосредоточенную в древесине стволов, листве, ветвях и сучьях, коре, корнях, лесной подстилке (Уткин, 1970,1995).
Запасы и структура углерода на лесных землях в регионе постоянно изменяются под воздействием промышленных рубок, минерализации и дыхания лесных подстилок, минерализации порубочных остатков на вырубках, лесных пожаров, рекреационных нагрузок на лесные экосистемы; влияние перечисленных факторов неоднозначно и изменяется во времени, что существенно усложняет расчеты баланса, и снижает их достоверность (Заварзин, 1994; Исаев, 1994).
Накоплению углерода способствуют: продуцирование органики древо-стоями, нижними ярусами растительности, аккумуляция опада в лесной подстилке, накопление сухостоя, возобновление леса на вырубках, смена хвойных перестойных насаждений лиственными молодняками (Мокроносов, 1994; Ма-каревский, 1991).
Вынос углерода (и поступление его в атмосферу) происходит, в связи с рубками главного пользования, рубками ухода, утилизацией порубочных остатков, минерализацией лесной подстилки (дыхание почвы). Свой вклад вносит дыхание растительности, минерализация подстилки и усиленного дыхания почвы под влиянием рекреации, загрязнением атмосферы и почвы, и других не покрытых лесом площадей, а также смена перестойных насаждений молодыми при лесовозобновительных процессах после рубок леса (Карасева, 2002).
В настоящее время многие ученые отмечают значительную роль лесных экосистем в регулировании содержания углекислого газа атмосферы, что особенно важно для биосферы и человека. Увеличить депонирование атмосферного углерода, по мнению ряда авторов, можно, сохраняя леса и повышая их продуктивность, эффективность лесовосстановления, проводя реконструкцию непродуктивных насаждений (Исаев, Коровин, Сухих, 1995).
Сравнительная оценка депонирования углерода может проводиться по трем различным методикам: 1) определение запасов общей фитомассы фитоце нозов, расчет показателей аккумулирования углерода и его средней ежегодной продукции; 2) расчет скорости поглощения углекислого газа листьями через устьица по экспериментальным данным об интенсивности дыхания и фотосинтеза, размерах фотосинтетического аппарата, массе листвы или хвои на 1 гектар древостоя; 3) определение проективного содержания хлорофилла, или хлоро-фильного индекса, так как проведенные исследования М. А. Карасевой (2002) и литературные данные показывают, что продуцирование органической массы тесно связано с работой ассимиляционного аппарата, содержанием хлорофилла в листве или хвое и массе листвы или хвои на дереве. Наиболее точны два последних метода, но они более сложны в расчетах, поэтому наибольшее распространение получил первый метод определения депонирования углерода по фи-томассе фитоценозов (Моисеев, Алферов, Страхов, 2000).
Морфологическая структура нагорных дубрав
Нагорные дубравы представлены древостоями с участием ранораспус-кающейся и позднораспускающейся разновидностей дуба черешчатого порослевого происхождения. Доминирующее положение в нагорной дубраве занимают деревья средней силы роста и третьего класса продуктивности, доля их участия в древостое несколько больше половины от общего числа деревьев и составляет 54,2% для позднораспускающейся разновидности и 52,8% для ранораспускающейся фенологической разновидности дуба черешчатого. Доля участия в популяциях дуба деревьев сильного роста, относящихся к деревьям первого и второго классов продуктивности равна 18,2% для позднораспускающейся разновидности и 20,1% для ранораспускающейся разновидности дуба черешчатого. Доля участия деревьев слабого роста составляет 27,6% для позднораспускающейся разновидности и 27,1% для ранораспускающейся разновидности. Таким образом, соотношение деревьев по силе роста для ранней популяции дуба в порядке сильный, слабый, средний можно выразить как отношение 18,2 : 27,6 : 54,2 для позднораспускающейся разновидности или для ранораспускающейся разновидности или.
По результатам исследований в нагорной дубраве наибольшее число прямоствольных деревьев, наименьшее с коленчатой формой ствола. Для нагорной дубравы характерны следующие признаки деревьев: «хорошее очищение от сучьев», «смешанный тип ветвления», «толстые скелетные ветви», «острый угол отхода ветвей от ствола», «бороздчатый тип коры», «деловое качество ствола», «овальная форма кроны», «малое количество водяных побегов», «темно - коричневый цвет коры», «морозобойные повреждения», «слабое усыхание кроны»; из всех вышеперечисленных качеств ствола и кроны за основу взят максимум встреченных деревьев, выраженный в процентах, изученный на заложенных пробных площадях. Наиболее редко встречаемые деревья со следующими признаками: «коленчатая форма ствола», «плохое очищение от сучьев», «дихотомический тип ветвления», «средней толщины скелетные ветви», «средний угол отхода ветвей от ствола», «пластинчатый тип коры», «дровяное качество ствола», «шаровидная форма кроны», «множество водяных побегов на стволе», «светло-серый цвет коры», «повреждение вредителями», «сильное усыхание кроны». В таблице 4.1 приведена структура популяций фенологических разновидностей по качественным признакам ствола и кроны.
При анализе деревьев по категориям состояния по Н. Н.Селочнику (1987) установлено, что наименьшее число деревьев относится к 6 классу, наибольшее к 1 классу. Большинство деревьев без заметных признаков ослабления со здоровой кроной и стволом без повреждений, с сухими ветвями не более 25%.
Похожие диссертации на Депонирование углерода дубовыми насаждениями Центрального Черноземья
