Содержание к диссертации
Введение
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
1.1 Многофункциональная роль защитных лесных насаждений в восстановлении и преобразовании степного ландшафта 9
1.2 Краткий обзор исследований взаимоотношений между древесной и травянистой растительностью в искусственных лесных фитоценозах 14
2 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 24
2.1 Географические особенности 24
2.2 Климатические условия 26
2.3 Почвенный покров 33
2.4 Растительный покров 36
3 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
3.1 Объекты исследования 41
3.2 Методы исследования 43
4 РОСТ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ 48
4.1 Ход роста древесных пород в полезащитных лесных полосах 48
4.2 Ход роста древесных пород в пастбищезащитных лесных полосах 65
5 СОСТОЯНИЕ ЖИВОГО НАПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ 72
5.1 Живой напочвенный покров в полезащитных лесных полосах разного породного состава 73
5.2 Живой напочвенный покров в полезащитных лесных полосах различной конструкции 79
5.3 Структура и динамика живого напочвенного покрова пастбищезащитных лесных полос 90
5.4 Определение разнообразия между местообитаниями с помощью коэффициентов сходства систематического состава флор 105
6 ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ТРАВЯНИСТОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ 111
6.1 Изучение взаимоотношений между древостоем и травянистой растительностью в защитных лесных насаждениях 112
6.1.1 Влияние травянистого покрова на ход роста древесной растительности в полезащитных лесных полосах 112
6.1.2 Влияние конструктивных особенностей искусственных лесных фитоценозов на фитомассу травянистой растительности 117
6.2 Зависимость надземной фитомассы травянистой растительности в защитных лесных насаждениях от метеорологических условий 123
ВЬІВОДЬІИ ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 129
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 132
ПРИЛОЖЕНИЯ 155
- Многофункциональная роль защитных лесных насаждений в восстановлении и преобразовании степного ландшафта
- Климатические условия
- Объекты исследования
Введение к работе
Искусственные лесные насаждения в степной зоне справедливо рассматриваются как своеобразные лесные биогеоценозы [168].
Среди факторов, определяющих свойства этих биогеоценотических систем, крайне важное значение имеют взаимоотношения между слагающими их синузиями. Многие неудачи в области выращивания защитных лесных насаждений (ЗЛН) в степи происходят из-за недоучета роли этих взаимоотношений в формировании и устойчивости насаждений. В аридной зоне искусственные сообщества древесных пород постоянно развиваются под угрозой вторжения синузий травянистых растений, выступающих мощными конкурентами древостоя в использовании влаги. Особенно часты случаи подавленного роста и гибели лесонасаждений вследствие конкуренции древесного и травянистого ярусов [16 ,67, 157].
Проведенные ранее исследования касаются в основном многофункциональной роли защитных лесных насаждений в сохранении и преобразовании степного ландшафта. Взаимоотношения древесных и травянистых растений в искусственных лесных фитоценозах - один из малоизученных вопросов жизни этих растительных сообществ. Взаимодействия растений в искусственных лесных сообществах весьма сложны и изменяются они по-разному в зависимости от экологических факторов среды, возраста, состава и структуры насаждения.
Исследование видового разнообразия и структуры травостоя защитных лесных насаждений необходимо для изучения растительных ассоциаций живого напочвенного покрова лесных полос, а также характера взаимоотношений между древесными и травянистыми растениями при совместном их произрастании в насаждениях.
Цель работы: исследование процессов формирования и закономерностей динамики травянистой растительности в защитных лесных насаждениях на территории Ширинской степи Хакасии.
Задачи исследования:
провести анализ состояния защитных лесных насаждений разного породного состава и конструкции;
изучить видовое разнообразие живого напочвенного покрова защитных лесных насаждений по экологическим группам, строению подземных органов, кормовой и лекарственной ценности;
выявить закономерности формирования и динамики травянистой растительности от породного состава, сомкнутости крон и конструкции защитных лесных насаждений.
Научная новизна.
На основе анализа живого напочвенного покрова защитных лесных насаждений по приуроченности видов к определенным экологическим группам проведена оценка состояния защитных насаждений. Изучена динамика травянистого яруса в защитных лесных насаждениях. Установлена роль породного состава и конструкционных особенностей защитных лесных насаждений в формировании и развитии травянистой растительности искусственных лесных фитоценозов, произрастающих в степных условиях.
На защиту выносятся следующие положения:
В аридных условиях Ширинской степи рост защитных лесных насаждений определяется почвенными условиями и конструкцией полос.
Видовое разнообразие, экологическая структура и степень развития живого напочвенного покрова лесных полос являются показателями состояния защитных лесных насаждений.
Породный состав, сомкнутость крон и конструкция защитных лесных насаждений оказывают влияние на степень развития и динамику накопления фитомассы травянистых растений.
Практическая значимость.
Результаты исследований могут быть использованы при проектировании защитных лесных насаждений в аналогичных условиях.
Оценка видового разнообразия живого напочвенного покрова в защитных лесных насаждениях позволяет выявить наличие ценных кормовых растений для использования в качестве дополнительного источника кормов.
Полученные результаты исследований строения подземных органов травянистых видов позволяют сделать рекомендации по уходу за искусственными лесными фитоценозами в степных условиях Хакасии.
Обоснованность выводов и достоверность результатов подтверждается достаточным объемом экспериментального материала, обработанного с применением вариационной статистики, дисперсионного и регрессионного анализов, с использованием современных информационных технологий; выводы основаны на достоверных результатах методов исследований.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на VIII и IX Международных научных школах-конференциях (Абакан, 2004, 2005); 11-й Международной научно-практической конференции (Томск, 2005); на четырех всероссийских научно-практических конференциях (Красноярск, 2003, 2004, 2005); на межрегиональной научно-практической конференции (Красноярск, 2003); на региональной научно-практической конференции (Красноярск, 2005); на научно-практических конференциях (Москва, 2002; Красноярск, 2004, 2005); на научно-методической конференции (Красноярск, 2005).
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Интеграция» в 2000-2004 гг., проект № Э0100 «Выращивание и формирование устойчивых лесных насаждений различного целевого назначения в аридной зоне Средней Сибири». Обзор литературных данных, экспериментальные исследования выполнены лично автором.
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ (3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, практических рекомендаций, библиографического списка и приложений. Изложена на 167 страницах, включает 38 таблиц, 36 рисунков, 6 приложений. Библиографический список состоит из 221 наименования, включая 14 источников на иностранных языках.
Многофункциональная роль защитных лесных насаждений в восстановлении и преобразовании степного ландшафта
Степные земли Сибири являющиеся одним из важнейших природных образований, так же как и земли юга и юго-востока Европейской части России подвержены воздействиям таких неблагоприятных природных факторов, как засухи и пыльные бури. Сельскохозяйственное освоение сибирских степей сопровождалось развитием ветровой эрозии почв.
Ветровая эрозия (дефляция) почв распространена во всех степных и лесостепных районах Минусинской впадины и в разной степени проявляется на всех типах почв. Более сильное разрушение поверхности почвы происходит на супесчаных, а также близких к ним по механическому составу связнопес-чаных и суглинистых почвах. Возникновению ветровой эрозии способствуют распаханность большой территории, засушливость климата, сильные ветры, слабая устойчивость почв к ним. После распашки, лишенные защитного покрова сухие и несвязные почвы легко подвергаются выдуванию. Происходит обеднение их физической глиной, питательными веществами, естественное плодородие быстро снижается [38, 56, 84, 183].
Ветровая эрозия возникает в результате взаимодействия воздушного потока с почвой. Поэтому в основе приемов, направленных на защиту почвы от ветровой эрозии, лежит снижение скорости ветра в приземном слое воздуха. Среди арсенала средств, обеспечивающих эффективное снижение скорости ветра и прекращение ветровой эрозии, главное место занимают защитные лесные насаждения [31, 56, 57].
Системы лесных защитных насаждений являются объектом многофункционального воздействия на окружающую среду, которые стабилизируют экологическую и биологическую обстановку, образуют устойчивые агроле-соландшафты. Лесные насаждения обеспечивают блокирование очагов дефляции, изменяют ландшафт, служат постоянно действующим противодеф-ляционным элементом, на протяжении длительного времени способствуют повышению урожаев сельскохозяйственных культур на смежных полях, защищая их от заноса мелкозёмом [32,129, 134].
Положительное влияние защитных лесных насаждений на элементы микроклимата и растительный покров межполосных пространств отмечали многие исследователи [2, 3, 4, 5, 31, 38, 56, 57, 58, 60, 68, 84, 100, 110, 129, 183, 208, 216]. Их влияние выражается в перераспределении биологического потенциала, изменении энергетических связей и сочетаний элементов биологического круговорота, существенных изменениях гидротермического режима, гидрологии, растительного и животного мира, трофических цепей и др. Эти качества защитных лесонасаждений и составляют сущность их мелиоративной работы.
Защитное действие лесных насаждений проявляется двояким путем -непосредственно и косвенно. При непосредственном действии насаждений в приземном слое воздуха снижается скорость ветра, косвенно улучшая всю микроклиматическую обстановку прилегающих территорий [22, 84, 112, 182].
Влияние защитных лесных насаждений на микроклимат межполосных пространств выражается, прежде всего, в изменении режима ветра [56, 68, 84, 131, 182]. Изучая ветроломные свойства лесных полос, многие исследователи пришли к выводу, что эффективность ветрозащитного влияния лесонасаждений зависит от скорости ветра, конструкций, ширины и высоты полос, состава древесно-кустарниковых пород, угла подхода ветра к полосе, поперечного сечения лесных полос и других факторов. Определяющую роль в распределении скорости ветра в межполосном пространстве играет конструкция лесной полосы [29, 57, 59,61, 183, 192]. Защитные лесные насаждения оказывают большое влияние на температуру и влажность воздуха. Изменение температуры воздуха под влиянием защитных насаждений определяется, главным образом, их конструкцией, временем суток, погодными условиями. Лесные полосы положительно влияют на влажность воздуха, за счет повышения абсолютной влажности и снижения температуры воздуха. Наибольшее увеличение влажности воздуха наблюдается в непосредственной близости к лесной полосе [5, 36, 84, 131].
В результате изменения скорости ветра и характера турбулентного обмена, температуры и влажности воздуха под влиянием защитных насаждений изменяется и испарение - самый важный показатель при определении засушливости климата, так как от него зависит баланс влаги [61, 84]. Максимальное снижение испарения под защитой лесных полос происходит в период суховеев. Все это оказывает положительное влияние на рост, устойчивость и формирование урожая травянистой растительности [69].
Исследованиями Е.С. Павловского [129] установлено, что система лесных полос оказывает существенное влияние на осадки. Создание лесных полос в сухостепной зоне способствует формированию положительного водного баланса территории [158].
Климатические условия
Г.Н. Высоцкий о климате наших степей писал, что он характеризуется: резкими условиями температуры, выражающимися в суровой зиме и жарком лете и в высокой амплитуде температурных колебаний, очень часто превышающей 20С; средним годовым количеством осадков всего в 200-500 мм (чаще от 300-400 мм) при сильном колебании в различные годы в ту или иную сторону от среднего; сильными ветрами преимущественно (особенно же зимой и весной) с восточной четверти горизонта, приносящими нередко очень сухой воздух (с относительной влажностью в теплые дни иногда менее 10 С); сильной испаряемостью, по большей части значительно превышающей в сумме годовое количество осадков [39].
Климатические условия аридной зоны, где расположены объекты исследования суровые. Климат степей Хакасии резко континентальный с холодной зимой и жарким летом. Для него характерны резкие колебания температуры и осадков. Амплитуда средних месячных температур воздуха в степной части 40-41 С, продолжительность безморозного периода от 80 до 120 дней. Годовая сумма осадков колеблется от 250 до 450 мм, причем 90% выпадает за теплый период (апрель-октябрь).
Климат формируется под влиянием ряда факторов: положения в пределах Алтае-Саянской горной страны в глубине Евразиатского материка, высоты местности над уровнем моря, разнообразия и расчлененности рельефа, почвенного и растительного покрова. Территория Хакасии получает большое количество солнечного тепла. Возникновение местных динамических процессов в приземной атмосфере во многом зависит от характера рельефа поверхности. Для Минусинской котловины характерен холмисто-увалистый рельеф, который обусловливает турбулентность воздушного потока [87, 137].
Одним из главных факторов, создающих «остров» сухих степей на территории Минусинской котловины, является совокупное влияние орографии с западными и юго-западными воздушными течениями. Воздушные массы, перемещающиеся на северо-восток, проникают в степь, преодолевая горную систему хребтов Кузнецкого Алатау и Западных Саян (рисунок 1). В результате влияния гор теплый фронт претерпевает деформацию, и западная часть Минусинской котловины получает незначительное количество осадков, что служит причиной засушливости этой территории. Перевалив через хребты, воздушные массы спадают в котловину в виде теплых сухих ветров - фенов [40, 87].
Большую роль в климатообразовании играет почвенный и растительный покров, главным образом через величину альбедо, процессы накопления и испарения влаги.
Континентальность климата области проявляется в резко выраженных изменениях температуры воздуха по сезонам года, месяцам и суткам. Зима устанавливается в конце октября - начале ноября, когда средняя суточная температура воздуха переходит через -5С, появляются устойчивые морозы и снежный покров. Котловинный рельеф способствует сильному выхолаживанию воздуха и господству низких зимних температур. Средняя температура января в степях равна от -18,8 до -21,5С. В феврале - марте суммарная радиация увеличивается в 2-4 раза по сравнению с январем. Радиационный баланс становится положительным. Температура воздуха повышается. Средняя месячная температура от марта к апрелю увеличивается в степной части на 12-13С. В конце апреля средняя суточная температура воздуха переходит через 5С. Продолжительность весеннего периода 40-50 дней.
Лето наступает в степных районах во второй - третьей декаде мая, когда средняя суточная температура воздуха переходит через 10 С. Продолжительность периода с температурой выше 10С в степных районах наибольшая и составляет 110-125 дней. Наиболее высокая температура наблюдается в июле -от 19 до 20С. Продолжительность периода с температурой воздуха выше 15С составляет 60-80 дней [87].
Объекты исследования
Исследования проводились в Ширинской степи республики Хакасия (село Селеноозерное, Ширинский район), на базе земель, принадлежащих в настоящее время акционерному обществу «Буденновское». Система защитных лесных насаждений различного целевого назначения заложена Институтом леса им. В.Н. Сукачева СО РАН. Объектами изучения были полезащитные лесные полосы из Betula pendula Roth, Pinus sylvestris L., Larix sibirica Ledeb., пастбищезащитные лесные полосы из Larix sibirica Ledeb. и естественный степной фитоценоз.
Для получения экспериментального материала были обследованы защитные лесные насаждения площадью 10,2 га, заложены 52 пробные площади и 312 учетных площадок.
Полезащитная четырехрядная полоса из березы повислой (Betula pendula Roth) заложена шахматным способом весной 1972 г. 2-летними сеянцами. Закладка велась по предварительно обработанной почве - чернозему южному перевеянному, маломощному легкосуглинистому с признаками солонцевато-сти, развитому на делювии пестроцветов. Размещение растений 6x2 м, с густотой посадки 833 шт. на 1 га.
Чистая по составу полезащитная лесная полоса из сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) размещается на границе между пахотными и пастбищными землями. Она заложена весной 1963 г. по сплошь обработанной почве, посадкой 2-летних сеянцев с использованием при посадке ручных инструментов по схеме 3x1 м. Сеянцы выращены из семян Минусинского лесхоза в местном питомнике. Весной 1964 г., на второй год после посадки, проведено дополнение (почти в 50% посадочных мест) там, где в течение зимы саженцы погибли из-за засекания хвои ветропесчаным потоком. В настоящее время рассматриваемый участок лесной полосы - трехрядное насаждение, созданное на примитивной перевеянной супесчаной незасоленной почве.
Полезащитная лесополоса из лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) состоит из трех рядов деревьев и одного ряда кустарника облепихи крушиновидной (Hippophae rhamnoides L.), посаженного с наветренной стороны полосы. Заложена полоса весной 1964 г. 2-летними сеянцами по схеме 3x1 м по сплошь обработанной почве, произрастает на развитой черноземо-видной супесчаной маломощной почве, слабо перевеянной, подстилаемой красноцветными делювиальными суглинками.
Полезащитные лесные полосы из лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) различной конструкции созданы осенью 1987 г. на южном черноземе малогумусном среднесуглинистом предварительно обработанном по системе черного пара. Лесная полоса плотной конструкции - четырехрядное насаждение, созданное посадкой 3-летних саженцев рядовым способом по схеме 4x1,5 м. Полоса диагонально-крупносетчатой конструкции создана посадкой 3-летних саженцев лиственницы сибирской по схеме 4x1,5 м и двух видов кустарников в наветренном ряду: караганы Бунге (Caragana bungei Ldb.) и караганы древовидной (Caragana arborescens Lam.). Лесная полоса шахматной конструкции - четырехрядное насаждение, созданное посадкой 3-летних саженцев в шахматном порядке по схеме 4x5 м.
Сеянцы березы повислой и лиственницы сибирской выращены из семян Сонского лесхоза в местном питомнике.
Пастбищезащитные лесные полосы из лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) заложены весной 1987 г. на перевеянных супесчаных почвах, в районе эолового городка. Обработка почвы производилась по системе двухлетнего черного пара. В наветренный ряд полос высажены двухлетние сеянцы караганы Бунге (Caragana bungei Ldb.), во второй ряд, в дно борозды проведена запашка 3-6-летних хлыстов ивы остролистной (Salix acutifolia Willd.), в третий и четвертые ряды высажены семилетние саженцы лиственницы си 43
бирской (Larix sibirica Ledeb.) с однократным поливом. Саженцы лиственницы сибирской выращены из семян Сонского лесхоза в местном питомнике. Схема размещения посадочных мест: 4x0,5 м Caragana bungei Ldb. и Salix acutifolia Willd.; 4x1,5 м Larix sibirica Ledeb. с густотой посадки лиственницы сибирской 1000 шт. на 1 га (общая густота посадки 2800 шт. на 1 га).
Степной участок находится между пастбищезащитными лесными полосами 18а и 19а. Почвы преимущественно перевеянные супесчаные. Флористический состав участка включает 32 вида. Экологический состав флоры: ксерофиты и мезоксерофиты - 50%, мезофиты - 35%, галофиты - 3%, мезо-психрофиты - 3%, ксеропетрофиты - 3%, ксерогигрофиты - 3%, гигрофиты -3%. Многовидовыми семействами являются здесь Asteraceae Dum. (7 видов), Fabaceae Lindl. (6 видов) и Poaceae Barnhart (3 вида). На участке основными эдификаторами являются: Stipa grandis P. Smirn., Galium verum L., Sphallero-carpus gracilis (Bess, ex Trev.). K. Pol., Scabiosa ochroleuca L. и Carex korshin-skyi Кот. Среди соэдификаторов обычны Artemisia scoparia Waldst. et Kit, Artemisia frigida Willd., Artemisia glauca Pall, ex Willd., Artemisia sieversiana Willd., Aster biennis Ledeb., Thermopsis lanceolata R. Br., Elytrigia repens (L.) Nevski и Galium aparine L. Проективное покрытие травянистой растительности 70-80%, максимальная высота травостоя 70-90 см.
