Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ИЗМЕНЕНИЕ ФИТОЦЕНОЗОВ И ПОЧВ НА ВЫРУБКАХ 8
1.1. Изменение лесообразовательного процесса при рубках 8
1.2. Роль почвы в лесных экосистемах 12
1.3. Изменение почв при рубках леса 14
ГЛАВА II. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ФАКТОРОВ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В РАЙОНЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 28
2.1. Геологическое строение, рельеф и геоморфология 28
2.2. Климат 28
2.3. Почвы и почвообразующие породы 29
2.4. Растительность 31
ГЛАВА III. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 33
3.1. Объекты исследования 33
3.2. Методы исследований 35
ГЛАВА IV. ХАРАКТЕРИСТИКА ФИТОЦЕНОЗОВ И СВОЙСТВ ПОЧВ НА ВЫРУБКАХ РАЗНОГО ВОЗРАСТА И РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ЛЕСОСЕКИ СОСНЯКА 37
4.1. Контрольный участок (участок №1) 37
4.2. Вырубка 1994 года (участок №2) 56
4.3. Вырубка 1983 года (участок № 3) 67
4.4. Вырубка 1955 года (участок №4) 78
4.5. Почвенный покров трелевочного волока (участок № 5) и лесопогрузочной площадки (участок № 6) вырубки 1994 года 84 4.5.1. Морфологические и физико-химические свойства почв трелевочного волока и лесопогрузочной площадки 84
4.5.2. Влияние лесозаготовок на изменение экологических функции почв (трелевочный волок, лесопогрузочная площадка) 91
Глава V. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ФИТОЦЕНОЗОВ И СВОЙСТВ ПОЧВ В ПРОЦЕССЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЯ НА ВЫРУБКАХ 93
5.1. Закономерности изменения фитоценозов на вырубках зеленомошных сосновых лесов на южном пределе средней тайги 93
5.2. Закономерности изменения свойств почв на вырубках 96
5.3. Изменение почвенного органического вещества на вырубках 101
5.4. Влияние экологических факторов на содержание различных форм железа и алюминия в почвах 113
5.5. Влияние экологических условий на содержание и состав почвенных новообразрваний 123
Выводы 135
Литература 137
Приложение 162
- Изменение лесообразовательного процесса при рубках
- Геологическое строение, рельеф и геоморфология
- Объекты исследования
Введение к работе
5 Учитывая, что структурная целостность, функционирование и продуктивность биогеоценозов в значительной степени связаны и определяются свойствами почв, актуальным является выявление закономерностей их трансформации в процессе лесозаготовок.
Цели и задачи исследований: Цель работы заключалась в изучении изменения почв в процессе естественного лесовосстановления после проведения сплошно-лесосечных рубок. Задачи исследования:
Изучить пространственное варьирование морфологических и физико-химических свойств почв в сосновом биогеоценозе и на разновозрастных вырубках;
Выявить закономерности изменения морфологических и физико-химических свойств подзолов, сформированных на песках, подстилаемых моренными суглинками, в процессе естественного лесовосстановления;
Установить закономерности изменения гумусного состояния почв в процессе сукцессии растительности на вырубках;
Выявить состав и свойства железо-марганцевых новообразований в почвах хронологического ряда вырубок;
Охарактеризовать специфику морфологического строения и аналитических свойств почв наиболее нарушенных технологических элементов лесосек (трелевочный волок, лесопогрузочная площадка).
Научная новизна. Впервые для Республики Коми исследованы закономерности изменения фитоценозов и почв (подзолов, сформированных на двучленных отложениях) в процессе естественного лесовосстановления на участках сплошно-лесосечных рубок в подзоне средней тайги. Выявлен эволюционный тренд почв на вырубках, обусловленный сукцессионной сменой пород и изменением гидрологического режима территории. Дана характеристика техноземов поверхностно-турбированных и абраземов,
6 формирующихся на наиболее нарушенных технологических элементах лесосеки - трелевочных волоках и лесопогрузочных площадках.
Исследована динамика изменения гумусного состояния почв на вырубках. Показано, что переувлажнение почв на первых этапах сукцессии растительного покрова после рубки соснового древостоя обусловливает возрастание в составе гумуса доли наиболее «агрессивных» фульвокислот фракции ФК-1а и изменение растворимости гумусовых веществ. Установлено, что наиболее стабильным показателем гумусного состояния подзолов является величина отношения углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот. Выявлено, что усиление гидроморфизма почв на территории сплошно-лесосечных рубок сопровождается активизацией процессов мобилизации, сегрегации железа и конкрециеобразования. Отличительной чертой конкреционных форм почв молодых вырубок является возрастание в их составе доли крупных конкреций.
Практическая значимость. Получена хроногенетическая информация об измении подзолов на двучленных отложениях в процессе естественного лесовосстановления. Установлено, что в условиях средней тайги Республики Коми почвенный покров практически полностью восстанавливается через 50 лет после проведения сплошно-лесосечных рубок. Результаты данной работы могут быть использованы для прогнозирования лесоэкологических характеристик почв при проведении рубок главного пользования.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались на молодежной научной конференции «Севергеоэкотех» (Ухта, 2002); X Всероссийской студенческой конференции «Экология и защита окружающей среды» (Красноярск, 2003); X, XI, XII, XIII молодежных научных конференциях Института биологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар, 2003, 2004, 2005, 2006); XI, XIII международных конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов 2004, 2006»; международной конференции «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003); IV International Conference on Cryopedology (Архангельск,
2005); международной конференции «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно нарушенных ландшафтах» (Петрозаводск, 2005), международной конференции «Soil and water conservation under changing use» (Испания, Лейда, 2006).
Благодарность. Автор выражает искреннюю признательность научным руководителям Л.О. Карпачевскому, Е.М. Лаптевой, а также И.В. Забоевой, И.Б. Арчеговой, Г.А. Симонову за оказанные научные консультации. За всестороннюю помощь в выполнении анализов автор благодарен сотрудникам Института биологии Коми НЦ УрО РАН: инженерам отдела почвоведения и экоаналитической лаборатории Н.Е. Игнатовой, А.В. Котовой, Т.В. Зоновой,
Л.Ф. Акутинойі, Г.А. Забоевой, A.M. Естафьевой, СВ. Бакашкину.
Публикация результатов. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе одна статья в журнале «Лесоведение».
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 240 источников (из них 30 на иностранных языках), приложения. Работа изложена на 192 странице машинописного текста, содержит 51 таблицу (из них 19 в приложении), 44 рисунка (из них 3 в приложении).
Изменение лесообразовательного процесса при рубках
Республика Коми (РК) - это крупнейший регион страны, в котором сосредоточенно свыше 40 % лесопокрытой площади европейского севера России (Леса Республики..., 1999). На долю лесов в республике приходится 30 млн га или 78 % площади РК (Государственный доклад.., 2005). Они являются одним из основных природных богатств, как Республики Коми, так и России в целом.
Таежным лесам принадлежит важная биосферная роль: они выполняют климаторегулирующие, водоохранные, почвозащитные и другие природоохранные функции. Велика роль леса как накопителя углерода (Замолодчиков и др., 2005). По некоторым данным леса России аккумулируют около 218-Ю9 т углерода, из которых около 84 % приходится на углерод почвы (Уткин, 2001). Леса не только накапливают, но и регулируют углеродный и азотный циклы в биосфере, влияют на водный и температурный режим почв, обусловливают развитие почвообразовательного процесса и формирование профиля почв (Карпачевский, 2005). Лесные массивы играют ведущую роль в энергетических процессах биосферы, чутко реагируя на происходящие в ней изменения (Влияние антропогенных..., 1990).
Одним из ведущих факторов изменения лесов является хозяйственная деятельность человека. Причем в настоящее время степень антропогенного воздействия на лес настолько велика, что с нею не могут сравниться никакие изменения растительности, вызванные другими причинами. Леса РК испытывают все возрастающий антропогенный пресс на протяжении последних 300-350 лет (Ларин, Паутов, 1989). Однако до 50-х гг. XX века лесозаготовительная деятельность, как правило, не приводила к резким изменениям породного состава хвойных лесов. Это было обусловлено тем, что в довоенные годы проводились по существу только выборочные рубки, которые выполнялись вручную с использованием конной вывозки древесины.
Лесная обстановка на вырубках при этом практически не изменялась и хвойные фитоценозы продолжали функционировать по тем же закономерностям, которые выработались в течение длительной эволюции (Ларин, 1987). Начиная с середины XX века, ситуация в республике в корне меняется. Рост объемов лесозаготовок, использование современных средств механизации при сплошных концентрированных рубках леса привели к резкому возрастанию трансформирующего воздействия на лесные экосистемы Севера. В результате рубок ухудшилась структура лесного покрова, уменьшился запас древесины, на огромной территории РК произошла смена хвойных пород на лиственные (Ларин, 1987; Бабич и др., 1999; Лесное хозяйство..., 2000; Пручкин, 2002; Арчегова, 2003; Дегтева, 2005).
В настоящее время рубки стали главным фактором, обусловливающим лесообразовательный процесс в РК. На его характер значительное влияние оказывают технология лесосечных работ, сезон лесозаготовки, способ очистки мест рубок, качество и количество сохраненного подроста, оставленные источники обсеменения и т.д. (Львов и др., 1980). В Республике Коми восстановление лесов на вырубках осуществляется за счет естественного возобновления древесных пород на площадях вырубок (Ларин, 1987; Ларин, Паутов, 1989). Этот процесс складывается из предварительного возобновления (за счет подроста, сохранившегося в процессе лесосечных работ) и последующего, которое обеспечивается в результате самосева от семенников, семенных куртин, недорубов или стен леса. Заселение вырубок древесными породами - сложный и длительный процесс, обусловленный многими факторами: природно-климатическими условиями, типом леса, сохранностью подроста при лесоразработках, наличием семян и степенью воздействия на почву механизмов при лесосечных работах (Львов и др., 1980). Исходное количество и качество подроста под пологом леса является наиболее важным критерием для прогнозирования лесообразовательных процессов на вырубках. Однако при этом необходимо учитывать, что значительное количество подроста уничтожается при проведении лесосечных работ.
В результате изучения процессов формирования растительного покрова на вырубках в таежной зоне установлено, что на вырубках сосняков и ельников зеленомошных и долгомошных, составляющих основу лесосечного фонда европейского северо-востока России, происходит закономерная смена хвойных пород лиственными, которая усиливается при переходе от южной к северной тайге (Ларин, 1979; Ларин, Паутов, 1980; Паутов, Ильчуков, 2001; Ильчуков, 2003; Дегтева, 2005). Основную роль при восстановлении древостоя на вырубках играют береза и осина (Львов и др., 1980). Последующее возобновление сосны и ели без специальных мер содействия на вырубках зеленомошных и долгомошных типов леса протекает очень медленно (Ларин, Паутов, 1989). Таким образом, развивающиеся лиственные насаждения на вырубках представляют собой этап самовосстановительной сукцессии, наиболее характерной для лесов европейского севера (Ларин, 1979, 1989; Тюрин, 1982; Чибисов, 2000). В настоящее время, в связи с активной лесоэксплуатацией лесного фонда Республики Коми, на ее территории лиственные породы занимают до 77 % площади лесосек (Паутов, 1992).
Геологическое строение, рельеф и геоморфология
Район исследования находится на северо-восточной окраине Русской платформы, кристаллический фундамент которой перекрыт мощной толщей осадочных пород (Чернов, 1953). Современный рельеф сформировался в четвертичное время, особенно большое значение в его образовании имела деятельность экзогенных факторов: ледниковой и водно-ледниковой эрозии и аккумуляции. Формирование рельефа в ледниковый период не завершилось, оно продолжается и в настоящее время. Основные рельефообразующие факторы - денудационные процессы (речная эрозия, плоскостной смысл, выветривание), а так же процессы биогенной аккумуляции и антропогенный фактор (Апарин, 1975).
В геоморфологическом отношении объекты исследования располагаются на территории Вычегодской части Вычегодско-Мезенской равнины (Варсанофьева, 1953), основные морфологические элементы которой водораздельные плато с преобладающими высотами 80-200 м над у.м. (Варсанофьева, 1960). Равнина имеет общий уклон на запад и северо-запад (Забоева, 1975). Плоско-равнинный заболоченный рельеф междуречий в приречных пространствах переходит в увалистый и холмисто-увалистый в предгорьях Тимана и Северных Увалов (Варламов, 1953).
Район исследования расположен в южной части Республики Коми, которая относится к атлантико-континентальной климатической области (Алисов, 1956). В соответствии с агромезоклиматическим районированием Республики Коми (Воеводова, Втюрин, 1996), он находится в Сысола-Вычегодеком подрайоне Центрального района РК. Климат в районе исследования умеренно-континентальный. Он характеризуется коротким, прохладным летом и многоснежной, продолжительной и морозной зимой. Преобладание холодного арктического воздуха зимой и теплого континентального летом создает контраст температуры в годовом ходе (Агроклиматические ресурсы..., 1973). Среднегодовая температура +1С, июля +16.6С, января -14.9С (Научно-прикладной справочник..., 1989). По сравнению с другими районами РК, Сысола-Вычегодский подрайон характеризуется относительно хорошей теплообеспеченностью (Воеводова, Втюрин, 1996). Сумма биологически активных температур (выше +10С) составляет 1582С при продолжительности периода активной вегетации 106 дней. Весьма значителен период со среднесуточной температурой выше 15С -40-50 дней. Сумма температур выше 15С составляет 700-850С. Среднегодовое количество осадков варьирует от 700 до 800 мм, из них на долю теплого периода приходится 400-500 мм.
По температурному режиму почвы района исследований относятся к длительно сезоннопромерзающему типу (Димо, 1972). Оптимальными условиями обладают неширокие плоские вершины, отдельные возвышения и верхние их части, а также склоны южной и юго-западной экспозиции, где суммы температур воздуха выше 10 возрастают на 250-400С, а длительность безморозного периода увеличивается на 10-15 дней (Воеводова, Втюрин, 1996).
Согласно почвенно-географическому районированию (Руднева и др., 1981), данная территория входит в Луза-Сысольский округ подзолистых и болотно-подзолистых почв подзоны средней тайги. Она представляет собой пониженную, пологоувалистую, местами значительно расчлененную равнину, на которой моренные отложения перекрыты с поверхности маломощным покровом песков и супесей. В связи с этим здесь, на хорошо дренированных участках, основу почвенного покрова составляют почвы, сформированные на двучленных отложениях. В понижениях формируются торфянисто-подзолисто-глееватые почвы. В почвенном покрове слабо дренируемых центральных частей междуречий преобладают полугидроморфные торфянисто- и торфяно подзолисто-глееватые почвы. На широких (до нескольких километров) древнеаллювиальных боровых террасах, сложенных отсортированными кварцевыми песками, под мохово-лишайниковыми сосняками образуются железистые подзолы в сочетании по понижениям с торфянисто-глеевыми иллювиально-гумусовыми подзолами (Почвенно-мелиоративное..., 1990).
Двучленные (седиментационно-неоднородные) породы достаточно широко распространены на европейском северо-востоке России. В Республике Коми они занимают около 25 % территории (Забоева, 1975), а в ее южной части, где размещены объекты нашего исследования, до 50 % (Рубцов, 1989). В районе наших исследований двучленные отложения, в основном, приурочены к поверхностям с абсолютными высотами 130-200 м над у.м. Вопрос о генезисе двучленных отложений является одним из наиболее дискуссионных в почвоведении (Красюк, 1925; Самбук, 1927; Иванова, 1933; Герасимов, 1959, 1960; Трутнев, 1939; Рухина, 1960, 1973; Марченко, Варфаломеев, 1973; Апарин, 1975; Каверин, 2005). Однако, вне зависимости от генезиса, двучленность гранулометрического состава материнской породы обусловливает близкие закономерности в протекании почвообразовательного процесса, что приводит к формированию профилей, отличающихся от профиля почв, формирующихся на однородных почвообразующих породах.
Объекты исследования
Исследования проводили в южной части Республики Коми на южном пределе подзоны средней тайги (Приложение, рис. 1). В административном отношении рассматриваемый объект расположен на территории Прилузского района (рис. 3). В качестве объектов исследования нами были выбраны шесть участков, схема расположения которых представлена на рис. 4. К ним относятся «пасечные» участки разновозрастных вырубок: участок №1 - ненарушенный сосняк бруснично-зеленомошного (недоруб, оставшийся на территории лесозаготовок); участок №2 - «пасечный» участок вырубки 1994 года, на котором сформировался 10-летний березняк; участок №3 - «пасечный» участок вырубки 1983 года, на котором сформировался 20-летний березняк, участок №4 - 50-летний березняк, сформировавшийся после рубки в 1955 году. И техногенно-преобразованные участки, сформировавшиеся на вырубке 1994 года: участок №5 - лесопогрузочная площадка; участок №6 - трелевочный волок. Все выбранные участки находятся на одном высотном уровне в одинаковых геоморфологических условиях. Контрольный участок расположен рядом с вырубками и полностью соответствует последним по расположению в рельефе и типу растительности (дорубочным). Почвообразующей породой во всех случаях являются флювиогляциальные отложения, подстилаемые с глубины 40-50 см моренными суглинками. При проведении исследований использовали сравнительно профильно-генетический метод. На выделенных участках закладывали опорные разрезы для морфологического описания, отбора проб почв по генетическим горизонтам для физико-химических анализов и определения плотности сложения. Изучение пространственного варьирования морфологических свойств почв проводили траншейным методом. Траншеи протяженностью от 5 до 15 м закладывали на типичных для данных биогеоценозов (БГЦ) участках. Траншеи пересекали наиболее характерные для изучаемых БГЦ микрозоны с различными эдификаторами. Измерение мощности горизонтов проводили через каждые 10 см. Основное внимание было уделено верхним почвенным горизонтам - лесной подстилке АО и подзолистому горизонту А2, которые в первую очередь подвергаются различным воздействиям и активно реагируют на изменение экологических условий и смену эдификаторов. Лесоводственно-таксационное описание фитоценозов с спелом сосняке и 50-летнем березняке определено по ОСТ 596983, в молодняках по И.С. Мелехову (1980). Типы леса определены по В.Н. Сукачеву и СВ. Зону (1961). Для характеристики физических, химических и физико-химических свойств почв автором были выполнены следующие виды анализов в лаборатории отдела почвоведения Института биологии Коми НЦ УрО РАН: определение рН водной, солевой вытяжек и гидролитической кислотности -потенциометрически со стеклянным и хлорсеребряным электродами; содержание органического углерода - по Тюрину со спектрофотометрическим окончанием, обменные катионы - вытеснением NH4CI с последующим атомно-абсорбционным определением на Хитачи 180-60 (Воробьева, 1999); фракционно-групповой состав гумуса экспресс методом Кононовой-Бельчиковой (Пономарева, Плотникова, 1980); определение биологической активности почв на основе учета поглощения углекислого газа раствором щелочи (Аристовская, 1989), фитотоксичности верхних горизонтов почв -методом проростков с использованием в качестве тест-культуры семян овса (Орлов и др., 2002). В аккредитованной экоаналитической лаборатории Института биологии были выполнены следующие виды химического анализа: валовой химический состав почв и почвенных новообразований -рентгенфлуоресцентным (VRA-33) методом; валовое содержание органического углерода и азота в почве и новообразованиях - на CHNS-0 анализаторе ЕА-1110; гранулометрический состав - по Качинскому с диспергациеи и кипячением в присутствии NaOH; содержание оксалатрастворимых форм БегОз и AI2O3 (по Тамму) и дитионитрастворимых форм БегОз (по Мера-Джексону). Название почв и индексация генетических горизонтов приводится в соответствии с «Диагностикой и классификацией почв СССР» (1977), при идентификации антропогенно-трансформированных почв использованы принципы новой классификации почв России (2004).
Похожие диссертации на Изменение почв в процессе естественного лесовосстановления : на примере подзолов средней тайги, сформированных на двучленных отложениях
