Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса исследований 6
1.1 Исторические особенности аграрного освоения района исследований
1.2 Состояние исследований 14
Глава 2. Объекты и методы исследований 39
2.1 Физико-географические условия района исследований 39
2.2 Объекты исследований 44
2.3 Методы исследований 49
Глава 3. Особенности заселения залежи древесной растительностью и рост молодых древостоев
Глава 4. Возрастная динамика надземной фитомассы молодняков древесных пород на залежи
4.1 Фитомасса древостоев 75
4.2 Фракционная структура фитомассы древостоев 83
4.3 Возрастное изменение структуры побеговых систем и массы побегов и листьев у особей берёзы повислой
102
Глава 5. Возрастная динамика надземной годичной продукции молодняков древесных пород на залежи
5.1 Годичная продукция древостоев 102
5.2 Фракционная структура годичной продукции древостоев 109
Заключение 116
Список использованной литературы 120
Приложение 148
- Исторические особенности аграрного освоения района исследований
- Физико-географические условия района исследований
- Фитомасса древостоев
Введение к работе
Актуальность работы определяется:
значительным увеличением с начала 90-х годов XX века площади земель, исключенных из сельскохозяйственного использования в лесной зоне европейской территории России;
зарастанием этих земель древесной растительностью и постановкой вопроса о переводе их в лесной фонд;
слабой изученностью формирования молодняков древесных пород на бывших сельскохозяйственных землях, существенно определяющего ход лесообразовательного процесса в перспективе и, соответственно, систему мер, обеспечивающих выращивание высокопродуктивных древостоев.
Цель исследований - выявить закономерности формирования молодняков древесных пород на залежи в южной тайге Центра европейской части России (на примере Ярославской области).
Основные задачи исследований:
Выявить факторы, обуславливающие специфику заселения древесной растительностью залежных земель;
Изучить структуру и рост молодых древостоев с преобладанием в составе разных пород на залежи;
Дать сравнительный анализ и выявить закономерности возрастной динамики надземной фитомассы и годичной продукции таких древостоев;
4. Изучить особенности изменения структуры побеговых систем и
оценить роль побегов разных типов в формировании полога крон в молодняке
берёзы повислой, активно заселяющей залежи.
Научные положения, выносимые на защиту:
Выявленные (по данным стационарных исследований) особенности возрастной динамики структуры, роста, надземной фитомассы и годичной продукции древостоев, характеризующие в комплексе специфику формирования молодняков на залежах в южной тайге.
Научная новизна. Реализован комплексный подход к изучению формирования молодняков с учётом динамики основных показателей роста и развития древостоев. По материалам стационарных исследований получены новые данные о возрастной динамике структуры, роста, надземной фитомассы и годичной продукции молодых древостоев на залежи. Выявлены особенности изменения структуры побеговых систем и оценена роль побегов разных типов при формировании полога крон в молодняке берёзы повислой.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается значительным объёмом экспериментальных материалов, собранных в течение 8 лет, использованием современных методов обработки полученных данных, комплексным подходом к решению поставленных научных задач.,
Практическая значимость. Результаты исследований являются основой для разработки системы лесохозяйственных мероприятий на начальном этапе лесообразовательного процесса на залежах, направленной на выращивание высокопродуктивных древостоев с учётом целевого назначения лесов и региональных особенностей социально-экономических условий. Данные о динамике надземной фитомассы и годичной продукции молодняков могут использоваться в расчётах баланса углерода в соответствующих древостоях.
Личный вклад автора. Автор участвовал в выборе объектов и разработке методики исследований, закладывал пробные площади и вёл систематические наблюдения на них, проводил сбор, обработку и анализ полевого и литературного материалов.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 11 международных научных конференциях: второй международной конференции «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии», г. Пущино, 16-20.06.2003 г.; международной молодёжной конференции «Экология - 2003», г. Архангельск, 17-19.06.2003 г.; международной конференции «Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы», г. Сыктывкар, 15-18.09.2003 г.; международной научной
конференции (Первые Ржавитинские чтения) «Актуальные вопросы ботаники и физиологии растений», г. Саранск, 22-25.04.2004 г.; III международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов», г. Владимир, 28-30.09.2005 г.; V международной конференции молодых учёных «Леса Евразии - Уральские горы», г. Чебаркуль - Екатеринбург, 26-30.09.2005 г.; 3-ей международной научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий», г. Оренбург,24-27.05.2006 г.; 8-ой международной научно-технической интернет конференции «Лес-2007», веб-сайт , г. Брянск, 10.05 - 10.06.2007 г.; 7-ой международной научно-технической интернет конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития», веб-сайт , г. Брянск, 01-30.11.2007 г.; III международной конференции «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии», г. Пущино, 04-08.06.2007 г.; 9-ой международной научно-технической интернет конференции «Лес-2008», веб-сайт , г. Брянск, 10.05 - 10.06.2008 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 15 работах, в том числе две статьи - в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и заключения, списка использованной литературы из 250 наименований (в том числе 53 иностранных) и 3 приложений. Текст содержит 167 страниц, 9 таблиц и 20 рисунков.
Представленная работа является составной частью фундаментальных исследований, выполняемых лабораторией лесоводства и биологической продуктивности Института лесоведения РАН. По теме диссертации автору был присуждён грант «Фонда содействия отечественной науке» по программе «Лучшие аспиранты РАН» за 2005 год.
Исторические особенности аграрного освоения района исследований
В голоценовой период территория Нечерноземной зоны Европейской России характеризовалась почти полным господством лесной растительности, которая лишь в специфических гидрологических условиях уступала место другим типам природных угодий - болотам или заливным лугам (Осипов, Гаврилова, 1983). С момента появления человека в пределах лесной зоны Европейской части РФ господствовало утилитарное отношение человека к лесу. Лес рассматривался как угодья для сбора дикорастущих продуктов питания, охоты, заготовки топлива. У угро-финских народов такая форма «эксплуатации» леса сохранилась в остаточных формах до наших дней (Уткин, Гульбе, Гульбе, Гульбе, Ермолова, 2005). С момента поселения на рассматриваемой территории племён, образ жизни которых был связан со скотоводством и частично земледелием, в лесной зоне зарождается подсечно-огневая система земледелия. Она являлась одной из наиболее исторически устойчивых систем земледелия в лесной зоне. Расцвет её по данным некоторых авторов отмечался в конце I тысячелетия н.э. (Осипов, Гаврилова, 1983), но на Северо-Западе России она просуществовала вплоть до 30-х годов XX века (Осипов, Гаврилова, 1983). Подсека была единственным способом освоения новых лесных территорий. При подсечно-огневой системе земледелия под расчистку выбирали наиболее плодородные участки. С этого времени значение леса стало оцениваться плодородием лесных почв (Уткин, Гульбе, Гульбе, Гульбе, Ермолова, 2005). Механическая обработка почв при данной системе земледелия была минимальной, удобрения не вносились (Осипов, Гаврилова, 1983; Абатуров, 1996). Урожайность освоенных участков была высокой, но лишь первые 2-4 года (Осипов, Гаврилова, 1983; Абатуров, 1996). После истощения земли осваивался другой участок леса, а брошенный участок («ляда») или использовался для выпаса или сенокоса, или забрасывался вовсе (Советов, 1950; Осипов, Гаврилова, 1983; Уткин, Гульбе, Гульбе, Гульбе, Ермолова, 2005). Леса на заброшенных участках относительно быстро восстанавливались, и если учитывать очень невысокую плотность населения в то время, то масштабы трансформации лесной растительности Европейской части РФ под действием подсечно-огневой системы земледелия, по мнению большинства исследователей, были не велики. Существует и иная точка зрения. Так, И.С. Михайлов (цит. по: Осипов, Гаврилова, 1983, стр. 23) считал, что «подсека — это коренная переделка ландшафта. Обмен веществ в лесном биогеоценозе катастрофически нарушается. Органическое вещество, находящееся в растениях и гумусе, выгорало и минерализовалось. Отсутствие органического вещества и щелочная реакция усиливали процессы вымывания. Можно предположить связь процессов оподзаливания с подсечным земледелием». ,)
С увеличением плотности населения и сокращением пригодных для распашки невозделываемых площадей на смену подсеке в Северо-Восточной Руси пришла переложная система земледелия (Третьяков, 1932; Советов, 1950; Осипов, Гаврилова, 1983). При перелоге под расчистку использовали удобный для возделывания участок, который засевали зерновыми культурами в течение 6-8 лет. Затем некоторое время его использовали в качестве пастбища и сенокоса, а затем оставляли под зарастание лесом. Через 15-20 лет покрытый мелколесьем участок вновь начинали использовать. Таким образом, при, так называемом, лесном перелоге восстановление плодородия почв обеспечивалось оставлением её под зарастание лесной растительностью. Урожаи при этой системе земледелия были в 3-4 раза ниже, чем при подсечной системе, но использование возделываемой земли было более длительным и разнообразным. По мнению А.В. Абатурова (1996), наибольшие изменения в составе лесной растительности произошли именно при распространении переложной системы земледелия.
Рост плотности населения и необходимость интенсифицировать земледелие привели к замене переложной системы земледелия пропашной системой и, как вариант, трехпольной паровой системой земледелия, начиная с XIV века. Некоторые авторы (Осипов, Гаврилова, 1983) считают, что именно трехпольная система сразу пришла на смену подсечно-огневой системе. В Центральной России данная система занимала господствующее положение уже в XVI - XVII вв. (Осипов, Гаврилова, 1983). Основной проблемой при такой системе землепользования стало восстановление на обрабатываемых участках плодородия почв и поддержание высокого уровня урожайности, которая всё же была в 2-3 раза ниже, чем при перелоге (Абатуров, 1996). Восстановление плодородия достигалось путём применения «пара» в сочетании с мероприятиями по обработке и удобрению почв. При паре поле не засевали лишь лето, а уже осенью осуществлялась распашка, и участок засевали озимыми зерновыми. Таким образом, восстановления лесной растительности в данной системе не происходило. Забрасывались лишь участки, не пригодные по тем или иным причинам для ведения земледелия. Оставшиеся лесопокрытые площади использовались для выпаса скота, заготовки кормов и получения лесной продукции. В результате лесистость Центральных районов снизилась до 50% и менее (Абатуров, 1996). Менее всего процесс сведения лесов затронул ряд северных губерний' (Архангельская, Вологодская, Новгородская, Костромская и некоторые другие). К концу XVII в. лесистость Ярославской губернии, где расположены объекты исследования, составляла 52.7% и оставалась, примерно, на этом уровне до середины XVIII в. (Цветков, 1950, 1957). Продолжающийся рост плотности населения (в Ярославской области к 1897 г. она уже достигла уровня 26.3 чел.-км"2 (Цветков, 1950, 1957), при оптимальной - 25 чел. км"2 (Осипов, Гаврилова, 1983)) требовал дальнейшего увеличения площади сельскохозяйственных угодий, что достигалось за счёт стихийного массового сведения лесов. Этому также способствовало возникновение повышенного спроса на древесину. К 1914 г. лесистость многих губерний Европейской России снизилась до критического уровня, например, до 7.8% в Тульской губернии (Цветков, 1957). В Ярославской губернии в это же время лесистость составила 28.5%.
Физико-географические условия района исследований
Исследования проводились на базе стационара «Городище» Северной ЛОС Института лесоведения РАН (Угличский р-н, Ярославской обл., 5742' с.ш., 3834' в.д.). Объекты исследования расположены на угодьях ООО «Дружба» Угличского района и ООО «Дружба» Мышкинского района Ярославской области в левобережной части низовьев р. Юхоть и её притока р. Улейма, принадлежащих к бассейну Верхней Волги (рис. 2.1). Сельхозугодья здесь в основном представлены мелкоконтурными (5-10 га) участками внутри леса, но встречаются и более крупные участки угодий (до 15-20 га), которые примыкают к лесу. С начала 1990-х годов все угодья были выведены из-под сельскохозяйственного использования. Участки, на которых проводились исследования, в недавнем прошлом были пашней. В качестве пастбищ или сенокосов эти участки не использовались.
Климат Ярославской области умеренно-континентальный. Его формирование происходит под преимущественным влиянием влажных атлантических воздушных масс, что определяет относительно большое количество осадков, умеренно теплое и влажное лето, холодную зиму и ясно выраженные сезоны весны и осени. Средняя месячная температура воздуха самого холодного месяца года (января) - колеблется от -10.5С до -12.0С, а самого тёплого (июля) - от 17.5С до 18.5С. Абсолютный зарегистрированный минимум температуры воздуха -48С, а максимум - 37С (Краткий агроклиматический справочник ..., 1958; Осипов, 1982). Среднегодовая амплитуда температур составляет 27 — 30, а абсолютная 82 — 86.
Среднегодовая температура воздуха равна 3.2С. Среднемесячные температуры приведены в таблице 2.1. Положительные среднесуточные температуры устанавливаются во второй декаде апреля и держатся до начала ноября. Продолжительность периода с температурами выше 0 составляет 210 дней, с температурой 5С и выше - 170 дней, с температурой 10С и выше — 130 дней, а сумма положительных среднесуточных температур выше 10 равна 2000С (Краткий агроклиматический справочник ..., 1958). Продолжительность вегетационного периода составляет 165-170 дней. Максимальная величина суммарной солнечной радиации приходится на июнь, минимальная - на декабрь. Годовое количество суммарной радиации составляет 82.4 - 88.4 ккал/см , или 345 - 370 кдж/см в год (Осипов, 1982). Средняя продолжительность безморозного периода соответствует средней продолжительности периода со среднесуточной температурой воздуха 10С и выше и равна 130 дням. Наступление безморозного периода, по средним многолетним данным приходится на 10-20 мая, а прекращение - на третью декаду сентября, но с большими отклонениями в отдельные годы. Соответственно изменяется продолжительность безморозного периода.
Годовое количество осадков по району исследований составляет 500-600 мм (Краткий агроклиматический справочник ..., 1958). По уточненным данным метеостанции «Углич», среднегодовая сумма осадков равна 592 мм, её распределение по месяцам приведено в таблице 2.1. Относительная влажность в среднем составляет 59%. На вегетационный период (май-сентябрь) приходится 350 мм, или 59% годовой суммы осадков.
Устойчивый снежный покров устанавливается обычно в третьей декаде ноября. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом равна 140 дням. Максимальная мощность снежного покрова наблюдается к концу зимы, его высота 42 см, запасы воды в снеге составляют 112 мм. Снеготаяние начинается в среднем 25 марта и заканчивается 12 апреля. Средняя глубина промерзания песчаных и супесчаных почв составляет 52 см, а суглинистых -70 см, при максимальной соответственно 90-110 и 130-160 см. Полное оттаивание почвы происходит в среднем к 26 апреля.
Наибольшее отрицательное влияние на рост и развитие древесных растений оказывают зимние минимальные температуры, поздневесенние заморозки, засухи и сильные ветры более 15 м/сек (наблюдаются в среднем 10-15 дней в году). В целом климатические условия района являются весьма благоприятными для произрастания основных древесных пород, участвующих в формировании молодняков на неиспользуемых сельскохозяйственных землях в подзоне южной тайги.
Ярославская область находится в центре Русской равнины. По устройству поверхности Ярославская область представляет собой волнистую, местами заболоченную равнину, разделённую узкими полосами низин. Часто встречаются моренные холмы или гряды ледниковых форм. Район исследования расположен на правом берегу р. Волги, который геоморфологически относится к Молого-Шекснинской низине. Преобладающие абсолютные отметки поверхности - 140-150 м над ур. м. По разработанной Н.Г. Судаковой и Л.И. Базилевской (1976) классификации лессовидных пород Ярославского Поволжья, район исследования относится к озёрно-ледниковым или озёрным террасам валдайского возраста с отсутствием или маломощным покровом лёссовидных пород. Участки, на которых были заложены пробные площади, расположены преимущественно на 4-5-6-й террасах Молого-Шекснинского древнего озера. Поверхность террас значительно рассечена долинами рек и ручьев. Основные реки района исследований - р. Юхоть и её приток р. Улейма, принадлежащие к бассейну Верхней Волги.
Фитомасса древостоев
Как отмечалось в разделе 2.3, нами определялась фитомасса только надземной части древостоев. Поскольку на долю фитомассы подземной части древостоя приходится 16-28% (Поляков, 1973; Rytter, 1989, 1996; Lohmus, Mander, Tullus, Keedus, 1996; Uri, Lohmus, Tullus, 2003), то данные о надземной фитомассе позволяют объективно оценить полноту использования пионерными древесными породами потенциала экотопа при формировании лесных фитоценозов на залежных землях.
Березняки семенного происхождения характеризуются быстрыми темпами накопления надземной фитомассы (рис. 4.1а). Так, фитомасса 3-летнего древостоя семенного березняка (БК-1) равна 2.1 тта"1, в 4-летнем возрасте она составляет почти 6.0 тта"1, а в 10 лет - 37.8 тта"1 (табл. 2.1). Таким образом, за семилетний период надземная фитомасса таких древостоев возрастает более чем в 17 раз.
Основная масса органического вещества древостоев на бывших пашнях уже с раннего возраста аккумулируется в стволах деревьев. В 10-летнем возрасте масса стволов берёзового древостоя семенного происхождения (БЧ-1) достигает 29.6 тта"1, что примерно в 35 раз превышает значение этого показателя в 3-летнем березняке (БК-1). Темпы увеличения массы стволов в семенных березняках значительно возрастают, начиная с 4-летнего возраста (рис. 4.16).
Динамика массы скелета крон деревьев имеет следующие особенности. Масса скелета крон в семенных березняках возрастает более чем в 11 раз (с 0.39 тта"1 в 3-летнем древостое до 4.52 тта"1 в 10-летнем) (рис. 4.2а). Темпы увеличения массы скелета крон в семенных березняках возрастают, начиная с 4-летнего возраста.
Примечание - в числителе - весь древостой, в знаменателе - преобладающая порода
Если изменение фитомассы скелета крон в 4 года составляет 0.12 тта -год , то в возрастном интервале 8-10 лет оно возрастает более чем в 4 раза и достигает 0.50 тта"1-год"1. Масса аккумулирующих фракций (стволов, скелета крон) в семенных березняках в возрасте 3, 4, 7 и 10 лет составила 1.24, 3.98, 17.88 и 34.10 т га"1, соответственно.
В березняке порослевого происхождения за 5-летний период наблюдений (при возрасте древостоя от 2 до 7 лет) отмечается девятикратное увеличение надземной фитомассы. Порослевой березняк значительно опережает березняки семенного происхождения как по значениям надземной фитомассы, так и по темпам её накопления, однако по мере развития древостоя это превосходство снижается. Если в возрасте 3 лет по величине надземной фитомассы древостой на пробной площади БП-1 в 4.6 раза превосходил древостой семенного происхождения {БК-1), то в возрасте 7 лет надземная фитомасса порослевого древостоя, несмотря на его повреждение снегом, больше, чем фитомасса семенного (БЧ-1) уже в 1.7 раза. По всей вероятности, тенденция к сближению продукционных показателей берёзовых древостоев разного происхождения будет сохраняться и в дальнейшем.
Порослевой березняк (БП-1) также опережает семенные березняки по массе стволов, причём с возрастом различие между ними увеличивается. Так, в возрасте 3 лет разница между ними составляет 5.2, а в 7 лет - 11.9 тта"1. Темпы накопления органического вещества в стволах деревьев в березняке порослевого происхождения (БП-1) возрастают (с 4.15 тта"1тод"1 в 3 года до 5.91 тта"1-год"1 в 4-5 лет), достигая максимума, а к 7 годам они несколько замедляются, и изменение фитомассы стволов достигает значения 4.44 тта"1 год"1. Такое снижение обусловлено повреждением части деревьев навалами снега в конце 2003 года. Отметим, что наблюдения в 5-летнем порослевом березняке были проведены в 2003 г. до повреждения деревьев снегом.
Масса скелета крон березняка порослевого происхождения (БП-1) на начальном этапе развития увеличивается почти линейно до возраста 5 лет, опережая семенные березняки, но после повреждения части деревьев снегом темпы нарастания этого показателя снизились (рис. 4.2а). По темпам формирования кроны семенные березняки значительно уступают порослевым, о чём свидетельствует масса скелета их крон. В 3-летнем возрасте масса скелета кроны порослевого березняка в 4 раза превосходит этот показатель у семенного березняка (БК-1), в возрасте 7 лет - в 1.4 раза. В дальнейшем, по всей вероятности, разница между ними будет продолжать сокращаться.
Масса аккумулирующих фракций в порослевом березняке в возрасте 2, 3, 5 и 7 лет составила 2.52, 7.73,21.5 и 30.99 тта"1, соответственно.
В 6-летнем ольшанике (ОГ-1) масса стволов близка к величине этого показателя в семенных березняках (рис. 4.16). В возрасте 9 лет ольшаник (ОГ-2) занимает промежуточное положение между семенными и порослевыми березняками. Ольшаники в возрасте 10 и 13 лет (ОГ-3, ОЧ-1) по значению массы стволов приближаются к порослевым березнякам
