Содержание к диссертации
Введение
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 9
1.1 Биологические особенности ивовых ценозов 9
1.2 Экологические особенности ивовых ценозов 11
1.3 Хозяйственное значение и применение ивовой биомассы 14
1.4 Степень изученности ивы в ЦЧР 17
1.5 Биомасса как источник энергии. Мировой
опыт создания биоэнергетических плантаций 18
1.6 Углерододепонирующая и кислородо-
продуцирующая функция лесных насаждений 21
1.7 Описание исследованных видов ивы *. 23
2 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1 Программа исследований 34
2.2 Методика исследований 35
3 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И УСЛОВИЙ ПРОИЗРАСТАНИЯ 41
3.1 Характеристика факторов среды в районе исследования 41
3.2 Краткая характеристика объектов исследования и условий их произрастания 43
4 СОСТОЯНИЕ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ИВОВЫХ ЦЕНОЗОВ 63
4.1 Распространение, состояние и экологическое значение ивовых ценозов в затопляемой пойме р. Воронеж 63
4.2 Распространение, состояние и экологическое значение ивовых ценозов в гидрографической сети 68
4.3 Продуктивность ив пурпурной и трёхтычинковой в прирусловой пойме р. Воронеж 69
4.4 Продуктивность ивы серой в различных условиях произрастания 77
4.5 Продуктивность плантационных культур Семилукского лесопитомника 83
5 УГЛЕРОДОДЕПОНИРУЮЩАЯ ФУНКЦИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ ИВНЯКОВ 90
5.1 Оценка углерододепонирующей и кислородо-продуцирующей функции естественных ивовых ценозов 90
5.2 Оценка углерододепонирующей и кислородо-продуцирующей функции плантационных культур 92
5.3 Энергетический потенциал биомассы 95
6. ПОДБОР ВИДОВ ИВ И ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПЛАНТАЦИЙ 99
6.1 Ассортимент видов ив 99
6.2 Технология создания биоэнергетических плантаций 100
6.2.1 Основная подготовка почвы 100
6.2.2 Подготовка посадочного материала 103
6.2.3 Густота посадки 108
6.2.4 Посадочные работы 108
6.2.5 Агротехнические уходы ПО
6.2.6 Удобрение и полив плантации *
6.2.7 Борьба с нежелательными породами 112
6.2.8 Борьба с вредителями и болезнями ивы 112
6.2.9 Эксплуатация плантации 114
6.3 Проектное решение 116
6.4 Экономическое обоснование 124
ВЫВОДЫ 130
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 132
Список используемой литературы 134
ПРИЛОЖЕНИЕ 147
- Биологические особенности ивовых ценозов
- Программа исследований
- Характеристика факторов среды в районе исследования
Введение к работе
Актуальность темы. Представители рода Salix L. способны давать большую продуктивность, но в процессе исследования установлена общая тенденция снижения площадей ивняков. В сложившейся ситуации следует отметить плантационное лесоводство, как элемент содействия устойчивому управлению лесами за счет удовлетворения собственных нужд местного населения. Использование древесины, выращиваемой на плантации, снижает нагрузку на естественные леса, увеличивает производство лесных товаров. В виду снижения запасов ископаемого топлива в мировой практике ведется поиск альтернативных источников энергии. Одним из таких источников может стать биомасса быстрорастущих пород, например ивы. Особого внимания заслуживает вопрос выбросов парниковых газов в атмосферу при сжигании ископаемого топлива. В связи с этим следует отметить высокую угл еро до депонирующую и кислородопродуцирующую функцию ивняков, которая способна внести весомый вклад в оптимизацию газового состава атмосферы.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в изучении продуктивности, углерододепонирующей функции и энергетического потенциала ивовых ценозов с последующим выявлением наиболее перспективных видов для создания энергетических плантаций.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Изучение условий произрастания естественных ценозов ивы и плантационных культур, выявление распространения ивовых ценозов в исследуемом регионе;
определение биологической продуктивности естественных ценозов и плантационных культур;
исследование углерододепонирующей функции и энергетической емкости ивняков;
подбор ассортимента культиваров для создания энергетических плантаций и выявление оптимальных природных условий для создания плантаций в зависимости от вида ивы;
обоснование технологии выращивания плантации.
Научная новизна.
1. Дополнены имеющиеся сведения о распространении ивовых ценозов в ЦЧР. Проведено сравнение различных видов ивы, произрастающих в условиях биоэкологического оптимума (ива трёхтычинковая и ива пурпурная). Произведено сравнение этих показателей одного вида ивы (ива серая), произрастающего в различных условиях (в обширном понижении межбалочного водораздела и прирусловой пойме р. Дон). Описано распространение кустарниковых ивовых ценозов по элементам речных пойм и гидрографической сети, определены их экологические функции.
2. Получены новые данные о продуктивности естественных ценозов ивы трехтычинковой (S. triandra L.), ивы пурпурной (S. purpurea L.) и ивы
серой (S. cinerea L.). Показано, что продуктивность ценоза тесно связана с возрастом и воздействием некоторых экологических факторов (затенением и почвенно-грунтовыми условиями).
3. Изучена продуктивность плантационных культур ивы с однолетним оборотом рубки в зависимости от таксономической принадлежности.
4. Впервые для Центрально-Черноземного региона определена углерододепонирующая и энергетическая ценность ивняков.
Практическая значимость.
Определены особенности роста исследуемых видов ивы. Подобран ассортимент видов рода Salix для создания энергетических плантаций и наиболее оптимальные условия их выращивания в зависимости от вида ивы.
Личный вклад автора. Автором разработана программа и методика исследований. Сбор материала для диссертации осуществлялся в течение 5 лет. Впервые для нашего региона определены углерододепонирующая способность и энергетический потенциал естественных и искусственных ивовых ценозов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Состояние плантационных и естественных ивняков различно, это объясняется не только тем, что на плантации осуществляется уход за культурами, но и генетическими особенностями вида;
Продуктивность различных видов ив, произрастающих в одинаковых условиях, варьирует и зависит от экологических потребностей вида. Продуктивность одного и того же вида, занимающего разные условия обитания - отличается, это объясняется почвенно-грунтовыми условиями, а также количеством солнечного света;
Показатели углеродо депонирующей и кислородопродуцирующей функции естественных ивняков меньше, чем плантационных культур;
Энергоемкость ивовых ценозов зависит от вида ивы, условий произрастания и продуктивности;
Апробация работы. Основные положения и промежуточные результаты исследования докладывались на заседаниях кафедры лесоводства Воронежской государственной лесотехнической академии, а также на Международной научно-практической конференции «Проблемы ускоренного воспроизводства и комплексного использования лесных ресурсов» (Воронеж, 2006); на научной конференции молодых учёных, посвященной 75-летию со дня рождения проф. А.В. Веретенникова «Лес. Наука. Молодёжь - 2004» (Воронеж, 2004); на всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2006).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 статей, в том числе 1 в списке, поименованном ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, рекомендаций и списка литературы. Общий объем работы составляет 153 страницы, из них 136 страниц основного текста. Работа включает 14 иллюстраций, 32 таблицы и 132
Биологические особенности ивовых ценозов
По палеоботаническим данным, представители рода ивы (Salix L.) встречались уже в среднем меловом периоде. В конце плиоцена четвертичного периода на территории современной Европы, Сибири и Кавказа произрастали виды ивы, близкие к ныне существующим. Предполагается, что вскоре после схода ледника ивами заселялись обширные влажные пространства речных долин. Последующее освоение большинства этих площадей сельскохозяйственными культурами существенно снизило границы ивняков.
В настоящее время ивы широко распространены по земному шару. Их нет лишь в Австралии, Новой Зеландии, Океании, в восточной части Индонезии, Западной тропической части Бразилии. В силу большой изменчивости среды обитания (от тундры до пустынь) в роде Ива наблюдается значительное видовое разнообразие и целый ряд жизненных форм — от низкорослых мелких кустарничков до могучих высокоствольных деревьев (Скворцов, 1968; Анциферов, 1984; Plaisance, 1980).
Систематика рода в своем развитии претерпела ряд этапов, в основном совпадающих с признанием или игнорированием принципов К. Линнея (Скворцов, 1968). Большинство отечественных и зарубежных ученых (Кор-кина, 1973; Старова, 1980; Черепанов, 1981; Анциферов, 1984; Plaisance, 1980) признает систему рода Salix, предложенную А.К. Скворцовым (1968). Основываясь на положениях К. Линнея, А.К. Скворцов делит род ива на три подрода: Salix, Chamaetia и Vetrix.
В общей сложности в мире существует 300-400 видов ивы, из которых около 100 произрастает на территории СНГ. Для рода Salix характерна исключительно высокая изменчивость практически всех признаков, биологических и экологических свойств (Скворцов, 1968; Анциферов, 1984; Парфенов, Мазан, 1986), что затрудняет как изучение ив, так и их практическое применение. В тоже время, исследование изменчивости открывает новые возможности для селекции по хозяйственно-ценным признакам.
Все представители рода Salix - двудомные листопадные деревянистые растения с симподиальным типом ветвления. Биологически и экологически ивы несут все черты, характерные для двудольных, а в филогенетическом плане находятся на довольно высокой ступени продвинутое (Гзырян, 1962; Скворцов, 1968; Малыченко, 1986, 1988). В зависимости от видовой принадлежности, большинство ив представлено в жизненной форме деревьями или кустарниками. Однако ряд видов в разных условиях произрастания может иметь и различную жизненную форму (Скворцов, 1968; Девиз-Соколова, 1982). Для некоторых видов (S.cinerea L., S. caprea L., S.aurita L., S. alba L., S. dasyclados Wimm., S. viminalis L., S. triandra L. и др.) в качестве исключения описаны случаи однодомности и гермафродитизма (Малютина, Малютин, 1972; Малютина, 1973). Перечисленные выше факторы затрудняют определение таксономической принадлежности особей. Однако межвидовые различия у ив существуют столь же реально, сколь и у других древесных растений. А.К. Скворцов (1968) рекомендует определять ивы по комплексу признаков, наиболее устойчивыми из которых являются: цвет прошлогодних побегов, форма прилистников, ширина листьев, положение краевых железок, окраска прицветных чешуи, форма и размеры коробочки, длина столбика. Установлена таксономическая значимость также содержания таннидов в коре и аминокислот в листьях (Парфенов, Мазан, 1986). Для практического применения специалистами лесного хозяйства наиболее полезен определитель ив, разработанный И.Р. Морозовым (1966).
На фоне широкого видового разнообразия ив при частом совместном произрастании разных видов, особого внимания заслуживает вопрос об их гибридизации. Установлено, что спонтанные гибриды достаточно редки — по одной дочерней на 300 - 500 особей исходных родительских форм, а некоторые комбинации - в отношении 1:50000 (Скворцов, 1968). Искусственная гибридизация в контролируемых условиях идет более успешно (Сукачев, 1934, 1939; Weber, 1974; Jicinska, Koncalova, 1986). В то время как спонтанные гибриды чаще всего уступают в росте исходным видам, гибриды искусственного происхождения нередко обладают рядом ценных признаков, что и используется в хозяйстве.
Программа исследований
Программа исследований включала в себя изучение естественных ивовых ценозов, определение их санитарного состояния, размеров и продуктивности растений в различных условиях произрастания, а также изучение особенностей роста культур ивы.
Данные исследования состояли из нескольких этапов. Первый этап (подготовительный) заключался в работе с литературными источниками, из которых было установлено степень изученности ивовых ценозов. Определены цели и задачи исследования, а также разработана методика исследования. По литературным данным установлен характер распространения ивовых ценозов, что помогло подобрать объекты исследований.
Полевые исследования включали в себя изучение естественных ивовых ценозов в пойменных и во вне пойменных условиях. На данном этапе изучались условия роста кустарниковых и древокустарниковых ивняков, их размеры и продуктивность. Также обоснована экологическая важность ивовых ценозов.
В процессе работы выделились рекогносцировочные исследования на маршрутных участках и детальное изучение ивовых ценозов на пробных площадях. В общей сложности заложено 11 пробных площадей: в естественных ивняках - 5 и на плантации Семилукского лесопитомника — 6.
Программа исследований включала:
- установление таксономической принадлежности культиваров;
- определение количества однолетних побегов, приходящихся на единицу площади в зависимости от таксономической принадлежности культиваров;
- изучение размеров однолетних побегов; - изучение весовых характеристик однолетних побегов (лозы);
- определение продуктивности лозы с единицы площади;
- определение энергоёмкости; оценку углерододепонирующей и кислородопродуцирующей функции ивняков;
- обобщение результатов исследований.
Характеристика факторов среды в районе исследования
Изучаемые нами объекты - естественные ценозы и культуры ив - расположены в Воронежской области: в центре лесостепного юга Русской равнины. Основные исследования приурочены к участкам поймы реки Дон, Воронеж и Рогатка. В целом изучаемые объекты разделялись на маршрутные участки и пробные площади в естественных ценозах и на плантации. Всего выделено 5 маршрутных участков для исследований, заложено 11 пробных площадей, из них 6 пробных площадей заложено на плантации и 5 в естественных условиях.
Климат в районе исследования умеренно - континентальный. Среднегодовая температура воздуха составляет 5-5,5 С, января -9,5—9,0С, июля 19,5-20С. Средний из абсолютных минимумов температуры воздуха составляет около -30С, а средний из абсолютных максимумов около 35С. Годовая сумма осадков колеблется от 500 до 550 мм. Летом осадки нередко выпадают в виде коротких ливней, иногда сопровождаемые градом. Продолжительность солнечного сияния около 1800 часов в год, из них свыше 1500 часов приходится на тёплый период.
Геологическое строение района определяется его расположением на северном крыле Воронежской антиклизы с неглубоким залеганием кристаллических пород. Рельеф в целом характерен для Русской равнины, где речные долины сочетаются с возвышенностями. В почвенном покрове водоразделов преобладают выщелоченные и типичные чернозёмы, а также серые лесные почвы. Покров речных пойм образован аллювиальными отложениями. Уровень грунтовых вод тесно связан с элементами местности и колеблется от 8 - 11 м на водоразделе до выходов на поверхность в поймах и гидроморфных понижениях.
Растительность района определяется чередованием лесных и степных ландшафтов. Основные лесные массивы характерны для Центральной лесостепи. Наиболее крупные и характерные ивовые ценозы приурочены к пойме реки Дон.
В районе исследования выделяют Верхний Дон - до устья реки Воронеж - и Средний Дон - ниже по течению. Река Дон, при общем уклоне русла не выше 0,000095 (падение 9,5 см на 1 км длины потока) характеризуется малыми скоростями течения. Общая площадь бассейна Дона 422500 км2, но водность его мала: годовой сток составляет 27,4 м3, а средний годовой расход воды составляет, около 930 м /сек (Мильков, 1982; Кудров, 1983). Долина Верхнего и Среднего Дона принадлежит к морфологическому виду зрелых полных долин, обладающих всеми структурными частями долинноречного комплекса - руслом, поймой, надпойменными террасами и коренными склонами.
