Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса .8
1.1 Функции лесных насаждений 8
1.2 Рекреационное использование лесов 10
1.3 Устойчивость лесных насаждений 13
1.3.1 Понятие об устойчивости, факторы, влияющие на нее 13
1.3.2 Методики определения устойчивости .16
1.3.3 Устойчивость различных компонентов лесного фитоценоза .21
1.4 Изменчивость сосны обыкновенной 25
2. Естественно – исторические и природно – климатические условия района исследований 31
2.1 Местоположение, рельеф и почвы .31
2.2 Климатические условия .32
2.3 Гидрология и гидрография .33
2.4 Растительный мир 35
3. Программа и методика исследований, объем выполненных работ .38
4. Лесоводственная оценка и изменчивость признаков компонентов сосновых лесных культур различной стадии дигрессии 47
5. Текущий линейный прирост деревьев сосны обыкновенной в насаждениях различного возраста 77
6. Изменчивость фенотипических признаков сосны обыкновенной в насаждениях различной стадии дигрессии .88
7. Эколого – экономическая оценка искусственных сосновых насаждений Центральной лесостепи .102
Заключение 115
Список сокращений и условных обозначений .117
Список литературы 118
Приложения .137
- Методики определения устойчивости
- Лесоводственная оценка и изменчивость признаков компонентов сосновых лесных культур различной стадии дигрессии
- Текущий линейный прирост деревьев сосны обыкновенной в насаждениях различного возраста
- Эколого – экономическая оценка искусственных сосновых насаждений Центральной лесостепи
Методики определения устойчивости
Устойчивость характеризует состояние лесопарковых ландшафтов. Первые публикации об оценке устойчивости насаждений принадлежат А.И. Воронцову (1978), Е.Г. Мозолевской (1961, 1984) и И.С. Матюку (1983).
А.И. Воронцов в своей работе «Патология леса» (1978) четко обосновал роль естественного и патологического отпадов в жизни леса и пришел к выводу, что именно величина отпада является главным показателем устойчивости насаждений. Он предложил ввести в практику лесного хозяйства понятие «санитарный надзор за состоянием биологической устойчивости насаждений», который мог бы осуществляться на стационарных пробных площадях с целью повышения оперативности назначения и проведения санитарных рубок.
В развитие предложений А.И. Воронцова опубликована «шкала глазомерной оценки состояния (биологической устойчивости) насаждений главных пород, начиная с III класса возраста» (Мозолевская, 1984).
Особенность этих работ заключается в том, что все предложения по оценке устойчивости насаждений делаются с позиции понятия «состояние». Этим объясняется идентификация обоих понятий, ошибочный выбор главного показателя «устойчивости» и постановка несвойственной «устойчивости» задачи – назначение санитарных рубок. Поэтому «санитарных надзор за состоянием биологической устойчивости насаждений» А.И. Воронцова означает долголетнее слежение за состоянием насаждений, а «шкала состояния (биологической устойчивости) насаждений» Е.Г. Мозолевской – один из вариантов оценки состояния насаждений в момент лесопатологического обследования.
Существует несколько вариантов оценки этого показателя.
Так, есть трех- и четырехбалльные шкалы оценки.
По рекомендации ученых МГУЛа, трехбалльная шкала базируется на размеренности усыхания, захламленности, наличии вредителей и болезней, состояния лесной среды.
К 1-му классу относятся устойчивые насаждения с общим объемом усыхающих деревьев, отпада и захламленности до 5 %, с отсутствием пораженности или единичным проявлением и не нарушенным состоянием среды.
Ко 2-му классу относятся насаждения с нарушенной устойчивостью. Здесь все категории отмирающих деревьев и валежа составляют от 6 до 40 %. В этих насаждениях уже проявляется массовое распространение вредителей и болезней. В них нарушена равномерность полноты и сомкнутости.
К 3-му классу относятся все остальные.
Есть четырехразрядная шкала биологической устойчивости (Кишенков, 1998). Согласно этой шкале, «необходимо установить соотношение между здоровой и отмирающей составляющими, и оценить качество подроста, подлеска, состояние напочвенного покрова.
К 1-му классу относят насаждения, в которых здоровые и хорошего роста деревья (перспективные) составляют для хвойных 90 % и более, для лиственных – 70 % и более. Подрост, подлесок, напочвенный покров находятся в хорошем состоянии и полностью покрывают почву.
Ко 2-му классу относят насаждения с замедленным ростом, разреженным состоянием кроны. У части деревьев наблюдаются изменения в окраске хвои, листьев. Здоровые деревья составляют от 71 до 90 и от 51 до 70 % соответственно. Подрост отсутствует, подлесок угнетен, напочвенный покров частично вытоптан. Почва уплотнена. Третий класс – это насаждения с резко выраженным ослабленным ростом. Здоровых деревьев здесь 54-70 и 32-50 % соответственно. Подрост отсутствует. Напочвенный покров вытоптан. Деревья имеют механические повреждения. Заметна пораженность вредителями и болезнями.
К четвертому классу относят все насаждения с явно расстроенным составом, состоянием и деградацией всех составляющих.
Иногда пользуются четырехразрядной шкалой, учитывающей степень антропогенного воздействия, или шкалой деградации лесной среды ВО «Леспроект». Применение того или иного варианта оценки тесно связано со степенью детализации работ и, конечно, наличием дополнительных сведений для решения поставленной задачи.
Так, в рассмотренной последней шкале оценки устойчивости ВО «Леспрект» одним из критериев является состояние кустарниковой растительности и напочвенного покрова. Такая шкала (по Н.Н. Гусеву) дает возможность вначале сделать эту оценку, а затем уже решить проблему в целом.
Наиболее простой путь к оперативной оценке устойчивости насаждений в лесном массиве – разделение насаждений на три группы:
- устойчивые – здоровые (без признаков ослабления) и обратимо ослабленные естественные насаждения всех возрастных групп и лесные культуры такого же состояния старше 30 лет;
- с неопределенной устойчивостью – лесные культуры хвойных и твердолиственных пород до 30 лет, мягколиственных – до 15 лет включительно, а также насаждения любого породного состава, возраста и происхождения, произрастающие в зоне постоянного загрязнения промышленными выбросами;
- деградирующие – необратимо ослабленные и усыхающие (Рожков, 2003).
В своих публикациях А.А. Рожков (2003) рекомендовал определять устойчивость лесного массива по параметрам ключевых экологических показателей: целостности, сомкнутости, возрасту, степени естественности и породного состава. По Л.П. Рысину (1990), в тех случаях, когда речь идет о насаждениях, используемых или предназначаемых для рекреации, в характеристику следует включить показатели, позволяющие оценить их санитарно-гигиенические и оздоровительные функции, а также аттрактивность (привлекательность). Для оценки санитарно-гигиенической значимости леса необходимо учитывать массу (площадь) ассимиляционного аппарата растительности (хвои, листвы), структуру (ярусность) сообщества, способность основной лесообразующей породы задерживать находящиеся в атмосфере поллютанты (загрязнители) промышленного или транспортного происхождения; для оценки аттрактивности лесных участков – возраст древостоя, состав, высоту, декоративность растительности, рекреационную нарушенность, захламленность, санитарное состояние.
Рекреационные воздействия на лесные насаждения вызывает различную степень нарушений лесной среды (рисунок 1).
Граница, где происходит качественное изменение процесса дигрессии из обратимого в необратимый, называется пределом устойчивости лесного биогеоценоза. Визуально он определяется по внешнему облику леса, исчезновению подроста.
Стадии дигрессии сменяются довольно быстро. Это зависит от природы самого биогеоценоза, от его рекреационной нагрузки и ее характера (системного посещения леса или массовых выездов в выходные дни, поведения отдыхающих и т.д.). От 1 до 5 стадии лесной биогеоценоз может пройти за 2, 5, 10 лет (Высоцкий, 2000).
Для характеристики антропогенного воздействия на состояние участков, отводимых под лесопарк, определяют класс устойчивости и стадии рекреационной дегрессии насаждений (Чижова, 1977).
В зависимости от лесорастительных условий и степени их соответствия преобладающей породе граница устойчивости насаждения сдвигается в большую или меньшую сторону, что и определяет его класс устойчивости.
Лесоводственная оценка и изменчивость признаков компонентов сосновых лесных культур различной стадии дигрессии
Сосняки травяные Центральной лесостепи являются наиболее комфортными для отдыхающих и часто посещаемыми. По данным наблюдений, основными видами рекреации на обследуемой территории являются повседневная и кемпинговая.
Среди форм рекреации выделяются следующие: бездорожная (78%±3,2), транспортная (12%±1,3), дорожная (7%±1,1), добывательская (2%±0,6), бивачная (1%±0,5). Бивачная форма и туризм встречается в сосняках, расположенных вблизи Воронежского водохранилища.
В результате проведенных исследований выявлено: 77%±3,1 участков с закрытым типом ландшафта, из них 71%±2,8 - с горизонтальной сомкнутостью и 6%±0,3 - с вертикальной. Полуоткрытых типов ландшафта – 5%±1,0, открытых – 18%±1,7.
Наибольшая среднегодовая единовременная рекреационная нагрузка составила 22 чел./га в день, наименьшая - 0,8 чел./га в день (таблица 2).
При обследовании лесного массива с определением стадий рекреационной дигрессии установлено, что наибольшую площадь занимают таксационные выделы с 3 стадией дигрессии (32%±2,1) и 4 стадией (34%±2,2). Участки со 2 стадией занимают 19%±1,6, с I – 10%±1,1, с 5 – 5%±0,8. В основном деградированные участки встречены вдоль береговой линии Воронежского водохранилища.
По проходимости большая часть ландшафтных участков относится ко 2 классу – продвижение ограничено по некоторым направлениям.
Преобладающий класс эстетической оценки – 2 (65%±3,2).
Исследуемые насаждения по интенсивности рекреационного использования можно разделить на III зоны:
I зона – зона интенсивное посещаемости (в местах массового отдыха). Данные насаждения доступны для транспорта и соответствуют IV и V стадиям рекреационной дигрессии;
II зона – зона средней посещаемости. Насаждения соответствуют III стадии рекреационной дигрессии;
III зона – зона слабой посещаемости. Насаждения соответствуют I и II стадиям рекреационной дигрессии.
Оценка рекреационного потенциала (в баллах) искусственных сосновых насаждений Сомовского лесничества в условиях А2 в зависимости от стадии дигрессии приведена в таблице 3.
Рекреационные леса лесничества имеют удовлетворительную рекреационную оценку.
Использовать насаждения 4 и 5 стадий дигрессии не допустимо. В них рекомендуется проведение мероприятий, направленных на повышение их качества. Насаждения 2 и 3 стадий дигрессии по возможности нужно ограничить. Только лишь насаждения 1 стадии дигрессии возможно использовать без ограничений.
В таблице 4 отражена таксационная характеристика пробных площадей. Значения морфометрических показателей – в таблице 5; в приложении А, таблице 1.
С увеличением стадии дигрессии, снижением полноты насаждений средний диаметр древостоя увеличивается. Результаты исследований свидетельствуют о закономерной связи между стадией рекреационной дигрессии и средней высотой насаждений: с изменением стадии от 1-й к 5-й наблюдается закономерное уменьшение высот. Величина запаса согласуется с возрастом и полнотой древостоя, стадией дигрессии насаждения. Наибольшее его значение (142 м/га) отмечается в 63-летнем насаждении 1 стадии дигрессии, наименьшее – (66 м/га) – в 38-летнем насаждении 5 стадии (Тырченкова, 2017).
Коэффициент вариации характеризует изменчивость статистического признака. Проанализированы закономерности изменения уровня изменчивости диаметра и высоты деревьев по стадиям рекреационной дигрессии. Наибольшая изменчивость (V) характерна для диаметра. В 38-летних насаждениях 1 и 2 стадии она достигает 20,4% и 20,6%. С усилением рекреационного воздействия вариабельность признака снижается до низкого и среднего уровня. Слабее изменяется высота деревьев во всех стадиях дигрессии от 6,4 % до 12,9 % (Тырченкова, 2018).
Показатель Р (вероятная ошибка опыта) не превышает 4 %, следовательно, точность исследования высокая.
После изучения роста и продуктивности культур сосны обыкновенной был проведен анализ товарной структуры (таблица 6).
Из таблицы видно, что в ненарушенных искусственных сосновых насаждениях на долю деловых и полуделовых стволов приходится 88% и 89%, а дровяные составляют всего 11% и 10%.
Ветровальные, буреломные и снеголомные деревья учитывались отдельно и приравнивались к свежему и старому сухостою (рисунок 6, 7).
По мере усиления рекреационного воздействия значительно уменьшается запас деревьев I-й категории состояния («без признаков ослабления»), II-й категории («ослабленные») и увеличивается запас деревьев III-й категории («сильно ослабленные»), IV-й категории («усыхающие»), V-й и VI-й категорий состояния («свежий сухостой и старый сухостой»).
Хорошим состоянием отличаются насаждения 1 и 2 стадий рекреационной дигрессии. Культуры характеризуются интенсивным ростом и продуктивностью. Запас деревьев I и II категорий состояния в ненарушенном 63-летнем насаждении составляет 127 м/га.
Текущий линейный прирост деревьев сосны обыкновенной в насаждениях различного возраста
Одним из основных критериев оценки состояния дерева является линейный прирост за определенный период.
По данным Е.В. Лопатина (2017), продуктивными считаются участки лесного фонда, на которых потенциальный прирост древесины превышает 1 м/га в год. Потенциал прироста определяется поглощением солнечной энергии.
Биоэкологические особенности древесных пород, происхождение, возраст, условия произрастания, полнота насаждений, их санитарное состояние, различные лесохозяйственные мероприятия существенно влияют на прирост отдельного дерева и всего насаждения. К снижению прироста может привести и резкое снижение или увеличение полноты.
Прирост может служить количественным показателем, характеризующим жизнеспособность деревьев. У здоровых особей он намного больше, нежели у больных и поврежденных.
С ухудшением условий произрастания величина линейного прироста у более устойчивых деревьев практически не изменяется. Для обеспечения дереву достаточного уровня инсоляции, его крона продвигается в доминирующий ярус, даже в ущерб механической прочности ствола.
Устойчивость деревьев зависит от возраста, текущего прироста и его пространственной структуры. Воздействие внешних и внутренних факторов оказывает также свое влияние.
Для оценки состояния древостоев и для реконструкции климатических и экологических факторов прошлого широко применяются методы дендрохронологии по радиальному приросту, но значительно реже – по линейному приросту (в высоту) (Кухта, 2003). Известно, что линейный прирост текущего года во многом определяет размер и качество почки возобновления, от которых находится в прямой зависимости линейный прирост будущего года (Kimmins, 2004; Popkova, 2013).
Установить степень устойчивости можно только на временном отрезке, когда процессы роста отражаются в динамике. Текущий прирост является критерием устойчивости ценоза, а также основным показателем, характеризующим состояние лесов. Данные текущего прироста деревьев могут быть использованы в качестве индикатора рекреационного воздействия на насаждения.
Неустойчивые особи изменяют линейный прирост синхронно с изменением климатических условий.
А.А. Вайс в своей статье «Динамика роста и устойчивость деревьев сосновых ценозов» (2009) отмечал, что у устойчивых особей синхронизация прироста и природных факторов не наблюдается.
Распределение по диаметру культур сосны обыкновенной в насаждениях различных стадий дигрессии представлено в таблице 22.
В 63-летних насаждениях преобладают деревья с диаметров 15-24 см (52% - в 1 стадии, 86% - 5 стадии); в 38-летних –5-14 см (60% во 2 стадии и 64% - в 3) и 15-24 см (67% - в 1 стадии, 49% - в 4 стадии, 53% - в 5 стадии). Доля деревьев с диаметром 25- 34 см незначительна и в 63-летних насаждениях различной стадии дигрессии составляет 3-6%, в 38-летних – 1-4% от общего количества.
На основе этого отобраны по 18 деревьев на каждой пробной площади из средних по диаметру. С целью изучения их хода роста в высоту, измеряли текущий линейный прирост.
Изменение высоты деревьев различного возраста от величины диаметра и вычисление среднестатистических показателей отражено в таблице 23.
Анализируя представленные данные видно, что в 63-летних искусственных сосновых насаждениях различной стадии дигрессии средняя высота в 5-летнем возрасте составляла 1,7±0,07 – 2,3±0,06 м, в 38-летних – 1,3±0,07 – 1,6±0,07 м, в 10-летнем возрасте высота деревьев была примерно одинакова: 4,1±0,13 -4,4±0,14 м - в 63-летних насаждениях, 3,8±0,12 - 4,5±0,15 м - в 38-летних.
Наибольшей изменчивостью характеризуется высота деревьев, диаметром 24 см в 63-летнем насаждении 3 стадии рекреационной дигрессии и диаметром 12 см в 38-летнем насаждении 1 стадии. Коэффициент вариации (V) - 22,7 % и 26,2 %, соответственно.
С возрастом прирост в высоту увеличивается, коэффициент вариации уменьшается. На участках различной стадии дигрессии колебания по высоте у деревьев все же наблюдаются, и они, возможно, обусловлены влиянием климатических и эдафических факторов. Это подтверждается средней величиной прироста деревьев в высоту.
Наибольшая изменчивость характерна для линейного прироста деревьев диаметром 16 см в 38-летнем насаждении 2 стадии рекреационной дигрессии, коэффициент вариации (V) – 55,07 % (таблица 24).
Достоверность различий между деревьями сосны обыкновенной по высоте в насаждениях различной стадии дигрессии подтверждается данными статистической обработки и отражает специфичность их реакции на внешние факторы. Различия по высоте являются несущественными, если достоверность различий между ними (t) меньше критерия Стьюдента (t0,052,0) (таблица 25).
Эколого – экономическая оценка искусственных сосновых насаждений Центральной лесостепи
Лес – важнейший компонент биосферы земли и незаменимый природный ресурс, которому принадлежит важнейшая роль по поддержанию и восстановлению условий жизни на Земле.
Леса нормализуют годовой состав атмосферы, очищают воздух, воду, регулируют ее поступление в реки, имеют большое рекреационное значение.
Биологическое разнообразие и необходимое равновесие в природе сохраняется и поддерживается насаждениями.
К экологическим функциям леса относятся: климатическая, гидрологическая, энергетическая, биологическая, почвоохранная, санитарно-гигиеническая, оздоровительная. Именно в них сосредоточено основное биоразнообразие страны.
Экономические функции леса: источник получения материальных ресурсов (древесины, пищевых, лекарственных и других); база для развития лесопромышленного комплекса отдыха и туризма, других отраслей экономики.
Многие ошибки могут возникнуть при отсутствии экономической оценки лесных ресурсов.
Сохранность глобально значимого ресурса национального достояния является первоочередной задачей при принятии управленческих решений.
Эколого-экономическая оценка искусственных сосновых насаждений пробных площадей, заложенных в Сомовском лесничестве Воронежской области, раскрывает сырьевую, а также экологическую их роль с учетом принципов многоцелевого, рационального, неистощительного использования лесных ресурсов.
Леса Сомовского лесничества Воронежской области имеют важное экологическое и социально-экономическое значение. Они представляют собой источник ценных ресурсов, обеспечивают сохранение в связанном состоянии значительной части запаса углерода, выступают в качестве экологического каркаса для сохранения биоразнообразия экосистем, а также выполняют множество других функций (Тырченкова, 2018).
Поэтому эколого-экономическая оценка лесных ресурсов необходима в первую очередь.
При оценке необходимо учитывать весь эффект, приносимый лесами в результате продукционной работы древостоев и общего биогеоценотического процесса в лесных экосистемах.
Леса лесничества выделяют огромное количество кислорода, биологически активных веществ, выполняют функцию пылезадержания.
Насаждениям принадлежит важнейшая санитарно-гигиеническая и оздоровительная роль.
В Лесохозяйственном регламенте Сомовского лесничества (2010) приведены нормативы определения этих показателей (приложение Б, таблицы 1-5).
Лесные насаждения способны осуществлять углерододепонирующие и кислородопродуцирующие функции.
Продуктивность лесов обусловливается углекислым газом, выделяющимся из почвы.
Для расчета массы углерода в древостоях необходимо распределение их фитомассы по отдельным элементам. Запас коры, сучьев, ветвей, пней, древесной зелени, корней вычисляется на основе запаса древостоя.
Основная доля углерода содержится в стволах – 88 %, в листьях и хвое – 5 %, в сухостое и валеже – 6 %, в остальных компонентах – всего 1 %.
Для вычисления абсолютно сухой массы древостоев (таблица 31) значения запаса умножаются на величину условной плотности древесины (0,400 т/м) (Лесохозяйственный регламент Сомовского лесничества, 2010).
Фитомасса ветвей кроны составляет 20 % от массы древостоя, корневых систем – 15 %, хвои – 4 %.
Фитомасса древостоев, определённая суммированием фитомассы их элементов, оказывает влияние на динамику их углерододепонирующей и кислородопродуцирующей функций (таблица 32).
Углерод содержится во всех компонентах фитомассы, но в стволовой части дерева содержится наибольшее его количество, в хвое – наименьшее.
Содержание углерода в различных элементах фитомассы вычисляется через конверсионные коэффициенты: для стволовой древесины, ветвей, корней – 0,5; хвои – 0,45 (Закамский, 2007; Казанская, 1977).
Максимальные значения углерода в фитомассе древостоев сосны обыкновенной отмечаются в ненарушенных насаждениях (39,4 т/га и 37,5 т/га). В результате снижения продуктивности насаждений запас углерода уменьшается. Минимальные его значения – в фитомассе пробных площадей 5 и 10 (18,9 т/га и 18,3 т/га, соответственно).
При расчете количества выделяемого фитомассой кислорода учитывается только древесный прирост.
Биомасса листьев и хвои не влияет на количество выделяемого кислорода, так как он расходуется в процессе их разложения в опаде.
Умножая массу годичного прироста в абсолютно сухом состоянии на коэффициент продуцирования кислорода 1,4, определяем массу выделенного за год кислорода (таблица 33).
Максимальные значения по запасу кислорода в фитомассе древостоев сосны обыкновенной отмечаются также в ненарушенных насаждениях (109,6 т/га и 102,0 т/га).
Минимальные значения – также в древостоях пробных площадей 5 и 10 (51,4 т/га и 50,0 т/га, соответственно).
С целью определения поглощенного СО2 для конкретных насаждений используется конверсионный коэффициент, равный 1,8 т на 1 т сухого вещества древесины (таблица 34).
Максимальное количество углекислого газа поглощается фитомассой культур сосны обыкновенной в ненарушенных и малонарушенных насаждениях.
Фитомасса 63–летнего насаждения сосны обыкновенной 1 стадии рекреационной дигрессии поглощает 142,1 т/га углекислого газа; фитомасса 38– летнего насаждения – 135,2 т/га; количество выделенного кислорода – 109,6 т/га и 102,0 т/га, соответственно.