Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Научные исследования в лесной опытной даче 9
1.2. Продуктивность древостоев 18
1.3. Роль древесных растений в формировании городской среды 23
1.4. Воздействие антропогенных факторов на древесные растения 29
Выводы 34
2. Объект, методы и объем выполненных работ 36
2.1. Программа исследований 36
2.2. Объект исследований 36
2.3. Материалы и методы исследований 38
2.4. Объем выполненных работ 47
3. Изменения параметров окружающей среды и лесного фонда 48
3.1. Ведение хозяйства в лесной опытной даче 48
3.2. Климатические изменения 51
3.3. Антропогенные воздействия 59
3.4. Динамика показателей лесного фонда 63
Выводы 69
4. Анализ динамики показателей роста и продуктивности отдельных древостоев 71
4.1. Средняя высота 71
4.2. Средний диаметр 81
4.3. Густота 84
4.4. Запас 89
4.5. Текущий прирост по запасу 96
4.6. Наличная фитомасса 100
Выводы 110
5. Взаимодействие пород и формирование смешанных древостоев 112
5.1. Сосна и лиственница 112
5.2. Сосна и липа 119
5.3. Лиственница и липа 125
5.4. Сосна и клен 131
Выводы 135
6. Оценка полезных функций древостоев 136
6.1. Депонирование углерода и выделение кислорода 136
6.2. Фитонцидная активность 145
6.3. Пылезадерживающая способность 149
Выводы 152
Заключение 154
Список литературы 156
Приложения 184
Продуктивность древостоев
В экологии принято, что под продуктивностью сообществ понимается количество энергии, заключенное в форме органического вещества, за единицу времени. Поэтому Ю. Одум [1986, c. 119] резюмирует, что «наличную биомассу или урожай на корню за данное время нельзя путать с продуктивностью». Наиболее важными видами продуктивности для лесных экосистем являются чистая первичная продукция (NPP) и чистая экосистемная продукция (NEP). Чистая первичная продукция представляет собой прирост органического вещества экосистемы за единицу времени, а чистая экосистемная продукция – прирост наличного органического вещества за единицу времени.
Согласно «Краткому словарю основных лесоводственно-экономических терминов» [Острошенко, 2005] под продуктивностью леса понимается количество различных ресурсов, которые были произведены за определенный промежуток времени на единице площади. При этом выделяются следующие виды продуктивности: 1) биологическая – количество произведенной биомассы; 2) древесная – количество произведенной древесины; 3) экологическая – эффективность выполнения участком леса экологических функций и 4) комплексная, включающая в себя все виды продуктивностей. Так как основной целью ведения лесного хозяйства является заготовка древесины, то большое количество исследований проведено по изучению древесной продуктивности древостоев и оценке потенциальных возможностей определенных местопроизрастаний. С внедрением научных методов в лесное хозяйство в Европе 200-300 лет назад начались первые попытки оценки производительности лесных участков [Skovsgaard, Vanclay, 2008]. Потенциальная продуктивность древостоев оценивалась с использованием специальных опытных таблиц, которые были составлены либо на основе классификации с учетом почвенно-грунтовых условий, либо с учетом сгруппированных в один класс схожих мест произрастания, выраженных в виде индексов (бонитетов).
К концу XIX века в среде лесоводов сложилось однозначное мнение, что средняя высота древостоя в определенном возрасте должна являться мерой, характеризующей производительность мест произрастания древостоев. Первые упоминания о средней высоте как о показателе, по которому можно судить о продуктивности древостоев, содержатся в работе C.C. Oettelt [1764]. F. Bauеr [1881] является первым, кто составил таблицы хода роста с учетом средней высоты как показателя, характеризующего производительность мест произрастания древостоев.
Первые в нашей стране результаты научных исследований по изучению древесной продуктивности были опубликованы в середине XIX века А.Р. Варгасом де Бедемаром [1850]. Изучая леса Петербургской губернии, он пришел к выводу, что древостои, произрастающие на разных почвах, имеют в одном и том же возрасте различные значения показателей запаса и прироста.
Результаты исследований по вопросу древесной продуктивности древостоев изложены в работах многих авторов, например, А.В. Тюрина [1931], Н.В. Третьякова [1937], Г.С. Разина [1970], Ф.П. Моисеенко [1973], В.В. Загреева [1978], Н.Н. Свалова [1979], И.Я. Лиепы [1980], В.В. Антанайтиса, В.В. Загреева [1981], В.К. Хлюстова [1993], А.И. Колтуновой [2004], А.З. Швиденко с соавт. [2006], Ю.П. Демакова с соавт. [2011; 2013], Д.В. Черных [2014], В.К. Хлюстова, А.В. Лебедева [2017] и др. Впервые идея по переходу от объемных методов учета древесины к весовым была озвучена R. Hartig в конце XIX века, когда им было показано, насколько важны дендрометрические измерения в единицах сухой массы: «Знание количества сухого вещества, содержащегося в данном объеме, имеет большую научную и техническую важность, поскольку сухая масса древесины связана с ее калорийностью и широким набором технических свойств, и поскольку по таким данным можно получить представление о законах природы, управляющих продуцированием органического вещества» [цит. по Pard, 1980]. В это же время были получены первые данные о фитомассе крон и были впервые предложены соответствующие переводные коэффициенты, что отражено в работах Ph. Flury [1892], R. Hartig [1896]. В экологии продуктивность сообществ выражается в единицах сухого вещества, поэтому использование вместо объемных единиц массовых является актуальной задачей для познания биологических особенностей продукционного процесса древо-стоев.
В последние десятилетия в нашей стране проводится большое количество исследований, посвященных изучению биологической продуктивности лесов, в том числе связанных с оценкой их роли в глобальных экологических циклах и регуляции климата. В.А. Усольцев [2007] отмечает, что «для оценки роли лесов в глобальных биосферных циклах первоочередное значение имеют экспериментальные данные об их биологической продуктивности». А.И. Уткин с соавт. [1996] указывают на то, что в связи с ориентацией лесного комплекса бывшего СССР преимущественно на заготовку древесины существовал односторонний подход к сбору и обобщению информации о лесных ресурсах без учета проблем лесной экологии.
А.И. Уткин [2003] в качестве основополагающего экологического направления XX века и основы современного научного направления, посвященного изучению углеродного цикла биосферы, рассматривает изучение биологической продуктивности лесов. Под биологической продуктивностью им понимается 1) фитомасса лесного насаждения, выражаемая в тоннах абсолютно сухого вещества на единицу площади, и 2) первичная продукция, характеризующая общее количество фито-массы, произведенной насаждением за единицу времени на единице площади. В.А. Усольцев [2014] под понятием биологической продуктивности лесов понимает совокупность трех количественных характеристик лесной экосистемы: 1) фитомассы, выражаемой в тоннах абсолютно сухого вещества на единицу площади; 2) чистой первичной продукции, которая определяется количеством фито-массы, продуцируемой на единице площади в год с учетом потерь на дыхание; 3) удельной чистой первичной продукции, которая определяется как отношение чистой первичной продукции к величине фитомассы.
В нашей стране изучение фитомассы лесов получило свое развитие в 1930-1950 годы, что способствовало формированию отдельной научной дисциплины -лесного ресурсоведения, большой вклад в формирование которого внес Л.К. Поздняков [1973]. Целью изучения биологической продуктивности лесов в рамках лесного ресурсоведения являлось ориентирование хозяйственной и производственной деятельности на полное использование фитомассы насаждений. И.С. Мелехов [1980] рассматривал лесное ресурсоведение как один из разделов лесоведения, постепенно выходящего на биосферный уровень.
Л.К. Поздняков с соавт. [1969] выделили два подхода в изучении биологической продуктивности. Первый подход – биогеоценотический, который направлен на познание процессов биологического круговорота веществ и геохимической роли леса. Второй подход – ресурсоведческий, основой которого является учет количества и пространственного размещения фитомассы, рассматриваемой с точки зрения потенциального промышленного сырья.
Наиболее интенсивными исследования по биологической продуктивности лесов были в период 1965-1972 годов, когда действовала Международная биологическая программа. В реализации Международной биологической программы и последовавшей за ней программы «Человек и биосфера» принимали участие большие исследовательские коллективы и изучались количественные и качественные характеристики фитомассы. Н.П. Анучин [1982] отмечал, что данное направление на тот момент времени являлось одним из самых малоизученных и сложных в лесной таксации. Изучению биологической продуктивности древостоев как в естественных условиях, так и под действием антропогенных загрязнений, выявлению вертикальной структуры фитомассы деревьев, географии фитомассы и удельной чистой первичной продукции фитомассы лесов, моделированию структуры и динамики фито-массы древостоев, оценке запасов и годичного депонирования углерода посвящено большое количество работ В.А. Усольцева [1988, 2002, 2010, 2014].
Авторским коллективом под руководством А.З. Швиденко [2006] были разработаны модели и таблицы биологической продуктивности лесных экосистем. В качестве основного назначения нормативов данного типа является предоставление нормативно-справочной информации для оценки динамики фитомассы по фракциям, чистой первичной продукции и чистой экосистемной продукции лесов. При разработке моделей за основу положены показатели из обобщенных данных государственного учета лесного фонда: возраст, полнота и класс бонитета.
В.В. Кузьмичевым [2013] была проведена проверка соответствия оценок по текущему приросту фитомассы нормальных древостоев по бонитетной шкале семенных древостоев М.М. Орлова с использованием материалов, приведенных в работах В.А. Усольцева [2002] и А.З. Швиденко с соавт. [2006]. Как следует из сравнения показателей текущего прироста наличного насаждения II класса бонитета, в среднем оценки в работе А.З. Швиденко выше на 30%, чем в работе у В.А. Усоль-цева. Таким образом, «при одинаковой оценке по бонитетной шкале скрывается разная продуктивность по приросту надземной фитомассы, причем данные разных авторов не согласуются между собой» [Кузьмичев, 2013].
Экологическая продуктивность древостоев тесно связана с биологической, так как выделение фитонцидов, ионизация воздуха, производство кислорода, поглощение атмосферного углерода, задержание пыли зависит от интенсивности протекания процесса фотосинтеза. Изучению экологической продуктивности древо-стоев основных лесообразующих пород посвящены работы С.В. Белова [1964], И.Я. Лиепы [1980], И.П. Лакиды [2013], А.Л. Мусиевского, В.А. Бугаева [2016], Н.Н. Дубенка, В.В. Кузьмичева, А.В. Лебедева [2018] и др.
Динамика показателей лесного фонда
Инвентаризация лесного фонда Лесной дачи проводилась 10 раз (последняя была в 2009 году). В 1862 году площадь Лесной опытной дачи составляла 257,7 га, а после 1902 года – 248,7 га. Покрытые лесом земли по итогам первой лесоинвентаризации составили 75 %, к 1887 году они увеличились до 92 %, а к 2009 году – до 94 % (после засухи 1936-1940 годов и последующей гибели культур ели их доля снижалась до 87 %).
Динамика площадей и запасов основных лесообразующих пород на территории Лесной опытной дачи представлена в приложении 2. В год первого учета в покрытой лесом площади наиболее представлены были древостои с преобладанием сосны (115 га), дубравы занимали 37 га, березняки - 27 га, осиники – 21 га. В соответствии с планом ведения лесного хозяйства в даче, разработанном А.Р. Варгасом де Бедемаром, на не покрытых лесом землях началось создание лесных культур сосны и березы, а также вырубались малоценные низкополнотные древостои разных пород и осинники (с последующим закультивированием или естественным заращиванием вырубок). Перед посадкой лесных культур проводилось создание осушительной сети (магистральные каналы совмещались с квартальными просеками, а осушительные канавы располагались в выделах в соответствии с направлением склонов).
К 1887 году не покрытые лесом площади были закультивированы и наблюдалось быстрое накопление запаса за счет естественных процессов роста древостоев. При постоянстве покрытой лесом площади накопление запаса продолжалось до 1935 года, когда он достиг 56 тыс. м3. После этого наблюдалось сокращение запаса (до 46 тыс. м3 в 1962 году), связанное как с отмиранием культур ели в 1938-1939 годы, так и с разрушением естественных сосняков. Но после достижения минимума запас древостоев стал возрастать и стабилизировался в 1987-2009 годы на уровне 64 тыс. м3. Рассмотрим причины стабилизации запаса путем анализа его динамики в сравнении с площадями основных лесообразующих пород.
Средний возраст сосняков в 1862 году составлял 27, а максимальный – 45 лет, средняя полнота равнялась 0,65. Для стадий жердняка и чащи обычно характерны более высокие полноты, поэтому следует согласиться с выводом А.Р. Варгаса де Бедемара о значительной нарушенности выборочными рубками древостоев дачи.
Плошадь сосняков стала возрастать с 1869 года в результате создания лесных культур. Одновременно началось и ее сокращение из-за вырубки низкополнотных древостоев. К 1902 году было создано около 60 га культур сосны, их площадь несколько увеличилась за счет закультивирования вырубок в последующие годы. Но общая площадь сосняков оставалась постоянной до 1945 года, следовательно, одновременно с созданием культур сосны шло разрушение естественных сосняков. В 2009 году лесные культуры сосны занимали площадь 65 га, а естественные сосняки – 9 га. Таким образом, за изучаемый период произошел распад естественных сосняков на площади 106 га.
В таблице обращает на себя внимание тот факт, что с 1962 по 2009 год площадь сосняков сократилась на 14 га, а запас древостоев, составлявший в 1962 году 24,5 тыс. м3, в 1973 году снизился на 0,7 тыс. м3, а в 2009 году равнялся 25 тыс. м3 (при среднем возрасте древостоев 125 лет). Этот факт заслуживает детального уточнения в связи с бытующим мнением о меньшей долговечности искусственных древостоев по сравнению с естественными, поскольку в нашем случае наблюдается обратная картина. Здесь, несомненно, сыграли роль два момента – улучшение условий произрастания в результате изменений климата и снижения загрязненности в оздуха с прекращением работы промышленных предприятий после 1990 года. Влияние выбросов автотранспорта в восточной части Лесной опытной дачи возросло, но оно проявляется на расстоянии не более 50-100 м от дорожного полотна [Правкина, 2006]. Культуры ели начали создавать также с 1869 года, чаще всего в смешении с сосной, пихтой и другими породами, и к 1915 году их площадь составила 33 га, а к 1935 – 37 га. Запас древесины еловые культуры наращивали медленнее, чем сосновые, но к 1935 году он составил 10,5 тыс. м3 (средний возраст - 46 лет). Засухи конца 1930-ых годов и ряд других неблагоприятных факторов, детально рассмотренных в работах В.П. Тимофеева [1939; 1944], привели к гибели культур ели. Вырубки были заняты в основном культурами лиственницы. Неудача с выбором ели в качестве главной породы связана с тем, что лесоводы не могли предугадать быстрых изменений условий роста в районе Лесной опытной дачи.
Площадь культур лиственницы увеличивалась довольно равномерно, неуклонно возрастал их запас: при среднем возрасте 90 лет в 2009 году средний запас составлял 330 м3га-1, а общий – около 12 тыс. м3.
В конце XVII – начале XVIII века лесной покров дачи, по свидетельствам А.Р. Варгаса д е Бедемара, состоял из дубового леса с примесью липы, клена и незначительным присутсвием сосны, березы и осины. М.К. Турский [1893] приводит сведения, что на момент межевания 1763 года лес, располагавшийся на территории Лесной опытной дачи, был с преобладанием лиственных пород и с единичными вкраплениями хвойных.
Площади с преобладанием дуба с 30 га в 1862 году сократились до 12 га в 1915 году, а затем стали возрастать в результате разрушения сосняков и освобождения дуба из второго яруса, так что в 1962 году их площадь равнялась 58 га, а в 2009 году они занимали 60 га. Запас дубняков за период после 1962 года увеличился с 9,5 до 15 тыс. м3, в основном за счет естественных процессов роста. Средний запас составил в 2009 году 250 м3га-1. Увеличение площади дубняков с 1935 года является свидетельством того, что распадались сосняки со средним возрастом 100 лет. Это могло быть только результатом повреждения ассимиляционного аппарата сосны дымогарными паровозными выбросами.
Площадь березняков увеличилась к 1887 году до 42 га, снизилась в результате рубок до 26 га в 1935-1945 годы, затем расширилась после распада естественных сосняков до 50 га в 1987-2009 годы. Запас возрастал с некоторым запозданием и составлял в 1915-1935 годы около 7 тыс. м3, упал в 1955 году до 3,9 тыс. м3, далее вслед за увеличением площади стал нарастать, составив в 1987 году 13,3 тыс. м3. После урагана 1998 года запас упал до 10,5 тыс. м3 и средний запас древесины составил в 2009 году 210 м3га-1.
Таким образом, сосняки на территории дачи сохранили свое преобладание, хотя площадь их со 115 га снизилась до 76 га. Зато возросли площади дубняков (с 30 до 63 га) и березняков (с 27 до 51 га). Осинники на площади 21 га были вырублены, а на площади 35 га созданы культуры лиственницы. Эти изменения следует отнести к положительным ввиду большей устойчивости древостоев лиственницы, дуба и березы к загрязнениям воздуха и рекреационным нагрузкам.
За 150 лет произошли изменения в породном с оставе покрытой лесом площади Лесной опытной дачи. На момент первого лесоустройства в 1862 году на сосну приходилось 5,7 единиц, на березу – 1,6 единиц и на дуб – 1,4 единицы. C 1915 года после отчуждения для строительства железной дороги части территории покрытая лесом площадь дачи оставалась достаточно стабильной и составляла 90,4±0,7%. К 1945 году доля сосны в среднем составе древостоев дачи увеличилась до 7,1 единицы, а березы и дуба сократилось до 0,9 и 1,0 единиц соответственно, доля лиственницы равнялась 0,8 единицам. В последующей динамике породного состава древостоев происходит сокращение доли сосны до 3,9 единиц и увеличение доли березы (1,6 единиц), дуба (2,3 единицы) и лиственницы (1,8 единиц) к 2009 году. Увеличение площадей, занятых дубом и березой, отмечалось в Подмосковье в работе В.Н. Короткова [2000].
В 2009 году липа сохраняет участие в дубняках и сосняках, а также появилась в составе березняков и лиственничников, клен остролистный – в составе дубняков и сосняков, и даже вяз, страдающий от голландской болезни ильмовых, составляет 1 % от общего запаса древостоев в 2009 году. Материалы наблюдений на постоянных пробных площадях показывают, что в насаждениях лесной дачи протекает процесс перехода липы, вяза, ясеня, дуба из второго яруса в первый. Эти факты подкрепляют выводы ряда исследователей динамики насаждений в Лесной опытной даче [Наумов и др., 2014] о наличии тенденции восстановления хвойно-широколиственных лесов, чему способствуют отмеченные ранее климатические изменения. Желательность и необходимость процесса восстановления хвойно-широколиственных лесов отмечается в работах ряда исследователей [например, Рысин, 2012].
Тенденция к изменению породного состава древостоев характерна не только для Лесной опытной дачи, но, в том числе и для насаждений Национального парка «Лосиный остров» (приложение 3), где оказывает влияние практически тот же набор антропогенных факторов. Например, А.В. Абатуров с соавт. [1997] отмечают, что отрицательно на состоянии древостоев сказались дымогарные промышленные выбросы от рядом расположенных предприятий. На границе лесного массива воздействие дыма привело к суховершинности сосны, снизился прирост, усилился опад хвои [Проскуряков, 1950]. На возобновлении лесных пород в конце XIX – начале XX веков сильно сказались выпас скота и сенокошение. В настоящее время насаждения Национального парка «Лосиный остров», особенно на его границах, подвержены сильным рекреационным нагрузкам, чему способствует расположение лесного массива в границах города Москвы, городских округов Балашиха, Королев и Мытищи.
По материалам учета лесного фонда в 1842 году в насаждениях Лосиноостровской лесной дачи преобладающими породами являлись сосна и ель со средними запасами 270 и 290 м3га-1 соответственно. Незначительные площади были заняты березовыми (7 га) и осиновыми (387 га) древостоями. К 1884 году произошло значительное сокращение площадей, занятых древостоями хвойных пород, а вместе с этим увеличилась доля площадей, занятых древостоями березы, осины и липы. За прошедший период значительное увеличение березовых и осиновых древостоев связано с зарастанием вырубок в еловых и сосновых насаждениях.
Наличная фитомасса
От состояния хвои и листвы древесных растений зависит продуцирование органического вещества в процессе фотосинтеза. В первую очередь от загрязняющих атмосферный воздух веществ страдает ассимиляционный аппарат. Например, от полученных химических ожогов может наблюдаться преждевременное опадание хвои или листьев, что в конечном итоге приводит к ослаблению всего древостоя, сопровождающегося снижением прироста и усилением интенсивности отпада. Поэтому в городских условиях, как правило, фитомасса ассимиляционного аппарата ниже, чем в естественных. Например, в сосновых насаждениях города Красноярска биомасса хвои сосны на 20-35% меньше по сравнению с насаждениями, произрастающими в условиях естественной среды [Ставникова и др., 2011].
На рисунке 4.6.1 показана динамика фитомассы хвои сосновых древостоев естественного происхождения. На пробных площадях 4/Ь, 3/Е, 1/А, 3/Ж, 7/Д где сосновые насаждения возникли в первой половине XIX века, достигнуты наибольшие значения фитомассы: 5,8 тга-1 (55 лет), 5,7 тга-1 (90 лет), 5,1 тга-1 (35 лет), 5,1 тга-1 (90 лет), 4,0 тга-1 (80 лет) соответственно. На пробных площадях 2/А, 2/Д, и 3/Г, где сосновые насаждения возникли во второй половине XIX века и после строительства жилых кварталов оказались в зоне повышенных рекреационных нагрузок, максимальные значения фитомассы хвои значительно меньше: 3,1 тга-1 (55 лет), 3,2 тга-1 (45 лет), 3,8 тга-1 (45 лет). Различия в средних максимальных значениях фитомассы хвои между двумя группами рассматриваемых пробных площадей являются статистически значимыми на 5% уровне при двухсторонней альтернативе (tфакт.=4,57; p-значение=0,004).
В культурах сосны кривая зависимости фитомассы хвои от возраста на рассматриваемом временном промежутке имеет два ярко выраженных максимума (рисунок 4.6.2). Во всех случаях значение фитомассы в первом максимуме превышает значение во втором. В культурах сосны с начальной густотой 32,0 тыс. шт.-га"1 (пробные площади 4/А, 4/Б, 4/Е, 4/Ж, 4/К, 4/Л и 4/М) величина первого максимума превышает в 1,6+0,03 раза величину второго, а в культурах с начальной густотой 2,2 тыс. шт.-га"1 (пробные площади 5/В, 5/Г, 5/Д и 5/Е) в 1,9+0,13 раза. В культурах с высокой густотой максимальная продуктивность фитомассы хвои составляет 8,7±0,2 т-га"1, а в культурах с низкой густотой - 6,2±0,2 т-га"1. Таким образом, сопоставляя древостой естественного происхождения и культуры, можно сделать вывод, что во вторых продуктивность фитомассы ассимиляционного аппарата выше, чем в первых. На пробной площади 6/14, заложенной в культурах сосны 1940 года посадки, максимальная продуктивность фитомассы хвои достигается в возрасте 30 лет (3,5 т-га"1), а далее наблюдается ее снижение.
Культуры лиственницы на постоянных пробных площадях Лесной опытной дачи уступают по продуктивности фитомассы хвои культурам сосны с различной начальной густотой, но сопоставимы с сосновыми древостоями естественного происхождения. На рисунке 4.6.3 показана динамика фитомассы хвои лиственницы. Максимальной продуктивностью по фитомассе хвои из всех рассматриваемых пробных площадей характеризуется древостой на пробной площади 11/К. Здесь в возрасте 135 лет фитомасса равна 6,8 т-га"1.
Сравнение линий динамики фитомассы хвои для лиственницы европейской (Larix decidua) и лиственницы сибирской (Larix sibirica) показывает, что в большинстве древостоев лиственницы европейской в возрастном промежутке от 80 до 120 лет формируется максимум кривой зависимости от возраста, в то время как в древостоях лиственницы сибирской продолжается увеличение фитомассы хвои даже после 130 лет. Кроме того, древостой лиственницы сибирской являются более продуктивными по фитомассе хвои, чем лиственницы европейской.
На рисунке 4.6.4 показана динамика фитомассы листьев дубовых древостоев на пробных площадях. Кривая зависимости фитомассы листьев от возраста имеет до трех максимумов, при этом, как правило, значение фитомассы в первом максимуме является наибольшим. Исключение составляют пробная площадь 7/Жі, на которой фитомасса второго максимума равна 3,5 т-га"1 (90 лет), а первого - 3,4 т-га"1 (65 лет), а также пробные площади 11/Е и 13/0. Вероятными причинами этого являются повышенные рекреационные нагрузки на всех трех пробных площадях с момента начала выращивания древостоев.
Максимальной продуктивностью фитомассы листьев характеризуется древостой на постоянной пробной площади 8/0. Здесь фитомасса первого максимума составляет 5,0 т-га"1 (40 лет), второго максимума - 4,0 т-га"1 (110 лет). Древостой пробных площадей 13/0 и 11/Е, расположенные в местах повышенных рекреационных нагрузок, незначительно уступают по максимальной продуктивности фитомассы листьев древостоям пробных площадей, расположенных в глубине лесного массива.
По продуктивности фитомассы листьев березовые древостой не отличаются от дубовых. На рисунке 4.6.5 показана динамика фитомассы листьев березовых древостоев. В процессе роста древостоев кривая зависимости фитомассы от возраста приобретает до четырех максимумов, например, как на пробной площади 6/Т: первый максимум - 3,8 т-га"1 в 35 лет, второй - 4,5 т-га"1 в 65 лет, третий - 3,9 т-га"1 в 90 лет и четвертый - 1,8 т-га"1 в 140 лет. Максимальной продуктивностью фитомассы листьев характеризуются березовые древостой на пробных площадях 6/13 (4,9 т-га"1 в 55 лет), 6/Т (4,5 т-га"1 в 65 лет), 6/Ъ (4,4 т-га"1 в 55 лет) и 6/Э (4,3 т-га"1 в 55 лет).
В результате рассмотрения динамики фитомассы ассимиляционного аппарата древостоев сосны, лиственницы, дуба и березы в условиях Лесной опытной дачи можно сделать заключение, что кривая зависимости фитомассы хвои или листьев от возраста древостоя имеет достаточно сложную форму, в результате чего наблюдается несколько точек кульминации в течение всего периода роста древостоя. Это подтверждает выводы В.А. Усольцева [1988], полученные в результате анализа динамики фитомассы сосновых древостоев естественного происхождения и в культурах, что в молодости наступает первая кульминация кривой зависимости фитомассы от возраста, далее в результате интенсивного изживания фитомасса хвои снижается, а когда древостой становится значительно изреженным, то кроны снова развиваются ускоренным темпом и формируется следующий максимум.
При разработке рекомендаций ведения хозяйства, для контроля эффективности проводимых мероприятий в лесных массивах урбанизированных территорий необходимо учитывать величину формирования фитомассы древостоев, а ее отражают показатели прироста. Прирост по наличной фитомассе определяет интенсивность выполнения древостоями экологических функций. Чем больше значение чистой экосистемной продукции (NEP), тем большим является положительный кислородный баланс и закрепляется большее количество атмосферного углерода.
На рисунке 4.6.6 показана динамика чистой экосистемной продукции фитомассы сосновых древостоев естественного происхождения в сравнении с линиями из таблиц биологической продуктивности. На пробных площадях наибольшие значения прироста наблюдаются в возрасте 20-30 лет (4-6 т-га"1-год"1). Для сосновых древостоев P-V классов бонитета по таблицам биологической продуктивности возраст кульминации кривых наступает в 30-40 лет.
На пробных площадях 1/А, 2/А, 2/Д, 4/Ь, где в разные годы древостой были подвержены сильным рекреационным нагрузкам, повреждены в результате боевых действий, текущий прирост по наличной фитомассе достиг отрицательных значений к возрасту 50-70 лет. На пробных площадях 3/Е, 3/Ж и 7/Д, расположенных в глубине лесного массива, отрицательный прирост достигается после 80-100 лет.
На рисунке 4.6.7 показано сопоставление динамики чистой экосистемной продукции фитомассы культур сосны с данными таблиц биологической продуктивности для древостоев Ib-V классов бонитета. В культурах с начальной густотой 32,0 тыс. шт. га"1 максимальное значение NEP достигается в возрасте 10-15 лет. При начальной густоте 2,0-4,0 тыс. шт.-га"1 максимальное значение прироста соответствует возрасту 20 лет. Для кривых из таблиц биологической продуктивности для Ib-V классов бонитета кульминация наблюдается в диапазоне от 20 (1ь класс) до 40 лет (V класс).
В лесных культурах максимальные значения текущего прироста по наличной фитомассе (6-8 т-га_1тод-1) больше, чем в сосновых древостоях естественного происхождения (4-6 т-га-1тод-1). В культурах в большинстве случаев прирост принимает отрицательные значения, начиная с возраста 30-40 лет. Культуры с начальной густотой 32,0 шт.-га"1 достигают второго ярко выраженного максимума кривой зависимости текущего прироста от возраста. В 90 лет значение NEP составляет 3-4 т-га год"1. В культурах с меньшей начальной густотой значение NEP во втором максимуме не превышает 0,5-2,0 т-га год"1.
В культурах лиственницы на большинстве пробных площадей положительный текущий прирост по наличной фитомассе сохраняется после возраста 100 лет (рисунок 4.6.8). Максимум текущего прироста приходится на диапазон возрастов от 10 до 60 лет. Наибольшим значением NEP характеризуется древостой на пробной площади 11/Т в возрасте 60 лет (10,1 т-га_1тод-1) и на пробной площади 7/Ф в возрасте 10 лет (8,9 т-га год"1). По данным таблиц биологической продуктивности для древостоев 1Ь-П классов бонитета максимум текущего прироста по наличной фитомассе приходится на 30 лет (4,9-7,4 т-га год"1).
Фитонцидная активность
В условиях городов важным санитарно-гигиеническим показателем является количественный состав микрофлоры воздуха. Лесные насаждения, выделяя фитонциды, служат в роли хороших регуляторов качества воздуха. Древесный полог выступает естественным фильтром, в котором задерживаются частички пыли вместе с микроорганизмами, где они подвергаются воздействию фитонцидов, погибают и смываются осадками в почву.
Переносимые ветром летучие соединения, обладающие бактерицидным эффектом, способствуют оздоровлению воздуха города, а благодаря своей химической активности, способствуют его очищению. М.В. Григорьевой [2000] было выявлено, что в воздухе города Воронежа число микроорганизмов в 5-33 раза больше, по сравнению с воздухом под древесным пологом.
Кроме того, как в России, так и за рубежом широко применяется профилактика и лечение заболеваний с использованием летучих выделений растений [Став-никова и др., 2011]. Летучие выделения древесных растений оказывают положительное влияние на сердечно-сосудистую, дыхательную, нервную системы человека, способствуют повышению иммунитета. А.К. Артюховский [1985], анализируя данные о заболеваемости людей, проживающих в лесу и на безлесной территории, приходит к выводу, что в условиях лесной местности крайне низким является процент людей с заболеваниями органов дыхания, в два раза меньше больных с расстройствами нервной системы. Но при этом стоит отметить, что фитоорганиче-ские вещества некоторых древесных растений могут вызывать у людей аллергическую реакцию.
По данным, представленным в работе А.К. Артюховского [1985], в летучих и транспирационных выделениях лиственницы содержатся ацетилен, этилен, ацетон, скипидар, альдегиды, спирты; сосны обыкновенной – терпеновые соединения, тер-пеновые спирты, борнилацетат, органические кислоты, сложные эфиры, альдегиды, аминокислоты; дуба черешчатого – бутилен, альдегиды, спирты, эфирные масла, органические кислоты; березы повислой – ацетилен, бутилен, альдегиды, формальдегиды, спирты, оксикумарины, амины, аминокислоты; липы – ацетилен, этилен, альдегиды, парафиноидные соединения.
Согласно шкале фитонцидной активности по продолжительности умерщвления микроорганизмов, предложенной М.В. Григорьевой [2000], основные лесооб-разующие породы Лесной опытной дачи по активности фитоорганических выделений ранжируются следующим образом (от очень высокой активности к очень низкой): лиственница сибирская (6,2 мин.), береза повислая (8,3 мин.), сосна обыкновенная (9,0 мин.), клен остролистный (12,2 мин.), дуб черешчатый (15,5 мин.), липа крупнолистная (15,5 мин.), липа мелколистная (18,2 мин.)
По материалам учета лесного фонда с использованием шкалы М.В. Григорьевой [2000] была рассчитана средняя фитонцидная активность древостоев Лесной опытной дачи с 1862 по 2009 годы как по площади, так и по запасу основных лесо-образующих пород (рисунок 6.2.1). С 1862 до 1935 года происходило повышение фитонцидной активности, что связано с увеличением в результате проводившихся лесовосстановительных работ площадей и запасов древостоев наиболее фитонцидно активных пород. В 1862 году средняя фитонцидная активность по площади составляла 10,0 мин., по запасу - 9,9 мин., а в 1935 году по площади - 9,1 мин., а по запасу - 8,9 мин.
После 1935 года начался процесс активного внедрения в состав лесного фонда широколиственных пород, которые характеризуются низкой фитонцидной активностью, поэтому с 1935 по 1962 год наблюдается резкое снижение показателя средней фитонцидной активности древостоев до 10,3 мин. по площади и 10,0 мин. по запасу. После 1962 года наблюдается стабилизация средней фитонцидной активности на уровне 10,1 мин. по площади и 9,9 мин. по запасу.
По выделению в окружающую среду биологически активных веществ сосновые древостой имеют преимущество над лиственничными, дубовыми и березовыми. По данным Р.А. Степеня и СВ. Соболевой [2016], в молодняках сосны под пологом леса содержится 2,6-3,1 мг-м"3 летучих веществ, над пологом леса - 4,1-5,0 мг-м"3, а в молодняках лиственницы под пологом леса - 2,1-2,3 мг-м"3, над пологом леса - 2,5-2,8 мг-м". В среднем в день выделение фитонцидов 1 га соснового леса составляет 5 кг, а березового - 3 кг [Атрохин, Власюк, 1984].
На рисунке 6.2.2 приводится динамика среднесуточного выделения фитонцидов древостоями Лесной опытной дачи по результатам укрупненной оценки. До 1945 года происходило увеличение выделяемых фитоорганических соединений древостоями, чему способствовало создание сосновых лесных культур на значительных площадях. В 1862 году в сутки в среднем в окружающую среду поступало 4,3 кг-га"1 фитонцидов, в 1945 году - 4,5 кг-га"1.
С 1945 по 1973 год наблюдается резкое снижение выделяемых фитонцидов, что обусловлено старением и распадом сосновых древостоев естественного происхождения, вместе с тем происходило увеличение площадей, занятых менее фитонцидными древесными породами. Так, в 1973 году среднесуточная фитонцидность древостоев Лесной опытной дачи составила 3,8 кг-га"1. В 2009 году значение среднесуточной фитонцидности составило 3,7 кг-га"1.
В настоящее время за вегетационный период укрупненная оценка фитонцидности древостоев Лесной опытной дачи составляет 130 т, что свидетельствует о высокой антимикробной активности лесных насаждений и об их большом значении для населения Северного административного округа города Москвы.