Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Природные условия района и характеристика объекта исследований 28
2.1. Природные условия района исследований 28
2.2. Характеристика объекта исследований 36
2.2.1. Краткая характеристика вырубок 44
Глава 3. Программа и методика исследований. Объем экспериментального материала .48
3.1. Программа исследовани й 48
3.2. Методики исследований 49
3.3. Объем работ 52
Глава 4. Изменение режима ПГВ и лесорастительных свойств торфа под влиянием осушения .53
4.1. Динамика уровня почвенно-грунтовых вод 53
4.2. Эффективность работы осушительных каналов и норма осушения .56
4.3. Изменение лесорастительных свойств сфагнового торфа .63
Глава 5. Реакция древостоев на осушение .72 Глава 6. Естественное возобновление под пологом древостоев и на вырубках 88
6.1. Количественные и качественные показатели подроста под пологом древостоев и на вырубках 88
6.2. Динамика сезонного роста подроста и его годичный прирост по высоте 100
6.3. Строение корневых систем подроста сосны 106
6.4. Динамика фитомассы подроста сосны .110
Глава 7. Влияние осушения на живой напочвенный покров под пологом древостоев и на вырубках .115
Основные выводы и рекомендации 120
Список использованной литературы
- Характеристика объекта исследований
- Методики исследований
- Эффективность работы осушительных каналов и норма осушения
- Строение корневых систем подроста сосны
Характеристика объекта исследований
По исследованиям В.П. Косарева и др. [1986] после 7 лет осушения верхового болота с пушицево-сфагновым типом торфа произошла осадка торфа на 20 – 25 см возле канала, увеличилась объемная масса на 10 – 15% на глубине профиля от 0 до 30 см, а под кавальером объемная плотность увеличилась в 2 раза. Водопроницаемость почвы не изменилась.
При изучении лесоболотных почв Карелии Н.И. Пьявченко [1971] установил, что запасы общего азота в торфяных почвах всех типов достаточно велики. Содержание фосфора в почвах верховых болот не значительно. Калия во всех торфяных почвах мало. Почвенного запаса азота 1 – 2%, фосфора 4 – 5% и 35 – 40% и больше – калия, находятся в доступных растениям формах.
По сведениям А.В. Кудряшева [2002] на узколесосечных вырубках с хорошим возобновлением (8С2Б) возможно снижение кислотности, так как береза в данном случае является почвоулучшающей породой. И только через 20 лет интенсивного осушения значительные изменения торфяных почв происходят в верхнем слое торфа (0 – 15 см).
Результаты наблюдений за температурным и водным режимом на сплошных вырубках свидетельствуют о возникновении особых климатических условий [Медведева и др., 1989; Медведева, 1989]. Так, анализ среднемесячных данных о температуре верхнего 20-см слоя торфа показал, что в течение вегетационного периода температура почвы на сплошной вырубке выше на 0,8 – 1,5С, чем на контроле. Наблюдаются большие различия в температуре воздуха у поверхности почвы – разница достигает 10 – 15С. Для вырубки характерны наибольшие значения максимальных и минимальных температур, здесь чаще повторяются заморозки и их температура ниже, чем под пологом насаждений. По мере зарастания вырубок разница температур между вырубкой и под пологом древостоя сглаживается.
По исследованиям А.И. Тимофеева и др. [2002] за 20 лет осушения наблюдается тенденция улучшения химических свойств торфяной почвы; увеличивается зольность торфа, снижается кислотность в строну меньшей мощности и большей трофности торфа.
В исследованиях водно-физических и химических свойств [Пятецкий, 1967; Вомперский, 1968; Ефремова, 1975], динамики подвижных форм элементов питания [Пьявченко, 1985], процессов промерзания и оттаивания осушенных торфяных почв [Вомперский, 1968; Медведева, 1971; Ефремов, 1972] отмечено положительное влияние осушения на ход развития фитоценоза.
Подобные результаты можно наблюдать и на верховых болотах. Наибольшее распространение среди верховых болот имеют кустарничково-сфагновые типы – около 46% [Саковец, 1989]. Эти болота имеют в покрове пышно развитые кустарничковый и моховой ярусы, в которых в основном встречаются касандра, голубика, подбел, пушица, морошка, клюква, багульник, мхи (фускум, сфагнум, кукушкин лен).
Многочисленными исследованиями установлено, что под влиянием осушения уже в первые годы происходят изменения в сукцессионных процессах живого напочвенного покрова (ЖНП) [Нешатаев, 1986; Матюшкин и др., 1989; Маковский и др., 1989; Новогородова, 1994; Красильников и др. 1996].
В.А. Матюшкин и др. [1989] высказывают мнение, что под влиянием осушения происходит постепенная смена гигрофильных видов на лесные травянистые растения, а на сплошных вырубках усиливается развитие травяно-кустарничкового яруса.
Это подтверждают исследования Г.П. Минкевича и др. [1994]: на смену выпадающим из покрова растениям под воздействием осушения приходят менее влаголюбивые лесные гигрофильные, ксеро-, и мезофильные виды (черника, брусника, плевроциум), среди которых основное место занимает кукушкин лен, при этом изменчивость состава ЖНП напрямую зависит от глубины ПГВ. На менее осушаемых участках клюква начинает выпадать из состава ЖНП на 6 год после осушения и на 14 год ее обилие снижается до 30%, осока и пушица начинают выпадать через 7 – 14 лет, голубика при этом разрастается. Осушение ведет к отмиранию сфагновых мхов, и через 15 лет их обилие уменьшается в 1,6 раза. В травяно-сфагновом сосняке начальная стадия сукцессии длится 20 – 30 лет, и за этот период возрастает обилие видов мезофитов из-за внедрения новых видов [Нешатаев, 1986].
По сведениям Е.В. Григорьевой и др. [1993] на верховых болотах в ходе сукцессии образуются кустарничково-зеленомошные сосняки с участием в напочвенном покрове черники и брусники. Сукцессия, идущая на осушенной вырубке, начинается с внедрения в травяной ярус светолюбивых видов – эксплерентов, ру-дералов, угнетения видов таёжного мелкотравья и мхов мезофитов.
Существует и такие взгляды, что на верховых болотах процессы трансформации травяно-кустарничкового яруса после осушения проходят медленно [Маковский, 1997]. По Е.В. Григорьевой и др. [1990] – в целом изменения видового состава и его распределение за 9-летний срок наблюдений крайне незначительны, что позволяет сделать вывод о консервативности растительности верховых болот.
Кроме этого, разрастающийся ЖНП после осушения образует плотную дернину, тем самым препятствует появлению древесных пород.
В.П. Бельков и др. [1977] отмечают, что на сфагновом болоте влияние ЖНП в течение 11 лет вызвало отставание сосны в росте по высоте и диаметру более чем в 2 раза, а по объему ствола почти в 20 раз, вследствие этого возобновление происходит не всегда успешно. Разрастающиеся болотные кустарники оказывают угнетающее действие на рост сфагновых мхов, что способствует лучшей всхожести семян сосны [Рубцов, 1955, 1960].
Общеизвестно, что от состояния корневых систем и условий биогеоценоза зависит формирование надземной части растения [Комарова и др., 1980]. Многими исследователями [Елпатьевский, 1957; Пьявченко, 1962; Буш, 1968; Красиль-ников, 1998] отмечено, что интенсивность осушения является одним из наиболее важных факторов, определяющих уровень изменения физиологических процессов фитоценоза. Следовательно, можно допустить, что если в почве протекают процессы изменения условий в сторону улучшения водно-воздушного питания, то изменится объем распространения и морфологические параметры корневых систем.
Методики исследований
Свердловская область образована в 1934 г. Площадь области составляет 194,8 тыс.км2 [Мошкин, 1966]. На севере, северо-востоке и востоке область граничит с Тюменской областью, на северо-западе – с Республикой Коми и Пермским краем, на юге – с Челябинской, Курганской областями и республикой Башкортостан.
Рельеф области в западной части – горный, в восточной – равнинный. Район исследований расположен в Зауральской холмисто-предгорной провинции Западно-Сибирской равнинной лесной области в пределах южной подзоны тайги [Колесников, 1960, 1969]. Территорию области условно принято ещё делить по линии верховья р.Ляля на Северный и Средний Урал. Ландшафт Среднего Урала характеризуется как низкогорный, состоящий из низких лесистых хребтов и увалов плавных очертаний (средние высоты – 300 – 400 м, максимальные отметки высоты отмечены у г. Качканар – 883 м) [Мошкин, 1966]. Ландшафт Северного Урала – среднегорный (средние высоты – 500 – 600 м, максимальные – 1600 м) [Колесников, 1969]. Хребты разделены глубокими горными долинами, но обычно плос-ковершинны. На главном Уральском хребте, который является водоразделом, находятся самые высокие вершины в Свердловской области: Конжаковский (1569 м) и Косьвинский (1519 м) камни. В целом, для горной полосы характерно чередование меридиально вытянутых сравнительно узких и коротких хребтов с разделяющими их межгорными понижениями, занятыми долинами горных рек [Колесников, 1969].
С востока, предгорья Урала соединяются с Западно-Сибирской равниной, северная часть которой, приблизительно к северу от р. Тура, имеет идеально выровненный характер, но сильно заболочена и заторфована [Колесников и др, 1973]. На юго-востоке, южнее р. Туры, низменность несколько приподнята, долины рек углублены заметно больше, чем на северо-востоке, а заболоченность со 29 кращается. По междуречьям много плоских и неглубоких ложбин [Мошкин, 1966].
Гидрографическая сеть Свердловской области хорошо развита и представлена большим количеством рек и озер, относящихся к бассейну р. Оби. Все крупные реки – Чусовая, Уфа, Сосьва, Лозьва, Пелым и Тавда – берут начало на Уральском хребте. По долинам Уральских рек, в пределах области, шел сток вод в ледниковое время, оставивший след в виде широких песчаных террас и огромных торфяно-болотных массивов, вытянутых по направлению долин, в межгорных понижениях залегают озера (Таватуй, Аятское, Шарташ и др.) [Колесников, 1969].
Климат Свердловской области формируется под воздействием воздушных масс трех типов: влажных и прохладных атлантических, приходящих с запада; холодных и относительно сухих полярных (арктических), распространяющихся вдоль Уральского хребта; теплых и сухих континентальных – приходящий со стороны Казахстана. Значительная роль принадлежит также циклонам, подходящим к Уралу преимущественно с запада [Колесников, 1969].
Среднегодовые температуры в южной части области положительные, в северной – отрицательные. Продолжительность вегетационного периода колеблется от 160 – 170 дней на юго-востоке (бассейн р. Пышма) и до 110 – 120 – в горах Северного Урала. Период, с устойчивым снежным покровом, достигает 6 месяцев. Для всего Урала характерны поздние весенние и ранние осенние заморозки, заметно укорачивающие безморозный период. Распределение осадков по Свердловской области неравномерное. Наибольшее количество осадков выпадает в горной полосе Урала и на западных предгорьях (800 – 850 мм и более). Зима морозная и снежная [Мошкин, 1970].
Температурный режим достаточно однороден в пределах области. Для него характерно постепенное понижение температуры к северу, как на равнине, так и в горах. В южной части среднегодовые температуры от +1,5 до +0,1С, в северной – от 0 до -2,0С. Граница среднегодовой нулевой изотермы проходит по границе средне – и южно-таежной подзон [Агроклиматический справочник, 1962].
Средняя температура января не поднимается выше -14С на юге, достигая -20С на севере, минимальные температуры могут достигать -50С. Лето теплее всего в Зауральской равнине (юго-восток), где средняя температура июля +18, +19С, в горной полосе лето прохладнее. Сумма среднесуточных температур выше +10С для северной тайги горных регионов составляет 1300 – 1500С, для средней и южной тайги 1600 – 1900С [Колесников, 1969].
Лето прохладное, короткое. Меньше всего осадков выпадает на равнинном юго-востоке (320 – 350 мм). Зима морозная и малоснежная. В восточных предгорьях Урала, существенных различий в годовом количестве осадков (350 – 520 мм) между северными и южными районами нет.
В таблице 1 приведены данные метеопостов Свердловской области, из которых видно перераспределение климатических характеристик в области по среднемесячной температуре (0С) самого холодного и теплого месяца года, средней длительности безморозного периода (дни), сумме среднемесячных температур более 100С, среднему количеству осадков (мм). Распределение климатических характеристик по району исследований приведено в таблице 2 и 3.
Эффективность работы осушительных каналов и норма осушения
Многими исследователями [Елпатьевский, 1957; Пьявченко, 1962; Буш, 1968] отмечено, что интенсивность осушения определяет уровень изменения физико-химических свойств почвы, физиологических процессов в фитоценозе, продуктивности насаждений.
По результатам исследований В.П. Косарева и др. [1986] после 7 лет осушения верхового болота с пушицево-сфагновым типом торфа на глубине 20 – 25 см происходит осадка торфа у канала, увеличивается объемная масса на 10 – 15%, а под кавальером объемная плотность увеличивается в 2 раза. Водопроницаемость почвы не меняется.
По сведениям А.В. Кудряшева [2002] через 20 лет интенсивного осушения на узколесосечных вырубках с хорошим возобновлением (8С2Б) в верхнем (0 – 15 см) слое торфа происходит снижение кислотности (так как береза в данном случае является почвоулучшающей породой), увеличение золы (максимальное увеличение в наименьшей мощности торфа) [Тимофеев, 2002].
При изучении лесоболотных почв Карелии Н.И. Пьявченко [1971] установил, что во всех типах торфяных почв общего запаса азота достаточно велико (1 – 2%). В почвах верховых болот содержание фосфора не значительно (4 – 5%), а калия в доступных для растений формах находится более 35%.
По результатам исследований Т.В. Глуховой [1988] выяснилось, что ежегодно существенный вклад в суммарное поступление зольных элементов в процессе почвообразования Западнодвинского стационара вносит атмосферная пыль (39 кг/га) и осадки (36 кг/га). Подобные исследования, проведенные на стационаре «Северный» Г.Г. Но-вогородовой [1992] выявили, что почвы на нем развиваются на верховых мезо-олиготрофных торфах зольностью 1,1 – 4,0%, степенью разложения от 14 – 58% на глубине ниже 0,5 м. Торф кислый (2,6 – 3,3 рН (солевой)). Эти почвы характеризуются большим накоплением органического углерода (34 – 77%) в сравнении с переходными почвами (20 – 49%). При этом обогащенность азотом низкая. Отношение углерода к азоту составляет 26 – 54, когда у переходных торфов – 12 – 18. Необычность торфа связана с последствиями многократных пожаров и значительным аэротехногенным загрязнением почв.
Водно-физические и агрохимические параметры торфа на 20-й год после осушения по результатам наших исследований представлены в таблицах 19 и 20.
Торф отвечает принятому нижнему пределу влажности, обеспечивающий естественное лесовозобновление [Вомперский, 1972; Пахучий, 1993]. Однако, влажность его находится выше благоприятных значений (40 – 60%) [Вомперский, 1975]. Влагоемкость торфов (512 – 2424%) находится в прямой зависимости от межканального расстояния и от характеристики древостоя (полноты и возраста). Однако, это не всегда так на глубокозалежных торфах [Тимофеев, 1982].
Наибольшие изменения по лесорастительным свойствам торфа отмечено в варианте опыта при расстоянии между каналами 172 м. В этом варианте опыта произошло увеличение объемной массы торфа (на 0,01 г/см3), уменьшение удельной массы (на 0,01 г/см3), пористости (на 5%) и влагоемкости (на 180%). Так, на глубине до 10 см объёмная масса имеет 0,06 г/см3, на глубине 10 – 30 см – 0,07 г/см3. Удельная масса в среднем равна 1,39 г/см3, варьирует от 1,34 до 1,42 г/см3. Пористость торфа на глубине 0 – 10 см равна 89,0%, на глубине от 10 до 30 см – 91,0 – 92,0%. Объемная влажность в среднем равна 90%.
На остальных вариантах опыта водно-физические свойства остались практически на прежнем уровне. Возможно, это связано с меньшей обеспеченностью на них нормы осушения. В связи с улучшением роста древостоев и, возможно, с усилением процесса вымывания, первоначальное количество золы уменьшилось в среднем на 41,9% (1,35 – 17,8%).
Примечание: в числителе – среднее значение показателя; в знаменателе – ошибка. На межканальном пространстве 192 м водно-физических свойства торфа следующие: объемная масса торфа изменяется по горизонтам от 0,10 до 0,13 г/см3. Удельная масса на глубине 0 – 10 см составляет 1,38 г/см3, на глубине 10 – 20 см – 1,43 г/см3, на глубине 20 – 30 см – 1,38 г/см3. Пористость в среднем равна 92%, влажность объемная – 89%.
В пределах осушаемого болота на лесорастительные свойства торфа оказывает влияние вырубка древостоя. Торф на вырубках имеет большую объемную (на 0,01 г/см3) и удельную (на 0,01 г/см3) массу, а так же пористость (на 1,66%) и вла-гоемкость (на 136,5%), чем под пологом осушаемых и не осушаемых древостоев Объемная влажность меньше на 3,5%.
На вырубке 1 (В-1) объемная масса торфа увеличивается с глубиной от 0,04 до 0,06 г/см3. Удельная масса его в среднем равна 1,41 г/см3; с глубиной увеличивается от 1,31 до 1,49 г/см3. Пористость составляет 96 – 97%. Влажность объемная равна 83 – 91%.
На вырубке 2 (В-2) просматривается уменьшение объемной массы торфа с увеличением глубины, от 0,17 до 0,14 г/см3, и она в 4,25 – 2,3 раза превышает массу торфа на вырубке 1. Удельная масса торфа в среднем равна 1,39 г/см3, с глубиной увеличивается от 1,32 до 1,50 г/см3. Пористость составляет 87 – 91%. Влажность объемная 82 – 84%.
На вырубках влагоемкость (512 – 2424%) и влажность объемная (82 – 93%) близки к значениям до осушения, вероятно, из-за отсутствия древостоя. Этот факт можно объяснить еще тем что, здесь торф обладает большей пористостью и, как следствие, имеет большую пропускную способность.
Осушение существенно изменяет агрохимические показатели торфа. Изменение связано, в основном, с повышением значений агрохимических показателей с увеличением глубины. Обратной связью с глубиной характеризуются массовая доля золы и щелочногидролизуемого азота. У этих показателей наибольшие значения наблюдаются у поверхности почвы. Торф под пологом древостоя по сравнению с торфом на вырубках отличается меньшим количеством аммонийного и нитратного азота и зольных веществ. Вероятно, такое количественное распреде 68
ление складывается за счет опада и интенсивного потребления питательных элементов данных химических соединений в процессе роста и развития корневой системы представителей фитоценоза [Вомперский, 1975].
В целом по стационару торф характеризуется следующими показателями: кислотность составляет 2,8 – 3,17 рН; количество подвижного фосфора (Р2О5) – 0,24 – 2,75 мг/100 г.; массовая доля подвижного калия (К2О) – 6,05 – 52,1 мг/100 г.; массовая доля аммонийного азота – «ниже предела обнаружения» – 14,8 мг/100 г.; массовая доля нитратного азота – «ниже предела обнаружения» – 4,76 мг/100 г.; массовая доля щелочногидролизуемого азота – 25,4 – 44,8 мг/100 г.; массовая доля золы– 1,35 – 17,8%.
Строение корневых систем подроста сосны
Количество усохшего подроста при расстояниях между каналами 210 м и 112 м с полнотой древостоев 0,99 и 0,66 составляет 480 и 520 экз./га, соответственно. Наименьшее количество (всего 90 экз./га) усохшего подроста встречается на межканальном пространстве в 164 м. Это объясняется меньшей конкуренцией со стороны материнского древостоя имеющего полноту 0,66, а так же оптимальными гидрологическими и почвенными условиями.
На ППП 5, 14 и 23 с межканальными расстояниями от 172 до 210 м количество жизнеспособного подроста снижается (с 514 до 23 экз./га) с повышением полноты древостоя (с 0,66 до 0,99) и увеличением межканального расстояния (с 172 до 210 м). Уменьшение количества жизнеспособного подроста с повышением полноты и увеличением межканального расстояния отмечается в работах многих исследователей [Буш и др., 1960; Вомперский, 1968; Ефремов, 1972; Рубцов и др., 1981; Бабиков, 1984; Чиндяев, 1995]. Наибольшее количество (58,4% или 300 экз./га) жизнеспособного подроста преобладает во второй группе высоты (ср. высота – 81,3 см) при расстоянии 172 м. Количество усохшего подроста с уменьшением межканального пространства возрастает (с 13 до 813 экз./га).
Таким образом, под пологом осушаемого древостоя количества подроста не достаточно для формирования древостоя. Поэтому следует предусмотреть меры по искусственному лесовосстановлению [Приказ МПР РФ № 183 от 16.07.2007 г. «Об утверждении Правил …].
Под пологом неосушаемого древостоя (контроль) на 20 год осушения произошло уменьшение количества подроста сосны в 12 раз (до 570 экз./га). Основное количество (62,8% или 358 экз./га) жизнеспособного подроста приходится на четвертую группу высоты. Наибольшее количество усохшего подроста (50,8% или 226 экз./га) встречается в третьей группе высоты (рисунок 20).
На контроле такие показатели подроста объясняются низкой полнотой древостоя и трофностью почвы. Здесь, так же как и под пологом осушаемого древостоя необходимы меры по искусственному лесовосстановлению [Приказ МПР РФ № 183 от 16.07.2007 г. «Об утверждении Таким образом, в начальный период осушения под пологом древостоев подрост лучше растет и развивается при большой полноте древостоев и лучших эда-фических условиях. В дальнейшем с увеличением возраста подроста его количество уменьшается в результате конкуренции за элементы питания. Поэтому наибольшее количество жизнеспособного подроста после 20 лет осушения приурочено к участкам с наиболее благоприятным гидрологическим режимом и участкам, где древостои имеют меньшую полноту.
Близкие результаты получены в сосняках кустарничково-сфагновых на болотах Карелии. В них за период осушения от 20 до 46 лет при густоте подроста
Отмечается, что не прибегая к искусственному лесовосстановлению можно активизировать процесс естественного возобновления на осушаемых территориях с помощью рубок главного пользования. Н.А. Дружинин [2006] отмечает возобновление вырубок болот верхового типа сосной. Лиственные, реже темнохвойные породы, появляются лишь в прика-навной полосе и характеризуются ослабленным жизненным состоянием, слабой энергией роста. На успешность облесения влияет отсутствие бурного развития сфагновых мхов и малая мощность очеса.
Подобное можно наблюдать на сфагновых болотах Среднего Урала. По данным И.А. Иматовой [1997], на 7 год осушения количество подроста на вырубке 1 (В-1) увеличилось с 8,6 до 33,6 тыс. экз./га, из них сосны 18,44 тыс. экз./га. На вырубке 2 (В-2) количество подроста на 7 год осушения насчитывалось 17,4 тыс. экз./га, из них сосны 9,63 тыс. экз./га. Породный состав подроста изменился с 10С на С5,5Б4,5. Наибольшее количество жизнеспособного подроста (от 54 до 69%) насчитывалось в I и II группах высоты. Представленность подроста высотой 1,01 м и более составила от 5 до 7% (таблица 33).
По результатам наших исследований на 20 год осушения на вырубках выявлены следующие особенности лесовозобновительного процесса. Процессы лесовозобновления на вырубках происходят под влиянием динамики лесораститель-ных условий, которые меняют характер древесной растительности: изменяется густота подроста, появляются другие древесные породы. Особенно сильно зарастает грунт, вынутый из каналов (кавальер), на приканальной полосе наблюдается преобладание подроста хвойных пород, а на середине межканального пространства увеличивается доля березы. Аналогичные результаты отмечаются в работах других исследователей [Елпатьевский и др., 1978; Ипатьев и др., 1984; Пахучий, 1990; Феклистов и др., 1995]. К концу второго десятилетия количество подроста снизилось до 3,6 - 8,1 тыс. экз./га. Это объясняется усилением конкурентных взаимоотношений.
Подрост преимущественно растет по микроповышениям и вдоль перегнивающих остатков материнского древостоя [Вомперский, 1968; Елпатьевский и др., 1978] высотой более 3,0 м. В частности на вырубке 1 (В-1) подроста сосны высотой выше 3,0 м встречается 8,1% [Солнцев и др., 2008].
