Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 – Состояние вопроса .8
Глава 2 – Природные условия района исследований. Программа, объекты и методика исследований .35
2.1 – Природные условия района исследований .35
2.2 – Программа исследования 46
2.3 – Объекты исследования 46
2.4 – Методика исследований 53
Глава 3 – Влияние эдафических и погодных условий на прирост средневозрастных культур ели по радиусу ствола 55
3.1– Динамика радиального прироста средневозрастных ельников (абсолютные величины) 55
3.2 – Динамика радиального прироста средневозрастных ельников (относительные величины) 62
3.3 – Доля поздней древесины на высоте 1,3 м 68
3.4 – Связь ширины годичного кольца на высоте 1,3 м с погодными условиями 70
Глава 4 – Плотность древесины культур ели на минеральных и осушаемых торфяных почвах .81
4.1 – Плотность древесины ели .81
4.2 – Изменение плотности древесины в продольном направлении ствола 83
4.3 – Связь плотности на высоте 1,3 м с шириной годичного кольца и долей поздней древесины .87
Глава 5 – Характеристика формы и полнодревесности стволов еловых культур 89
5.1 Относительный сбег ствола .89
5.2 – Коэффициенты и классы формы ствола 94
Глава 6 - Толщина и объем коры. протяжённость живой части кроны 98
Заключение 104
Рекомендации 110
Библиографический список 112
- Природные условия района исследований
- Динамика радиального прироста средневозрастных ельников (абсолютные величины)
- Изменение плотности древесины в продольном направлении ствола
- Толщина и объем коры. протяжённость живой части кроны
Природные условия района исследований
Калининградская область расположена между 1938 и 2253 восточной долготы и 5418 и 5517 северной широты (рис. 2.1). Общая площадь Калининградской области вместе с Куршским и Калининградским заливами и косами составляет 15,1 тыс. км2, из них на сушу приходится 13,31 тыс. км2. Область расположена на западной окраине Русской равнины и на её территории сохраняются основные особенности рельефа данной территории: небольшие абсолютные и относительные высоты и разнообразие форм рельефа, созданных влиянием последнего оледенения. Крайняя западная точка Калининградской области является самой западной точкой России. На юге область граничит с Польшей, на востоке – с Литвой. С севера и запада область омывается заливами Балтийского моря.
Протяженность области с запада на восток 205 км, с севера на юг – 108 км. Рельеф области отличается разнообразием. Особенно выражен его ледниковый характер с типичной холмистостью в юго-восточной и северо-западной частях области. По форме поверхности можно выделить 4 геоморфологических района: 1. древнеаллювиальный, 2. основно-моренный, 3. южный подпруженный район, 4. конечно-моренный[175].
Древнеаллювиальный район занимает в основном территорию Куршской низменности и долины рек Преголи, Деймы и Инструча. Это район с отметками высот, близкими к нулю, он имеет наибольшее количество торфяных залежей. Куршская низменность относится к древнеледниковым равнинам. Под слоем торфа и молодых аллювиальных наносов здесь обнаруживаются сортированные пески, которые местами выходят на поверхность в виде гряд и холмо[175]в.
Основно-моренный район занимает самую большую площадь. Это легковолнистая равнина с отметками 20-40 м над уровнем моря.
Южный подпруженный район находится южнее основно-моренного района и имеет равнинный или слабохолмистый рельеф. Почвообразующие породы представлены в основном средними и тяжелыми суглинками.
Четвертый геоморфологический конечно-моренный район располагается как на западе, так и на юго-востоке области. Он отличается скоплением холмов различной высоты, озер и заболоченных глубоких котловин[175].
Климат. Согласно районированию Б.П. Алисова [65], Калининградская область относится к западноевропейскому району атлантико-континентальной области. Климат, благодаря расположению области на берегу Балтийского моря, является переходным к умеренно-континентальному.
Близость области к Атлантическому океану определяет основной характер климата. Поэтому по сравнению с центральными районами Европейской территории России климат Калининградской области отличается повышенной циклоничностью в течение всего года, особенно в зимний период. Это вызывает частые оттепели и смягчает температурный режим зимы, а летом определяет в основном прохладную, облачную и дождливую погоду.
Средняя годовая температура воздуха колеблется от +7,5С на западе области до +6,5С на востоке. Наиболее теплым месяцем является июль, а самым холодным — январь. В направлении с запада на восток области заметно увеличивается годовая амплитуда колебаний температуры воздуха. При поступлении на территорию области континентальных воздушных масс летом максимальная температура воздуха в июле-августе достигает +34+37С, а в зимний период понижается в январе-феврале до – 32-34С. Такие морозы за период 1891-1968 гг. отмечались трижды (1929, 1942, 1956). В среднем положительные (выше 0С) среднесуточные температуры воздуха в области устойчиво удерживаются с 17-19 марта по 26 ноября - 13 декабря, т. е. 8,5-9 месяцев[175].
Годовая норма осадков составляет 625-725 мм. В течение года осадки выпадают неравномерно: около 70% приходится на период апрель-октябрь.
Высота снежного покрова в среднем составляет 13-15 см на юго-западе области и 16-18 см на остальной территории. Наибольшая высота – обычно в конце февраля. Первый снег, как правило, выпадает в конце ноября, а устойчивый снежный покров образуется в конце декабря. Последний снег исчезает во второй половине апреля. Продолжительность снежного покрова – около 60-70 дней.
Глубина промерзания почвы составляет 36-47 см. В холодные зимы в некоторых районах почва промерзает на глубину более 100 см.
Колебания температуры и влажности почвы в период вегетации способствуют интенсивному протеканию биологических процессов в почве. Довольно продолжительный безморозный период с благоприятными условиями увлажнения обусловливает интенсивное разложение растительных остатков. Избыток влаги в осенний период обеспечивает вынос за пределы пахотного слоя значительной части минеральных и органических соединений. Почвообразующие породы области делятся на 5 генетических групп: ледниковые, водно-ледниковые, древнеаллювиальные и аллювиально-озерные отложения, а также торфяники[175].
Ледниковые отложения представлены валунными тяжелыми, средними и легкими суглинками, глинами, а также валунными супесями. Ледниковые отложения часто в морфологическом строении имеют двучленность, которая представлена двумя горизонтами, различными по окраске и гранулометрическому составу. Верхние слои сложены песками и супесями, неоднородными по окраске; нижние – суглинками. Характерная особенность отложений – их повышенная карбонатность[175].
Водно-ледниковые отложения представлены в основном безвалунными глинами (тяжелыми иловатыми и ленточными), которые различаются яркостью окраски: от кирпично-красных до красновато-коричневых и коричневато-серых. Водно-ледниковые глины являются почвообразующими породами и нередко выходят на дневную поверхность. Безвалунные глины характеризуются неблагоприятными физическими свойствами: низкой водопроницаемостью и, наоборот, слишком высокой влагоемкостью, малой теплопроводностью, способностью деформироваться при переувлажнении и иссушении. При сравнительно высоком содержании фосфора и калия в водно-ледниковых безвалунных глинах, для растений они малодоступны[175].
Среди ледниковых и водно-ледниковых отложений иногда на возвышенностях встречаются пески и супеси. Мощность их составляет 0,6-2 м Супесчаные и песчаные породы характеризуются низким содержанием элементов питания для растений.
Древнеаллювиальные и аллювиалъно-озерные отложения встречаются лишь местами. Их гранулометрический состав колеблется от тяжелых иловатых глин до слоистых песков. На аллювиальных отложениях различного гранулометрического состава повсеместно наблюдается слоистость, что свидетельствует о формировании этих пород паводковыми и нагонными водами. Аллювиальные отложения, особенно связного гранулометрического состава, отличаются значительным богатством элементов питания для растений,.
Торфяники достаточно широко распространены на территории Калининградской области. В частности, значительная часть территории Куршской низменности, а также часть долин рек Преголи, Инструча и Деймы занята почвами, сформированными на торфах. На территории области встречаются все виды торфов – верховые, переходные и низинные. Верховые – характеризуются высокой актуальной и обменной кислотностью, низкой зольностью и бедностью элементами питания. Сельскохозяйственное освоение таких торфяников нецелесообразно. Низинные торфяники, расположенные вблизи побережья Куршского залива и в долинах рек, обладают повышенной зольностью с неравномерным распределением ее по профилю. Последнее объясняется молодостью территории, неоднократным затоплением ее в ходе трансгрессий Балтийского моря уже в послеледниковое время. Запасы элементов питания в низинных торфах выше, чем в торфах Белоруссии и Средне-Русской равнины, что наряду с близкой к нейтральной реакцией позволяет отнести сформировавшиеся на низинных торфах почвы к обладающим высоким потенциальным плодородием [63].
Динамика радиального прироста средневозрастных ельников (абсолютные величины)
М. Л. Дворецкий [41] выделил шесть основных форм изменчивости прироста по диаметру на разных высотах ствола: прирост возрастающий (ширина годичного слоя непрерывно увеличивается к вершине ствола), падающий (ширина годичного слоя уменьшается к вершине ствола), постоянный, вогнутый, выпуклый и комбинированный.
На наших пробных площадях (рис. 3.1) в основном присутствует комбинированный, “волнообразный” прирост: сначала он снижается, затем возрастает, и к вершине дерева вновь снижается. Отличается от этой общей картины лишь ПП 6: здесь прирост увеличивается к вершине. Это может быть связано с влиянием березы на рост ели – береза имеет здесь половину запаса в составе древостоя.
Знание особенностей изменения ширины годичного слоя по высоте ствола имеет немаловажное значение при разработке методики определения текущего прироста древостоев. В.В. Антанайтис и В.В. Загреев в своей работе [3] указывают, что, по данным всех специалистов, изучавших эту особенность прироста, ширина годичного слоя ниже 1,3 м увеличивается к основанию ствола. В наших исследованиях прослеживается та же закономерность: табл. 3.1.
На других относительных высотах (кроме высоты пня) ширина годичного слоя может быть выше или ниже ширины на 1,3 м. Причем на минеральных почвах (ПП 1 и 2) она почти всегда ниже (кроме высот 0,6-0,7Н), тогда как на ПП с осушаемыми торфяниками ширина годичного слоя, как правило, выше почти на всех относительных высотах по сравнению с 1,3 м.
При этом у самых “возрастных” (57-74 года) и самых низкополнотных (полнота 22,9-25,0 м2/га) культур на ПП 4, 5 и 6 ширина слоев на высоте 0,9Н почти равна или даже выше по сравнению с высотой 1,3 м. У более молодых насаждений (48 лет) ширина слоев на этой высоте значительно ниже, чем на высоте груди, и составляет 0,53-0,75 от ширины на 1,3 м.
Т.Т Битвинскас указывает [11], что связь годичного прироста сосны на высоте груди с годичным приростом на относительных высотах 1/4Н и 1/2Н линейная и достаточно высокая: коэффициент корреляции больше 0,8; на верхних относительных высотах (3/4 Н) связь заметно ослабляется. Автор утверждает, что это происходит вследствие неравномерности годичного прироста в области кроны и сложной зависимости прироста по высоте от радиального прироста.
Корреляционная связь годичного прироста на высоте груди с приростом на относительных высотах 0,2 и 0,4Н на ПП 1 и ПП 2, так же как и на ПП 5, 6 и 7, прямая, линейная и высокая – таблица 3.2.
На относительных высотах 0,6 и 0,8Н связь в целом заметно ниже. Нужно добавить, что на ПП 1 и 2 наименьшая из пробных площадей протяжённость кроны: 44,3 и 51,1% соответственно. На ПП 3 протяжённость кроны наибольшая и составляет 73,6%, и крона перекрывает высоты 0,4, 0,6, 0,8, поэтому связь заметно ослабляется. На ПП 4 менее высокая связь с высотой 0,2Н, возможно, связана с возрастом ели (74 года) и низкой полнотой древостоя (0,57).
Различия между осушаемыми торфяниками и минеральными почвами в ширине годичных колец ели на высоте 1,3 м по годам за последние 40 лет представлены в табл. 3.3. Из таблицы следует, что за редким исключением (1983, 1989-1991, 1994, 1995, 1997гг) ширина годичных слоев на высоте груди на торфяниках ниже по сравнению с минеральными почвами. Этого следовало ожидать хотя бы из неравенства классов бонитета древостоев: Iа-Iб на минеральных почвах, и I – на торфяниках. Количество годичных колец на высоте 1,3 м на ПП 1, 2, 3, 7 составляет 40, на ПП 4, 5, 6 - 50 и более (так как культуры на этих участках старше на 26, 17 и 9 лет соответственно). Поэтому для сравнения прироста на относительных высотах с высотой 1,3 м использовалась ширина годичного кольца за 40 последних лет (рис. 3.2).
Прежде всего, следует отметить синхронность колебаний прироста на разных высотах по годам на всех ПП. Это подтверждает выводы П.А. Феклистова: наиболее значительным изменениям прироста на одной высоте соответствуют такие же изменения на других, т. е. многолетняя динамика прироста на разных высотах синхронна [154]. Однако имеются значительные различия в величине приростов в отдельные периоды сравнительно с высотой 1,3 м (рис. 3.2).
Так, на ПП 1 и 2 в первое и второе 10-летия прирост на высоте груди значительно превышает таковой на высоте 0,2Н. В третьем-четвертом 10-летиях приросты на 1,3 м на обоих контрольных участках имеют минимальные или близкие к ним значения. Следует также отметить, что на обоих контрольных участках приросты на всех высотах имеют четко выраженную тенденцию к уменьшению за 40-летний период, хотя в последние 4-5 лет наблюдается их слабое увеличение. Правда, это касается и других опытных участков. Приросты на 1,3 м на ПП 2 имеют наибольшую среди других высот на контрольных ПП амплитуду колебаний – 1,5-5,3 мм (3,8 мм). На осушаемых торфяниках приросты также различаются по своей величине и тенденциям изменений.
Так, прирост на 1,3 м, в отличие от ПП на минеральных почвах, имеет минимальные значения среди других высот в течение почти всего 40-летнего периода. Среди объектов на торфяниках наибольшие амплитуды колебаний имеют приросты на 1,3 м на ПП 5 и 7: 1-4 мм (3 мм); на высоте 0,2 на ПП 7 и на ПП 3 - соответственно 1,2-5,1 мм (3,9 мм) и 1,5-4 мм (2,5 мм). На всех трех участках древостои относительно высокополнотные, почти чистые по составу. Высокую полноту и чистый состав древостоя имеет и контрольная ПП 2, где также выявлена высокая амплитуда прироста на 1,3 м. Напротив, на ПП 4 и 6, где березы от трех до пяти единиц в составе и полнота значительно ниже, амплитуда радиального прироста на всех высотах меньше.
Изменение плотности древесины в продольном направлении ствола
Наибольшая плотность древесины приходится на высоту 0,8-0,9 (кроме ПП 5) – таблица 4.2, рисунок 4.1.
Весьма характерно резкое снижение плотности в центральной части ствола, и резкое возрастание плотности в вершинной части, а в целом значительно меньшая плотность древесины на ПП 2 по сравнению со всеми другими объектами. Все это можно объяснить ускоренным ростом деревьев по диаметру на богатой муллевой почве и в условиях относительно редкого древостоя по сравнению с ПП 1 (см. табл. 3.1). Увеличение плотности в вершинной части ствола у деревьев редкого насаждения объясняется тем, что вершины деревьев выдерживают большие нагрузки за счет более развитой кроны по сравнению с более густым древостоем (Смирнов, 2007).
Для создания необходимой прочности в вершинной части формируется древесина повышенной плотности. Кроме того, при ускоренном росте ствола в толщину соотношение зон ранней и поздней древесины изменяется в пользу ранней древесины, в результате чего плотность также снижается. По мере увеличения ширины годичного слоя происходит снижение и средней плотности ранней древесины, что еще больше снижает общую плотность деревьев с быстрым ростом [112].
О.И. Полубояринов указывает, что процесс естественного старения ели в условиях Ленинградской области наступает в возрасте 130-140 лет. В Калининградской области этот процесс в результате более благоприятных экологических условий (влажность, тепло, более богатые почвенные условия) начинается гораздо раньше, тем более в искусственных насаждениях. С.Ф. Курнаев в своей работе «Лесорастительное районирование СССР» [75] пишет о ели в Калининградской области, что в условиях более выгодного роста (почвенных и климатических), ель образует рыхлую широкослойную (выделено нами, С.Е.) древесину, легко поддающуюся воздействию грибным заболеваниям, и поэтому отличается недолговечностью: поэтому редко доживает вполне здоровой до 100 лет. Данная тенденция подтверждается на примере ПП 2 (класс бонитета Iб, ельник дубравно-травяный). Чем лучше условия произрастания, тем меньше плотность древесины.
Различия плотности древесины отдельных деревьев средней ступени толщины на наших объектах составляют по вариантам опыта 10-78 кг/м (табл. 4.3). Это соответствует выводам О.И. Полубояринова (1976), согласно которым при малом коэффициенте вариации плотности внутри насаждений (в среднем 6-7%), абсолютные колебания плотности древесины отдельных деревьев могут составлять 100 кг/м и более. Амплитуда колебаний на контрольной ПП 1 – 33 кг/м. Наибольшая амплитуда колебаний плотности 78 кг/ м наблюдается на ПП 2, здесь средняя плотность древесины деревьев ели, начиная с высоты 0,1Н, понижается до минимальной 268,5 кг/м на 0,5Н, и начинает повышаться только с высоты 0,6Н.
Значительно меньшая амплитуда колебаний плотности выявлена в культурах ели на торфяниках: 10-26 кг/м.
Известно, что средняя плотность дерева в целом и плотность древесины на высоте груди находятся в тесной корреляционной связи, носящей линейный характер. Уравнения этой связи позволяют для однотипных насаждений определять среднюю плотность древесины по данным о плотности на высоте груди, т.е. обходиться без валки модельных деревьев, с применением возрастного бурава (Полубояринов, 1976).
В.И. Пчелин в своей работе [120] приводит данные о связи средней плотности древесины ели всего насаждения и её показателями на высоте 1,3 м: коэффициент корреляции r 0,9.
В таблице 4.4 приведены уравнения связи средней плотности древесины ствола модельных деревьев, с плотностью на высоте груди, а так же соответствующие им коэффициенты детерминации. Коэффициент детерминации является более непосредственным и прямым способом выражения зависимости одной величины от другой и в этом отношении он предпочтительнее коэффициента корреляции [130].
Толщина и объем коры. протяжённость живой части кроны
И. И. Гусев отмечал несущественную роль возраста при вычислении двойной толщины коры ели [31]. Исходя из этого утверждения, мы пренебрегли различиями в возрасте культур при сравнении древостоев на различных почвах.
В таблице 6.1 приведены статистические показатели двойной толщины коры, ее объема и протяжённости живой части кроны по шести модельным деревьям.
Как следует из таблицы, средние величины толщины и объема коры близки для обоих типов почв. Но протяженность кроны в среднем на треть выше на участках торфяников по сравнению с минеральными почвами. Точность опыта в среднем составляет 5-10%, что вполне удовлетворяет поставленным задачам.
А.А. Смирнов [134] установил, что в 70-летних ельниках кисличниках Iа класса бонитета (Ленинградская область), средняя толщина коры закономерно увеличивается от мелких деревьев к крупным (с 3,14 до 4,75 мм). На наших объектах эта закономерность также подтверждается – таблица 6.2. Наименьшие средние диаметры на высоте груди (17,0-18,9 см) на ПП 6, 1 и 3 соответствуют и наименьшей двойной толщине коры (5,7-7,0 мм). Наибольшие диаметры на ПП 2, 4 и 5 – наибольшей толщине коры (9,1-9,9 мм). Коэффициент корреляции между средними величинами высок: r = 0,80.
По данным В.Ф. Лебкова и Н.Ф. Каплиной [80], коэффициент детерминации связи среднего диаметра в коре на 1,3 м и двойной толщины коры сосны обыкновенной составляет r2 = 0,51. По нашим данным, коэффициент детерминации связи тех же показателей близок к приведенному значению: 0,43-0,5 (таблица 6.3).
В.Ф. Лебков и Н.Ф. Каплина [80] утверждают, что целесообразнее пользоваться относительным объемом коры, который является более устойчивой величиной.
М. М. Цывин в своей работе [160] указывает, что объёмное содержание коры от объема древесины для ели составляет в среднем 9,5%. Это близко к нашим средним данным для торфяников (9,25%); на минеральных почвах в ельниках высших бонитетов объем коры в среднем несколько ниже (8,14%).
А.А. Вайс исследовал процент коры деревьев ели сибирской (Picea obovata L.) по нормативно-справочным материалам, собраны в различных районах СССР и Российской Федерации [20]. Автор приходит к выводу об уменьшении процента коры ели с 15% у тонкомерных стволов до 6% у стволов максимальной толщины. Эта закономерность для ели европейской на наших объектах также прослеживается. На ПП 2 с максимальным диаметром на 1,3 м объем коры так же, как у ели сибирской, минимален – 7,12%. На ПП с наименьшими диаметрами (ПП 6, 1, 3 и 5) объем коры максимален – 9,16-10,13%. Однако коэффициент корреляции для средних величин невысок: r = -0,44.
Коэффициент «К», предложенный Антанайтисом и Жадейкисом [165], исчисляется как отношение диаметра ствола без коры (Д б/к) к диаметру ствола в коре (Д в/к) и характеризует долю древесины в величине диаметра ствола в коре: К = (Дб/к / Дв/к )100.
Для выявления особенностей формирования отношения толщины коры к диаметру ствола в различных частях последнего были рассчитаны величины коэффициента «К» на относительных высотах – таблица 6.4.
При общем снижении коэффициента коры (т.е. снижении доли древесины) от основания ствола к вершине на всех ПП, следует отметить более резкое снижение коэффициента К на высотах 0,7-0,9 для ПП 4-6. Возможно, это связано с большим возрастом культур (57-74 года) по сравнению с другими участками (48 лет).
При сравнении средних величин по торфяникам с контролем ПП 1, имеется лишь слабая общая тенденция снижения коэффициента К по отдельным высотам ствола, хотя на отдельных высотах (0,2 и 0,7Н) доля древесины в величине диаметра слабо возрастает. В целом различия несущественны. Что касается ПП 2, здесь выявляется четкая тенденция увеличения К – как по сравнению с контролем, так и с моделями на торфяниках. Это легко объяснить наибольшими средними диаметрами моделей на всех высотах на этой пробе при незначительном превышении толщины коры сравнительно с моделями на других участках.
Протяжённость живой части кроны выше на всех торфяниках по отношению к контролю ПП 1 (табл. 6.5), в среднем на 44%.
Кроме того, были вычислены статистические показатели зон ствола в процентах от высоты дерева: расстояние от комля до первого мёртвого сука; расстояние от первого мёртвого сука до начала кроны. Из таблицы следует, что протяжённость бессучковой зоны стволов ели почти одинакова в абсолютных и относительных единицах в среднем на торфяных и на минеральной почве (соответственно 1,85 и 1,77 м; 8,37 и 7,80%).
При этом варьирование средней протяженности бессучковой части ствола на торфяных почвах составляет от 0,38 до 2,6 м (от 1,8 до 13,9%) т.е. почти на порядок.
Абсолютное и относительное расстояние от первого мертвого сучка до живой кроны значительно выше на минеральной почве контроля по сравнению со средними величинами на торфяниках (соответственно 10,9 и 6,2 м; 48,2 и 28,3%). Причем на всех торфяниках этот показатель стабильно выше, чем на ПП 1. Соответственно живая часть кроны на контроле короче по сравнению с торфяниками (в относительных цифрах соответственно 44 и 63,3%, т.е. в 1,4 раза). Причем живая крона на торфяных почвах длиннее контроля независимо от полноты, густоты, состава и возраста древостоя, различий в высоте и диаметре (см. табл. 3.1). Относительная протяжённость живой кроны в наших исследованиях составляет в среднем 47,5% на минеральных почвах, и 63,3% - на торфяных; по данным Ю. М. Авдеева и С. М. Хамитовой [1] на минеральных почвах – 67,0%.
На ПП 2 живая крона несколько длиннее по сравнению с контролем, но все же в относительных единицах также короче, чем на торфяниках – рис. 6.1.
Выявленная тенденция многое объясняет в отношении формы и полнодревесности стволов ели, когда при большей протяженности крон на торфяниках форма стволов по сравнению с контролем имеет тенденцию к слабому ухудшению.