Введение к работе
Введение.
Актуальность темы исследования. Понятие биологическая продуктивность включает в себя три взаимосвязанные составляющие: фитомасса лесного насаждения, выраженная в тоннах абсолютно сухого вещества на 1 га, чистая первичная продукция (ЧПП), или net primary production (NPP) - количество фитомассы, произведенной насаждением на единице площади в единицу времени и удельная чистая первичная продукция (УдЧПП) как отношение ЧПП к величине фитомассы, выражаемое в относительных единицах или процентах (Уткин и др., 2004; Гульбе и др., 2010). ЧПП и УдЧПП являются важнейшими характеристиками функционирования лесных экосистем. УдЧПП является одним из количественных показателей, характеризующих тип леса (Чернявский, 1985), и в отличие от ЧПП, представляет собой относительный показатель, а таковые использовать при характеристике лесных сообществ предпочтительнее. Они обычно более стабильны, чем абсолютные, и по сравнению с последними позволяют выявить видоспецифичные закономерности продукционного процесса и его возрастной динамики в лесных экосистемах (Гульбе и др., 2010). Зная УдЧПП, можно рассчитать ЧПП по более легко определяемой фитомассе насаждения.
Изучение структуры и географии ЧПП и УдЧПП лесов является одним из наиболее приоритетных направлений (Jiang et al., 1999). Реализации подобной задачи на примере елово-пихтовых насаждений, произрастающих на евразийском материке, посвящено настоящее исследование, проводившееся в 2010-2013 гг. (грант РФФИ № 09-05-00508).
Степень разработанности темы исследования. Диссертация является законченным научным исследованием.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучение структуры ЧПП и УдЧПП елово-пихтовых насаждений на двух уровнях – региона и ареала. В первом случае исследуется фракционная структура ЧПП и УдЧПП деревьев и насаждений естественных елово-пихтарников и культур ели сибирской в условиях темнохвойной тайги на Среднем Урале, а во втором - на основе сформированной базы данных о фитомассе и ЧПП елово-пихтовых насаждений Евразии разрабатывается система регрессионных моделей и анализируются региональные различия их структуры ЧПП и УдЧПП в пределах ареалов ели и пихты.
В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования были:
изучить особенности фракционной структуры надземной ЧПП (кг) и УдЧПП (%) деревьев ели сибирской и пихты сибирской в естественных насаждениях и ели сибирской в культурах в условиях темнохвойной тайги Среднего Урала и составить справочно-нормативные таблицы для их оценки;
определить фракционную структуру надземной годичной ЧПП (т/га) и УдЧПП (%) естественных елово-пихтовых насаждений и культур ели в условиях средней тайги Урала;
сформировать базу данных о фитомассе и годичной ЧПП (т/га) елово-пихтовых насаждений, произрастающих на территории Евразии;
по материалам сформированной базы данных разработать регрессионные модели для оценки годичной ЧПП и УдЧПП елово-пихтовых насаждений на территории Евразии и на их основе исследовать географические закономерности изменения в структуре названных показателей;
составить таблицы хода роста елово-пихтовых насаждений Уральского региона по ЧПП и УдЧПП, совмещенные с традиционными таблицами хода роста (ТХР) древостоев.
Научная новизна. Впервые изучена структура годичной ЧПП (кг) и УдЧПП (%) деревьев ели естественного и искусственного происхождения и пихты в естественном состоянии, а также структура годичной надземной ЧПП (т/га) и УдЧПП (%) елово-пихтовых естественных насаждений и культур ели в условиях темнохвойной тайги Урала. Сформирована база экспериментальных данных о фитомассе и ЧПП елово-пихтовых насаждений Евразии и на ее основе впервые исследованы географические закономерности изменения фракционной структуры ЧПП и УдЧПП. Впервые составлены таблицы хода роста елово-пихтовых насаждений Уральского региона по ЧПП и УдЧПП.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в оценке ЧПП и УдЧПП ели и пихты как их важнейших количественных видовых характеристик, а также в разработке нормативных материалов, необходимых при реализации систем лесоводственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения елово-пихтовых лесов. Результаты работы могут быть использованы при осуществлении лесного мониторинга и экологических программ разного уровня, а также при оценке углерододепонирующей и кислородопродуцирующей функций лесных экосистем.
Методология и методы исследования. В основу исследования положен метод пробных площадей и модельных деревьев. Пробные площади заложены с учетом ОСТ 56-69-83. После рубки ствол делили на 10 секций, на середине каждой и на расстоянии 1,3 м от комля выпиливали диски, определяли диаметры ствола в коре и без коры и рассчитывали объем древесины и коры. Прирост древесины ствола определен путем “расчехления” ствола по 10 отрезкам и определения годичного радиального и объемного прироста, среднего за последние 5 лет, с последующим пересчетом объема и объемного прироста на единицы массы в абсолютно сухом состоянии по базисной плотности, определенной по дискам. Прирост коры рассчитан по приросту древесины и соотношению массы древесины и коры ствола. У дисков, взятых на относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты дерева, отделяли кору, взвешивали отдельно древесину и кору с точностью до 0,1 г, сушили и термовесовым методом рассчитывали абсолютно сухую фитомассу древесины и коры ствола (Усольцев, 2007). Фитомасса струк-турных частей кроны определялась после ее деления на три одинаковые по длине секции. После взвешивания каждой секции кроны с точностью до 50 г производилось деление их на охвоенные и неохвоенные ветви и последние взвешивались. Затем из охвоенной части каждой секции отбиралась проба (около 0,5 кг), взвешивалась с точностью до 1 г, затем от нее отделялась вручную хвоя, в том числе хвоя текущего года, которые взвешивались отдельно. Для определения содержания сухого вещества (ССВ) в массе хвои и ветвей из каждой части кроны взяты их образцы, которые взвешивали с точностью до 0,01 г и сушили. По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу ветвей и хвои дерева, в том числе хвои текущего года. ЧПП ветвей определена методом, предложенным А.И. Русаленко и Е.Г. Петровым (1975).
Масса корней в культурах ели отмыта и взвешена по комплексному методу А.Ф. Чмыра (1984), усовершенствованному Г.Г. Тереховым и В.А. Усольцевым (2008). Годичный прирост корней рассчитан по их массе и соотношению прироста и массы надземной части дерева.
Положения, выносимые на защиту:
таблицы для оценки количественных показателей ЧПП и УдЧПП деревьев ели и пихты для естественных насаждений и культур ели по определяющим показателям;
система многофакторных регрессионных моделей, отражающих взаимосвязь фракционной структуры ЧПП и УдЧПП елово-пихтарников с морфоструктурой древостоев по экорегионам Евразии;
географические закономерности изменения структуры ЧПП и УдЧПП елово-пихтовых насаждений на территории Евразии;
Степень достоверности и апробация результатов. Системный подход при содержательном анализе объектов исследования и интерпретации полученных результатов и реализация поставленных задач на уровне многофакторных регрессионных моделей определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов и предложений.
Все виды работ по теме диссертации от сбора экспериментального материала до обработки и анализа полученных результатов выполнены автором или при ее участии.
Основные результаты исследований доложены на международном научно-практическом семинаре «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг» (Йошкар-Ола, 2011); VIII всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2012); IX международной научно-технической конференции «Лесные технопарки – дорожная карта инновационного лесного комплекса: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2013).
Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных работах, в том числе 5 опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста, состоит из введения, 8 глав, заключения и 8 приложений. Список использованной литературы включает 193 наименования, в том числе 36 иностранных. Текст иллюстрирован 33 таблицами и 60 рисунками.
