Введение к работе
Введение.
Актуальность темы исследования. Чистая первичная продукция (ЧПП), выражаемая количеством фитомассы, производимой на 1 га лесного насаждения в течение года, является одной из важнейших характеристик лесных экосистем. Она лежит в основе их функционирования и используется в целях оценки биопродуктивности, углерододепонирующей емкости лесов, экологического мониторинга, устойчивого ведения лесного хозяйства, моделирования продуктивности лесов с учетом глобальных изменений, изучения структуры и биоразнообразия лесного покрова (Jiang et al., 1999; Fowler et al., 2002; Roxburgh et al., 2005).
Не менее важной биопродукционной характеристикой лесных экосистем является удельная чистая первичная продукция (УдЧПП) как отношение годичной ЧПП к величине фитомассы, выражаемое в относительных единицах или в процентах (Уткин и др., 2004; Гульбе и др., 2010). Если известно отношение ЧПП к величине фитомассы, то можно получить не только значение ЧПП древостоя по известной его фитомассе, но и одну из важнейших характеристик функционирования лесных экосистем, поскольку УдЧПП характеризует скорость обновления органического вещества фитомассы (Базилевич и др.,1986). Если ЧПП характеризует интенсивность фотосинтеза и депонирования углерода, то УдЧПП показывает удельную скорость процесса: как быстро «работает» или «превращается» один грамм вещества. Обратная величина – отношение фитомассы к ЧПП – показывает, за какое время поток ЧПП создает наличный запас фитомассы (Базилевич, Титлянова, 2008).
Изучению ЧПП и УдЧПП насаждений на примере кедровых сосен, произрастающих на азиатском материке, посвящено настоящее исследование, которое выполнялось 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 кедровых сосен на двух уровнях – региона и ареала. В первом случае исследуется фракционная структура ЧПП и УдЧПП деревьев и древостоев естественных кедровников в условиях средней тайги Урала, а во втором на основе сформированной базы данных о фитомассе и ЧПП кедровых сосен – кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), корейского (P. koraiensis S. et Z.) и кедрового стланика (P. pumila (Pall.) Regel) Азии - разрабатывается система регрессионных моделей и анализируются межвидовые и региональные различия ЧПП и УдЧПП названных древесных пород в пределах их ареалов.
В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования:
изучить особенности фракционной структуры надземной ЧПП (кг) и УдЧПП (кг/кг) деревьев кедра сибирского и других пород в условиях темнохвойной тайги Урала и составить справочно-нормативные таблицы;
определить фракционную структуру надземной годичной ЧПП (т/га) и УдЧПП (%) кедровых насаждений в условиях средней тайги Урала;
сформировать базу данных о фитомассе и годичной ЧПП (т/га) кедров сибирского, корейского и кедрового стланика, произрастающих на азиатской территории России, северо-востоке Китая и в Японии;
по материалам сформированной базы данных составить таблицы для оценки годичной ЧПП и УдЧПП кедровых сосен и исследовать межвидовые и региональные различия в структуре названных показателей;
составить таблицы хода роста кедра сибирского по ЧПП, совмещенные с традиционными таблицами хода роста (ТХР) древостоев Урала и Сибири.
Научная новизна. Впервые изучена структура надземной ЧПП и УдЧПП деревьев и древостоев кедра сибирского на Урале. Сформирована база экспериментальных данных о фитомассе и ЧПП насаждений кедровых сосен и впервые для кедровых сосен разработана система региональных моделей ЧПП и УдЧПП. На их основе составлены таблицы возрастного изменения названных показателей и исследованы межвидовые и региональные различия в их структуре. Путем совмещения фактических данных о ЧПП насаждений кедра сибирского с традиционными ТХР впервые составлены 22 таблицы хода роста кедровников по ЧПП.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в оценке ЧПП и УдЧПП кедровых сосен как их важнейших количественных видовых характеристик, в разработке нормативных материалов, необходимых при реализации систем лесоводственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения кедровых лесов. Результаты работы могут быть использованы при осуществлении лесного мониторинга и экологических программ, 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 «Площади пробные лесоустроительные». Для определения фитомассы и ЧПП деревьев и древостоев взяты модельные деревья. После рубки ствол делили на 10 секций, на середине каждой и на расстоянии 1,3 м от комля выпиливали диски и определяли диаметры ствола в коре и без коры. По этим замерам 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 структурных 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 (листвы) 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 хвои (листвы) и ветвей дерева. ЧПП ветвей определена методом, предложенным А.И. Русаленко и Е.Г. Петровым (1975).
Положения, выносимые на защиту:
таблицы для оценки количественных показателей ЧПП и УдЧПП деревьев кедра сибирского, ели сибирской, пихты сибирской, сосны обыкновенной и березы пушистой по определяющим показателям;
система многофакторных регрессионных моделей, отражающих взаимосвязь фракционной структуры ЧПП и УдЧПП кедров сибирского и корейского с морфоструктурой древостоев на территории Азии;
межвидовые и региональные закономерности изменения структуры ЧПП и УдЧПП кедровых сосен на территории Азии;
таблицы хода роста древостоев кедра сибирского по ЧПП, совмещенные с традиционными ТХР древостоев.
Степень достоверности и апробация результатов. Системный подход при содержательном анализе объектов исследования и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне многофакторных регрессионных моделей, использование адекватных компьютерных программ 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 его участии.
Основные результаты исследований доложены на международном научно-практическом семинаре «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг» (Йошкар-Ола, 2011); международной конференции «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны» (Сыктывкар, 2011); VIII и IX всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2012, 2013); международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 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 16 печатных работах, в том числе 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и 7 приложений. Список использованной литературы включает 253 наименования, в том числе 103 иностранных. Текст иллюстрирован 22 таблицами и 45 рисунками.
