Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор исследований по проблеме 7
Вывод ы 15
2. Природные условия района исследований 17
2.1. Географическое положение и лесорастительное районирование 17
2.2. Климат 19
2.3. Рельеф и почвы 23
Выводы 24
3. Программа, методика исследований и объем выполненных работ 26
3.1. Программа работ 26
3.2. Методика исследований 26 -
3.3 Объем выполненных работ 31
4. Характеристика экспериментальных объектов 33
4.1. Лесоводственно-таксационная характеристика ПП 33
4.2. Характеристика почвенных условий 44
Выводы 50 I
5. Живой напочвенный покров (ЖНП) на землях, исключенных из сельскохо- зяйственного использования 52
5.1. Видовой состав ЖНП 52
5.2. Надземная фитомасса ЖНП 57
5.3. Роль ЖНП в формировании древесно-кустарниковой растительности на бывших сельскохозяйственных угодьях 65
Выводы 68
6. Накопление подроста на землях, вышедших из-под сельскохозяйственного использования 71
6.1. Старопахотные земли 71
6.2. Бывшие сенокосы 85
6.3. Густота и встречаемость подроста сосны и березы на разной удаленности от источника обсеменения 90
6.4. Взаимосвязь густоты и встречаемости подроста сосны и березы 93
6.5. Особенности совместного произрастания сосны и березы 99
6.6. Лесохозяйственная оценка формирующихся молодняков 108
Выводы 115
Общие выводы и рекомендации производству 119
Библиографический список
- Географическое положение и лесорастительное районирование
- Характеристика почвенных условий
- Надземная фитомасса ЖНП
- Густота и встречаемость подроста сосны и березы на разной удаленности от источника обсеменения
Введение к работе
Актуальность темы Структура землепользования России на протяжении всей ее истории претерпевапа значительные изменения Основными причинами изменений выступали эпидемии, войны, революции и тд В последние 20 лет основными причинами, определяющими интенсивность землепользования, можно считать новые экономические условия Именно в период изменения социально-экономического строя произошло сокращение площади сельскохозяйственных угодий, затронувшее практически все области России В свою очередь, оставление освоенных земель почти во всех случаях, приводит к формированию на них древесно-кустарниковой растительности даже в местах длительного аграрного использования
Ограниченные сведения о ходе лесообразовательного процесса на бывших сельскохозяйственных угодьях не позволяют сформировать научно-обоснованную систему мероприятий для рационального ведения лесного хозяйства на данных площадях
Таким образом, актуальность исследований по данной тематике определяется возможностью оптимизации лесоводственных мероприятий по формированию высокопродуктивных устойчивых насаждений на землях, исключенных из сельскохозяйственно; о использования
Цель и задачи исследования Цель работы - изучение процесса лесо-образования на землях, исключенных из сельскохозяйственного использования в подзоне предлесостепных сосново-березовых лесов Свердловской области и разработка на этой основе системы лесоводственных мероприятий по обеспечению эффективного формирования молодняков
В связи с поставленной целью задачи исследования включали
1. Анализ почвенных условий бывших сельскохозяйственных угодий
2 Изучение живого напочвенного покрова на бывших пашнях и сенокосах
-
Анализ количественных и качественных показателей имеющегося подроста древесных пород
-
Лесоводственную оценку использования исключенных из сельскохозяйственного оборота земель для целей лесовыращивания
Научная новизна. Впервые в условиях подзоны предлесостепных сосново-березовых лесов Зауральской равнинной и Зауральской холмисто-предгорной провинций Западно-Сибирской равнинной лесорастительной области изучены лесообразовательные процессы на землях, вышедших из-под сельскохозяйственного использования Установлены таксационные показатели формирующихся молодняков в зависимости от состава прилегающих древостоев, площади сельскохозяйственных угодий, физико-механических свойств почвы и других факторов. Дана лесоводственная оценка возможности использования данных участков для лесовыращивания
Защищаемые положения В работе исследованы и обоснованы следующие положения, представленные к защите:
-
Основными лесообразующими породами в условиях района исследований являются на пашнях сосна и береза, на сенокосах - береза
-
На бывших пашнях возможно формирование сосновых молодняков как чистых по составу, так и с незначительной примесью лиственных пород
-
Главными факторами, определяющими интенсивность накопления соснового подроста на бывших сельскохозяйственных угодьях, являются состав прилегающих насаждений и их расположение относительно направления преобладающих ветров, для березы лимитирующим фактором является механический состав почв
Практическая значимость Полученные материалы могут служить основой при разработке рекомендаций по проведению лесоводственных мероприятий в насаждениях, сформировавшихся на землях, исключенных из сельскохозяйственного использования
Апробация работы Основные положения и результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях студентов и аспирантов Уральского государственного лесотехнического университета (Екатеринбург. 2006, 2007, 2008), VI Международной научно-технической конференции «Урал промышленный - Урал полярный» (Екатеринбург, 2007), X Международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2006), научных чтениях, посвященных 70-летию Ф В Аглиуллина (Чебоксары,2005)
Обоснованность и достоверность исследований подтверждается значительным экспериментальным материалом, использованием современных методов его обработки и анализа
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства науки и образования РФ
Личный вклад автора состоит в разработке программы исследований, выполнении полевых и камеральных работ, обработке собранных материалов и их систематизации
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и рекомендаций производству, биолиофафического списка из 126 наименований Работа изложена на 140 страницах, иллюстрирована 27 рисунками, содержит 20 таблиц и 3 приложения
Географическое положение и лесорастительное районирование
Весь объем исследований по теме диссертации выполнен на территории Богдановичского района Свердловской области. Протяженность района с севера на юг 36 км, с запада на восток - 62 км. Районный центр г. Богданович находится в 95 км на восток от областного центра Свердловской области г. Екатеринбурга.
На карте Свердловская область выглядит неправильным треугольником, северная вершина которого лежит почти на шестьдесят второй (6 557 с. ш.), а южная сторона проходит вдоль пятьдесят шестой параллели. С севера на юг область простирается более чем на 600 км, на ее территории представлены все основные подзоны лесной зоны (северо-, средне- и южнотаежных лесов, смешанных хвойно-широколиственных и предлесостепных сосново-березовых лесов), а также окраина северной подзоны лесостепной зоны.
Размер территории, разнородность строения поверхности и климатических условий, а также влияние хозяйственной деятельности являются причиной большого разнообразия лесных ландшафтов Свердловской области. При лесорастительном районировании, т.е. разделении Свердловской области на части, однородные по природным условиям, на ее территории выделяются три лесорастительные области (рис. 2.1): Уральская горная (У), Восточно-Европейская равнинная (В) и Западно-Сибирская равнинная (С), в свою очередь лесорастительные области подразделяются на восемь лесорастительных провинций и шесть подзон. Сетка границ, проведенных с учетом материалов по физико-географическому (ландшафтно-географическому) районированию Урала и Западной Сибири, расчленяет Свердловскую область на 21 лесорас-тительный округ.
Богдановичский район согласно лесорастительному районированию относится к Западно-Сибирской равнинной лесорастительной области. Исследования проводились в Зауральской равнинной и Зауральской холмисто Примечание: Границы: 1 - лесорастительных областей, 2 - лесорастительных подзон, 3 - лесорастительных провинций, 4 - лесхозов. Провинции: I - Североуральская среднегорная, II - Среднеуральская низкогорная, III - Предуральская предгорная, IV - Провинция Уфимского плато, V - Юрюзано-сылвенская депрессия, VI - Зауральская холмисто-предгорная, VII - Зауральская равнинная, VIII - Приобская (Тоболо-Приобская) равнинно-болотная. Округа: а - северотаежный, б - среднетаежный, в - южнотаежный, г - широколиственно-хвойных лесов, д - сосново-березовых предлесостепных лесов, е - северолесостепной (колочный). предгорной провинциях в пределах округа предлесостепных сосново-березовых лесов (Колесников и др. 1973).
Климатические и микроклиматические факторы играют ведущую роль в физико-географических и биогеоценотических процессах (Хильми, 1957; Slavik et al. и др., 1957; Гейгер, 1960; Молчанов, 1961; Слейтер, Макилрой, 1964; Мезенцев и др., 1969; Будыко, 1971, 1977), так как определяют условия прихода и преобразования солнечной радиации, тепла, осадков, прямо или косвенно влияющих на все компоненты биогеосферы. В свою очередь, мак-роклиматические факторы во многом определяют региональные особенности естественного лесовозобновления.
Климат района исследований обусловлен его значительным удалением от океанов и морей. Кроме того, Урал представляет собой естественную климатическую границу между Русской и Западно-Сибирской равнинами, является примером физико-географической страны с достаточно ярко выраженным влиянием орографии на климат. На формирование климата оказывают влияние воздушные массы трех типов: атлантические влажные и прохладные с запада; холодные и относительно сухие с севера; теплые и сухие с юга. Перенос указанных масс на континент происходит в результате циклонической деятельности. Климат и атмосферную циркуляцию района исследований можно рассматривать как частное выражение климата и атмосферной циркуляции на Среднем Урале.
Уральский хребет вытянут на протяжении более 2000 км почти строго в меридиональном направлении, несмотря на сравнительно небольшие высоты (400-600 м), служит естественной преградой господствующему западному переносу воздушных масс. Влияние Уральского хребта выражается не только в ослаблении западного переноса и более частых вторжений арктических воздушных масс по сравнению с центральными районами, но в характере формирования и пространственного распределения облачности, осадков, температур воздуха и других метеорологических элементов.
Циклоны на Урал приносят морские массы воздуха с Атлантики. Наиболее часто они достигают средней части Урала в осенние месяцы и в первую половину зимы (Справочник ..., 1966а, 1968). Зимой тип циркуляции развивается в условиях охлажденного континента и усиления контрастов температуры между полюсом и экватором с одной стороны и между океаном и континентом с другой. Летом в связи с прогреванием подстилающей поверхности и значительным испарением на Среднем Урале возрастает роль атмосферных конвекции; кроме того, в юго-восточном направлении идет вторжение холодных воздушных масс с Баренцева моря и полуострова Таймыр.
Направление и скорость ветра у поверхности почвы зависит от распределения атмосферного давления, рельефа местности и других физико-географических особенностей района. В течение года в районе исследований преобладающими являются ветры юго-западного направления. Особенно высокой устойчивостью отличаются они с февраля по апрель (Справочник..., 19666; Кувшинова, 1968; Халевицкая, 1981). С мая направление ветров меняется на северо-западное. Вторжение арктических масс воздуха в тылу циклонических серий приводит к резким изменениям погоды. Прилегающая с востока огромная Западно-Сибирская равнина также оказывает влияние на формирование уральской погоды, то суровой морозной или необычно теплой зимой, то жаркой или холодной и ненастной летом (Степанов, 1964; Халевицкая, 1981).
Характеристика почвенных условий
На большей части 1111 преобладают серая и светло-серая почвы от среднесуглинистой до глинистой по механическому составу. Также встречаются чернозем оподзоленныи и лугово-черноземная почва. Основная часть 1111 расположена на выровненных участках и склонах водоразделов.
Серые лесные почвы, наиболее часто встречающиеся на обследованных участках, являются зональными почвами лесостепи. В северной части зоны они контактируют с дерново-подзолистыми почвами, в южной - со степными черноземами.
О генезисе серых лесных почв существует ряд предположений, которые могут быть сведены в четыре группы. 1. Теория первичного происхождения как самостоятельного почвенного типа под широколиственными лесами. 2. Теория вторичного происхождения путем деградации черноземов, вследствие поселения на них лесной растительности. 3. Теория образования серых лесных почв из лесных дерново-подзолистых почв при развитии дернового процесса под влиянием смены древесной растительности травянистой лугово-степной. 4. Серые лесные почвы формируются под влиянием следующих процессов: гумусонакопления и связанной с ним аккумуляцией зольных веществ, выщелачивания карбонатов и легкорастворимых солей, лессиважа, оглинивания, миграции гумусовых веществ и продуктов распада минералов в форме металлорганических и оксидных соединений.
Теория деградации черноземов под лесом со временем не подтвердилась. Установлено, что зона распространения серых лесных почв стабильна и что современное почвообразование под широколиственными лесами приводит к формированию почв, аналогичных серым лесным (Горбылева, 2002). Данный тип почв характеризуется наличием светлогумусового аккумулятивного горизонта, количественные характеристики которого приближены, а по некоторым параметрам даже перекрывают нижние пределы показателей тем-ногумусового горизонта. Таким образом, гумусовый горизонт серых почв занимает как бы пограничное положение между светло- и темногумусовым горизонтами. Он имеет мощность 20-25 см (иногда до 40 см) и комковатую или комковато-пороховидную структуру.
В отличие от дерново-подзолистых почв, в серых почвах отсутствует обособленный элювиальный горизонт. Его место занимает особый гумусово-элювиальный горизонт, имеющий комковатую, иногда плитчато-комковатую структуру и светло-серый до серого цвет.
В качестве примера профиля серых почв можно привести почвенный разрез № 12, заложенный на пашне, заброшенной пять лет назад (ПП-16): Ап 0-26 см - серый с белесыми неупорядоченными пятнами, тяжелосуглинистый, слабо оструктурен, граница резкая, ровная. AiA2 26-29 см - серый с легкой белесоватостью, тяжелосуглинистый, мелкоореховатый, с намечающейся горизонтальной делимостью, рыхлый, тонкопористый, граница постепенная, языковатая. А2В 29-41 см - буровато-белесый, в верхней части с гумусовыми языками из горизонта А1А2, тяжелосуглинистый, рыхлый, структура ореховатая с намечающейся делимостью на пластинки, граница постепенная, кармани-стая, местами языковатая. Bi 41-56 см - бурый с белесоватым оттенком, тяжелосуглинистый, рыхлый, хорошо оструктурен: на гранях ореховатых от-дельностей обильная белесая присыпка, образующая иногда небольшие гнезда (по неровностям граней) диаметром 2-3 мм, граница постепенная, языковатая.
Вг 56-101 см - темно-бурый, глинистый, хорошо оструктурен: орехова тые педы с глубиной сменяются призматическими отдельностями, на гранях которых белесая присыпка, образующая иногда небольшие гнезда, а в нижней части горизонта появляются темно-коричневые кутаны, твердый, корней много, преимущественно тонкие, граница постепенная, волнистая. ВС 101-140 см - бурый, глинистый, структура слабо выраженная орехо ватая, на гранях педов темно-коричневые кутаны, иногда белесая присыпка, мелкотрещиноватый, на поверхности трещин, преимущественно вертикальных, белесый налет, твердый, корней много, тонкие, граница постепенная, волнистая. С 140-180 см - желто-бурый, глинистый, бесструктурная масса по вертикальным трещинам раскалывается на глыбисто-призматические отдельности.
В зависимости от мощности гумусового горизонта и содержания гумуса тип серых лесных почв делится на три подтипа: светло-серые, серые и темно-серые.
В светло-серой почве гумусовый, переходные и оподзоленные горизонты более светлые, в темно-серой - более темной окраски с менее четкой дифференциацией по элювиально-иллювиальному типу. Горизонт А1А2 может отсутствовать.
Реакция почв слабокислая, в нижней части может быть нейтральной, а при наличии карбонатов - слабощелочной. Содержание гумуса в горизонте А составляет обычно 2-8 %. В верхних горизонтах поглощающий комплекс насыщен или слабонасыщен основаниями, их сумма составляет 20-40 мг-экв с преобладанием обменного Са. Коэффициент дифференциации по илу в поч вах на однородных пылеватых породах колеблется около 1,5-2,2, иногда снижаясь до 1,3 и редко достигая 2,5 (Классификация почв России, 1997).
Надземная фитомасса ЖНП
Густой живой напочвенный покров является характерной особенностью первой стадии формирования молодняков на бывших сельскохозяйственных угодьях. В свою очередь, интенсивное развитие травянистой растительности может оказывать отрицательное влияние на ход естественного ле-сообразовательного процесса.
Одной из причин такого влияния является образование плотной дернины, препятствующей проникновению семян древесных пород к минеральному слою почвы, что в свою очередь не способствует увеличению плотности поселения подроста.
Кроме того, травянистая растительность является непосредственным конкурентом в борьбе за влагу, свет и питательные вещества. Особенно четко это проявляется в отношениях подростом сосны и подтверждается различием состава молодняков, сформировавшихся на пашнях и сенокосах. Если в составе молодняков, сформировавшихся на сенокосах, участие соснового подроста незначительно, то на пашнях сосна нередко преобладает в составе.
Механическое воздействие травянистой растительности заключается в том, что при завядании она прижимает всходы древесных пород к поверхности почвы, особенно это проявляется в зимний период при выпадении снежного покрова.
Однако основную опасность для формирующегося на сельскохозяйственных угодьях подроста представляет накопление значительного количества горючего материала из высохшей травы текущего или прошлого года, а также ветоши, что приводит к резкому возрастанию пожарной опасности. Если на вырубках к 1 классу пожарной опасности относят хвойные молодняки, то к тому же классу пожарной опасности следует отнести все молодняки, формирующиеся на землях, исключенных из сельскохозяйственного оборота, вне зависимости от их состава.
Данные, приведенные в разделе 5.2, свидетельствуют, что надземная фитомасса ЖНП на заброшенных пашнях колеблется от 1473,3 (ПП-16) до 2760,0 кг/га (ГШ-21). Максимальная надземная фитомасса отмечается на пашне, заброшенной 9 лет назад, минимальная - на 1111 с давностью отчуждения 5 лет.
Максимальная надземная фитомасса ЖНП (3213,3 кг/га) зафиксирована на сенокосе (участок № 5), вышедшем из пользования 4 года назад.
При этом следует отметить, что надземная фитомасса ЖНП в прилегающих насаждениях имеет на 19,5-67,0 % меньшие значения, чем на бывшем сельскохозяйственном угодье (ПП-5), и варьируется от 573,3 до 1793,3 кг/га.
Таким образом, накопление значительной надземной фитомассы ЖНП не зависимо от вида сельскохозяйственных угодий приводит к повышению пожарной опасности. Особенно опасный период наступает осенью после высыхания травы и весной после схода снежного покрова. Последнее обстоя тельство обуславливает быстрое распространение беглых низовых пожаров в случае их возникновения. Высокая интенсивность горения напочвенных горючих материалов является потенциальной опасностью как для всходов, так и для крупного подроста древесных пород.
Учитывая повышенную опасность возникновения пожаров на участках сельскохозяйственных угодий с формирующейся древесно-кустарниковой растительностью, в качестве мер противопожарного устройства можно рекомендовать следующее:
1. Производить разбивку крупных участков на блоки площадью 3-5 га полосами 3-5 м и их окашивание по периметру с учетом границ поселения подроста во избежание повреждения последнего огнем.
2. Аналогично окашиванию возможно проведение прикатывания травы во второй половине лета, желательно при сырой погоде. В данном случае примятая трава начинает перегнивать и является барьером, замедляющим распространение огня.
3. В качестве основного и наиболее эффективного мероприятия по предотвращению и распространению пожаров следует рассматривать создание минерализованных полос по периметру бывших сельскохозяйственных угодий. При этом следует отметить, что создание полос шириной 1,4 м с использованием плуга ПКЛ-70 или ПЛ-1, наиболее широко распространенных в лесном хозяйстве, не решает поставленной задачи, так как при наличии высокого травостоя на открытых участках не останавливает продвижение беглого низового пожара. Более эффективной мерой против распространения огня будет служить минерализованная полоса шириной не менее 5 м. Создание подобной полосы возможно с использованием сельскохозяйственных плугов. В качестве альтернативы возможно создание двух полос плугом ПКЛ-70 с расстоянием между ними 5-7 м и последующем выжиганием травянистой растительности между ними.
Густота и встречаемость подроста сосны и березы на разной удаленности от источника обсеменения
Успешность естественного лесовозобновления чаще всего определяют по густоте подроста. При проведении лесоводственных исследований густоту дополняют показателем встречаемости. Встречаемость зависит от густоты и особенностей пространственного размещения подроста по площади, т.е. в известной степени характеризует оба эти признака.
Достоинством встречаемости является простота определения и возможность использования материалов крупномасштабной аэрофотосъемки для установления успешности естественного лесовосстановления (Мартынов, 1995). Кроме того, густоту подроста можно легко рассчитать, исходя из процента встречаемости при условии равномерного размещения особей по площади. Однако в большинстве случаев распределение растений в сообществах случайное. Поэтому точный математический расчет связи между показателями густоты и встречаемости подроста не имеет большого практического значения. Прежде чем рассчитать густоту подроста по встречаемости, нужно выявить тип размещения особей, что сделать сложнее, чем непосредственно определить густоту. Однако представляют интерес крайние значения густоты подроста при разных показателях встречаемости, которые могут быть ис пользованы для лесоводственного обоснования шкал оценки успешности естественного лесовозобновления.
Опираясь на экспериментальные данные, А.Н. Мартынов (1995) делает выводы, что при одном и том же показателе встречаемости густота подроста значительно варьируется. Он связывает это с различиями в характере пространственного распределения подроста по площади, обусловленными неодинаковой степенью агрегации и мозаичностью среды обитания. Варьирование густоты возрастает при максимальных значениях показателя встречаемости. Для практических целей наибольший интерес представляет определение нижнего предела численности подроста при встречаемости, обеспечивающей формирование продуктивных древостоев.
Объекты наших исследований качественно отличаются от вырубок, обследованных А.Н. Мартыновым, тем, что формирующиеся на пашнях и сенокосах молодняки имеют семенное происхождение. Данное обстоятельство позволяет рассматривать формирующиеся березовые молодняки как потенциальные объекты для ведения высокоствольного хозяйства. Последнее определяет практическую значимость исследований по данному вопросу не только для хвойных пород.
Преобладающими лесообразующими породами в составе формирующихся молодняков на пашне являются сосна и береза. Варьирование густоты подроста сосны возрастает при увеличении процента встречаемости. Наибольшее варьирование густоты - 8958-14088 экз./га - отмечено при встречаемости 80-100 %, при встречаемости 50-60 % густота находится в пределах 3366-3471 экз./га, при встречаемости до 40 % густота подроста сосны не превышает 1278 экз./га (рис. 6.10). Зависимость густоты от встречаемости для сосны выражается уравнением:
Варьирование густоты подроста березы также возрастает при увеличении процента встречаемости, достигая максимума при значении 60-70 %. При данной встречаемости густота подроста березы находится в пределах 5313-11875 экз./га. При встречаемости 40-60 % густота не превышает 2795-6923 экз./га, встречаемости 20-40 % соответствует густота 1517-2266 экз./га, при встречаемости до 20 % густота не превышает 986 экз./га (рис. 6.10). В общем, зависимость густоты от встречаемости для подроста березы описывает уравнение следующего вида: =32,289х1 2624, (4) где Y — густота подроста, зкз./га; х — встречаемость подроста, %. Величина достоверности для данной зависимости составила: R =0,9531.
Таким образом, как для подроста березы, так и для подроста сосны характерно повышение колебаний густоты по мере увеличения процента встре чаемости. При равном значении встречаемости у подроста березы наблюдается варьирование густоты в большем диапазоне, чем у сосны. Это позволяет сделать вывод, что распределение подроста березы в большей степени зависит от среды обитания (неоднородность микрорельефа, почвы, условий увлажнения).
При одинаковых показателях встречаемости густота подроста березы имеет большие значения, чем у подроста сосны. Данное явление объясняется тем, что подрост березы распределен по площади обследованных участков менее равномерно, чем подрост сосны и произрастает чаще всего в виде групп от нескольких единиц до нескольких десятков штук в группе.
Для определения минимальной густоты подроста древесных пород на пашне, при которой формируется продуктивный древостой, мы воспользовались нормативами для округа южной тайги, граничащего с округом предле-состепных сосново-березовых лесов (Инструкция..., 1984).
Средняя высота подроста сосны и березы на подавляющем большинстве обследованных участков позволяет отнести его к категории среднего. Для подроста сосны на подзолистых и дерново-подзолистых почвах супесчаных и суглинистых по механическому составу минимальная густота подроста, обеспечивающая естественное лесообразование на вырубках, составила 4,0 тыс. экз./га. Наиболее близкие к нормативу минимальные значения густоты подроста сосны - 3366-3471 экз./га - соответствуют встречаемости подроста 50-60 % (рис. 6.10). Мы считаем, что на пашне условия более благоприятные для формирования молодняков, и эти значения густоты обеспечивают формирование высокопроизводительных древостоев.
