Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 2. Природно-климатические условия района исследований 20
2.1.. Физико-географическая характеристика и климат 20
2.2. Растительность и почвы Свердловской области 28
2.3. Характеристика гидролесомелиоративного фонда 32
ГЛАВА 3. Программа и методика исследований, характеристика объекта исследований 37
3.1. Программа и методика исследований, объем собранного материала 37
3.2. Характеристика объекта исследований 42
ГЛАВА 4. Гидрологический режим оъекта исследований 50
4.1. Динамика почвенно-грунтовых вод в еловых древостоях 50
4.2. Обеспеченность нормы осушения для еловых древостоев 65
4.3. Особенности промерзания торфяных почв 70
ВЫВОДЫ 74
ГЛАВА 5. Особенности роста и развития деревьев ели в еловых древостоях 75
5.1. Динамика прироста по высоте 75
5.2. Динамика прироста по радиусу 82
5.3. Рост и развитие корневых систем Picea obovata в древостоях на торфяных почвах 87
ВЫВОДЫ 95
ГЛАВА 6. Особенности роста и развития корневых систем подроста ели 96
6.1 Строение и пространственная структура корневых систем подроста ели 96
6.2. Разветвленность, как основное условие формирования корневых систем подроста ели 107
6.3. Распределение основных биометрических показателей корневых систем подроста ели 118
6.4. Особенности распределения фитомассы подроста ели 124
Выводы 127
ГЛАВА 7. Особенности роста подроста ели в болотных древостоях 129
7.1. Предварительное лесовозобновление 129
7.2. Последующее лесовозобновление 137
7.3. Травяно-кустарничковый ярус 143
Выводы 150
Заключение и рекомендации 151
Список литературы
- Растительность и почвы Свердловской области
- Характеристика объекта исследований
- Обеспеченность нормы осушения для еловых древостоев
- Рост и развитие корневых систем Picea obovata в древостоях на торфяных почвах
Введение к работе
В связи с этим изучение роста и развития корневых систем Ели сибирской, их морфологии и структуры на торфяных почвах является перспективным и весьма актуальным как в теоретическом плане, так и в практическом отношении.
Цель диссертационной работы. Целью работы явилось изучение особенностей формирования корневых систем Picea obovata на торфяных почвах и влияние осушения на особенности их развития.
Для выполнения поставленных задач исследован широкий круг вопросов, связанных с трансформацией компонентов фитоценозов, их количественных и качественных характеристик.
Научная новизна.
На основе длительных стационарных исследований и на базе большого фактического материала комплексно изучено влияние осушения на формирование корневых систем ели сибирской.
Полученные материалы дополняют знания о лесоболотных биогеоценозах, их устойчивости и закономерностях трансформации их компонентов под влиянием осушения, и могут быть использованы в качестве теоретической базы для разработки ряда рекомендаций по ведению лесного хозяйства в мелиорируемых лесах Среднего Урала.
Практическая значимость. Проведенные исследования строения корневых систем, в связи с осушением еловых древостоев, особенностей
их формирования, дают возможность более точного выявления не только принципиальных особенностей в их строении, но и в динамике развития, т. е. рассматривать развитие корневой системы, как динамичную модель и позволяет обеспечить направленное влияние на их формирование определенными лесохозяйственными мероприятиями.
Обоснованность выводов. Обеспечена анализом большого количества материала лесоводственных и гидрологических исследований в еловых древостоях IV-V класса возраста, собранного соискателем на опытно-промышленном участке осушения «Мостовое» с использованием современных методов исследования.
Защищаемые положения. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Особенности роста и развития корневых систем ели на торфяных почвах.
Влияние осушения торфяных почв на трансформацию корневых систем ели.
Особенности роста и развития корневых систем подроста ели до и после осушения торфяных почв.
Лесовозобновительные процессы под пологом болотных еловых древостоев и влияние на них осушения и выборочных рубок.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и
обсуждались на научно-технической конференции студентов и аспирантов
«Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: материалы II
всероссийской научно-технической конференции»; Научно-технической
конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи -
лесному комплексу России: материалы III всероссийской научно-
технической конференции»; Известия Санкт-Петербургской
лесотехнической академии. Сборник докладов молодых ученых ежегодной
научно-практической конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 12; Лесное хозяйство. 2007. №3. С. 31-33
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 9 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 178 работ, в том числе 11 на иностранных языках. Основной материал изложен на 186 страницах печатного текста, имеет 33 таблицы, 28 рисунков и 3 приложения.
Растительность и почвы Свердловской области
Почвы Свердловской области наиболее полно охарактеризованы в работах В.П. Фирсовой (1959, 1977), З.Н. Арефьевой (1970, 1972) и др., отметим только их некоторые важные особенности.
Почвы горных и предгорных районов характеризуются небольшой мощностью, среди них преобладают легкие и средние суглинки, которые отличаются высокой степенью скелетности и обладают малой устойчивостью к плоскостной эрозии. Однако, почвы пологих склонов и межгорных депрессий, наоборот характеризуются большей мощностью, умеренной скелетностью и тяжелым механическим составом (средние и тяжелые суглинки, глины).
Почвы Зауралькой равнины также характеризуются большой мощностью, слабой степенью скелетности и тяжелым механическим составом. Почвы в южной части равнины сильно задернены, в северной -заболочены и заторфованы. (Колесников, 1968).
В целом, почвы области отличаются разнообразием в связи со сложностью геологического и орографического строения территории, особенностями климата и растительного покрова. Так, например, Колесников (1973) указывает, что список почв, свойственных области включает весь диапазон почв гумидного и частично субаридного поясов -от горно-тундровых, горно-луговых субальпийских, горно-подзолистых и кислых слабоподзолистых северотаежных до бурых горно-лесных, горных и нормальных (на равнинах) серых лесных, а также выщелоченных оподзоленных черноземов, лугово-черноземных почв. Распределение типов почв подчинено высотной поясности в пределах горных хребтов и широтной поясности на остальной территории.
Растительный покров Свердловской области неоднороден. Главный ландшафтообразующий тип растительности Свердловской области - лес. Общая лесная площадь составляет 81% от общей площади области, лесистость области составляет - 62.7%.
Лесообразующие породы включают 5 видов хвойных и 13 видов лиственных пород. Однако, почти 99% покрытой лесом площади занимают всего лишь 4 вида хвойных (сосна, ель, кедр, лиственница) и 4 вида лиственных (березы бородавчатая и пушистая, осина, липа). Остальные породы (дуб, ильм, вяз и др.) распространены преимущественно в юго-западных предуральских районах (бассейн р. Уфы).
Западный склон и осевая полоса Северного и Среднего Урала покрыты массивами темно-хвойных лесов из ели и пихты с участием кедра на севере области. Восточный склон Урала, его предгорья и бассейн Тавды на Зауральской равнине покрыты массивами с преобладанием сосновых лесов, заболоченных на северо-востоке. На юго-востоке произрастают березовые сосновые леса, переходя на юге области в березовые колки.
Вторым по ландшафтообразующему значению являются болота и заболоченные земли (Рис 3). В составе государственного лесного фонда области под болотами различных типов и заболоченными землями занято 15% общей площади. Распределение заболоченности по территории области неравномерно.
Для горной полосы Урала характерна умеренная заболоченность,от 6% на Северном Урале до 2-0.1% на Среднем Урале. Западные предгорья Среднего Урала также мало заболочены. В восточных же предгорьях Среднего Урала заболоченность составляет 5-6%, здесь она приурачивается к меридиональным депрессиям (исключение Егоршинский - 11% и Уралмашевский - 16% лесхозы). В пределах Зауральской равнины заболоченность сильнее и колеблется от 10-12% в южной части до 30% в северной, особенно выделяются Лозьвинско-Пелымское и Тавдинско-Кондинское междуречья.
Третьим по площади ландшафтом является луговая растительность. Она распространена по всей области. Луга вкраплены небольшими участками среди лесов и болот, по долинам рек и по берегам озер. Общая площадь лугов составляет 8%, от 2% на северо-востоке до 10-13% на юге и юго- востоке области. По данным 1972, в госземфонде Свердловской области луговая растительность занимает 1.1 млн. га.
Характеристика объекта исследований
Изучения корневых систем подроста ели основывалось на работах В.А. Колесникова (1947, 1962, 1972; Колесников и др., 1967) и М.И. Калинина (1978, 1983). Раскопка корневых производилась по методу скелета на всю глубину залегания корневых систем. Он заключается в полной раскопке скелетных корней и последующей их зарисовке, замере, фотографировании и дает возможность определить характер размещения корневой системы, глубину проникновения скелетных корней, ярусность их распределения в почве. Как отмечает В.А. Колесников (1972), при тщательной раскопке корневой системы можно с достаточной точностью учесть суммарную длину, количество корней и глубину залегания их в почве.
Раскопку корневой системы начинали от ствола к периферии. Препарирование корней от почвы начинали с горизонтальных корней. Все скелетные корни раскапывались до их окончания (корневого чехлика). В процессе раскопки корни зарисовывались в соответствующем масштабе.
При изучении корни разделяли на: основной (стержневой) корень, -который является продолжением ствола дерева, отходящие от него корни 1-го порядка, затем корни 2-го порядка, от них корни 3-го порядка и т. д. Кроме того, выделяли вертикальные ответвления от горизонтальных корней.
Для определения параметров пространственного размещения корневой системы, таких как, площадь проекции корней и объем почвы, занимаемой корневой системой использовалась методика М.И. Калинина (1978, 1983).
Для учета эллипсоидальное строения, толщину корней замеряли в вертикальном и горизонтальном направлениях у их основания с точностью до 0,1 мм штангенциркулем.
Исследование динамики ветвления корней При анализе процесса ветвления корней учитывали порядки ветвления корней до 4-го. Для определения степени разветвленности вычисляли коэффициент ветвистости по формуле (Калинин, 1978): К8= (1.) где, К в _ коэффициент ветвистости; 5] 1 - сумма длин всех ответвлений до 4-го порядка данного корня, мм; L - длина корня 1 -го порядка, мм. Стереометрический анализ корневых систем подроста
Площадь проекции горизонтальных корней на поверхность почвы определяли по схеме расположения корней выполненной на масштабной бумаге, как площадь многоугольника. Объем пространства, занимаемый корневой системой, определяли по формуле (Калинин, 1978): 4=ihKSnMT (2.) где, VK - объем занимаемый корневой системой, м3; hK - глубина проникновения корней, м; S пит - площадь проекции корневой системы на поверхность почвы, м2.
Для определения подземной фитомассы подроста, все корни также делили по толщине на фракции (Калинин, 1978): до 1,0, 1,1-2,0, 2,1 ,0, 4,1-10,0, более 10,0 мм.
При обработке из каждой фракции бралась навеска 20-30 г, в ней определялись следующие показатели: длина, средний диаметр, площадь боковой поверхности и объем корней. Затем полученные данные переводились на всю фракцию (Колесников, 1972).
Средний диаметр навески определялся с помощью бинокуляра с точностью до 0,1 мм. Диаметр каждого корня измерялся не менее чем в трех местах. Длину корней навески измеряли штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Площадь боковой поверхности находили по формуле (Колесников, 1972; Калинин, 1978): 4V S =— (3) где, SnoB - площадь боковой поверхности фракции корней; УфР - объем фракции корней; ёфР - средний диаметр фракции корней. Надземная фитомасса подроста определялась по методике Н.А. Луганского З.Я. Нагимова (1994).
В период программных исследований был выполнен следующий объем работ. Всего взято 243 почвенных монолита, для изучения распределения корней в почвенных слоях, более 6100 взвешиваний различных фракций корней в воздушно-сухом состоянии. Для изучения корневых систем подроста было взято более 80 экземпляров. Произведено более 5000 измерений длины корней, более 1000 взвешиваний корней и 800 взвешиваний морфологических частей подроста (стволиков, ветвей, хвои) в воздушно сухом состоянии.
На 10 ППП выполнен перечет древостоя, всего 1826 измерений, более 300 измерений высоты. Приросты по высоте и диаметру определялись по модельным деревьям, всего 27 деревьев.
Измерений высоты подроста - 5908 замеров. Приростов по высоте измерялся у 400 экземпляров. Сплошной перечёт подроста выполнен на площади 1,97 га.
В течение пяти лет наблюдений за гидрологическим режимом территории выполнено более 1500 замеров уровней почвенно-грунтовых вод; взято более 150 проб снега для определения мощности снежного покрова, его плотности и запаса воды в снеге; около 190 раз определялась мощность мерзлоты в почве. Статистическая обработка данных проводилась по методикам Г.Н. Зайцева (1984) и Г.Ф. Лакина (1980).
Обеспеченность нормы осушения для еловых древостоев
Подтверждением является сравнение динамики уровней почвенно-грунтовых вод между гидростворами 1 и 3. На межканальной полосе гидроствора 1 (ос. 19-17) древостой был пройден выборочными рубками, очевидно, поэтому уровни НТВ в среднем за 5 лет здесь располагались на 9 см ниже, чем на такой же межканальной полосе гидроствора 3 (ос. 15-13), но без выборочных рубок. Древостой на межканальной полосе между осушителями 19 и 17 имеет меньшую сомкнутость, тем самым обеспечивается более быстрый прогрев почвы и сброс избыточных вод.
Для объективной оценки гидрологического режима необходимо сравнение изменчивости уровней почвенно-грунтовых вод в разные сроки вегетации (начало, середина, конец и в среднем за пять месяцев). Поэтому сравнение изменчивости уровней ПГВ проводили по шести датам (прил. 1; табл. 10). Началом вегетатационного периода рассматривается 1 декада мая (Вомперский, 1968) В условиях Среднего Урала, по данным А.С. Чиндяева (1989), первые признака ростовых процессов в кроне древесных пород начинаются в 3 декаде мая, а сроком начала обеспечения нормы осушения является 1 декада июня. Датой середины вегетационного периода, на которую приходится максимум роста и нарушение нормы осушения особенно опасно, является - 1 декада июля. Сроком окончания вегетационного периода была принята 1 декада сентября (Чиндяев, 1989, 1993).
Достаточно трудно выделить какой-либо период в течение вегетации, когда уровни почвенно-грунтовых вод были бы наиболее устойчивыми и надежными для сравнения. Так на серединах межканальных полос коэффициенты вариации изменялись от 12,9-64,9% для гидроствора 1, 16,5-50,0% для гидроствора 2 и 22,0-60,4% для гидроствора 3. Для контроля эти варьирование составило 6,3-26,1%. Однако наименьшими коэффициентами вариации во всех случаях обладали значения уровней на 1 декаду июля и в среднем за май-сентябрь (табл. 10).
Часто лесоводственный эффект гидролесомелиорации увязывают со средней глубиной ПГВ в почве за вегетационный период. В общих чертах такая связь проявляется и на наших объектах; однако с экологической стороны средняя глубина ПГВ недостаточно показательна, ввиду большой изменчивости сезонной динамики уровня воды в почве, как для разных объектов, так и для разных лет. В связи с этим даже при одинаковой средней глубине ПГВ, различная сезонная динамика оказывает неоднородное качественное влияние на лес в зависимости от фенологического состояния древостоя, его возраста и т.д. (Вомперский, 1968).
Поэтому в литературе (Вомперский, 1968, 1975; Чиндяев, 1989,1993) норму осушения увязывают не со средней глубиной ПГВ за сезон, путем указания глубины, выше которой уровни ПГВ не поднимались с определенной степенью вероятности или обеспеченности (рис. 13-15).
Х.А. Писарьков (1956) предложил при проектировании осушения лесов за мелиоративно-расчетный период обеспеченности принимать весенний период, объясняя это необходимостью освобождения корнеобитаемой толщи от гравитационной воды к началу роста деревьев.
Для Среднего Урала подобные расчеты проведены А.С. Чиндяевым (1989), расчетным периодом обеспечения нормы осушения является - 1 декада июня, точнее 5 июня. Именно к этому времени корнеобитаемые горизонты более благоприятны для роста корней по сравнению с 3 декадой мая. Поскольку почва достигает температуры +5С, считающейся наиболее благоприятной для роста корней (Вомперский, 1968), к тому же в 3 декаде мая встречается мерзлота на осушенных площадях (Чиндяев, 1987). В этот период уровни ПГВ располагаются на глубине значительно ниже, чем в мае и обладают меньшими коэффициентами вариации (табл. 11).
В мелиорированных древостоях глубина промерзания почвы зависит от глубины уровней почвенно-грунтовых вод, густоты и характера древесного полога, мощности снежного покрова и суммы отрицательных температур.
Проведенные нами исследования показали, что разреживание древесного полога существенно влияет на глубину промерзания почв. Установлено, что глубина промерзания почв на осушенных землях следует за уровнями ПГВ (Нестеренко, 1971; Тимофеев, 1982; Чиндяев, 1987, 1993). Характеристика снежного покрова за 3 года исследований приведена в таблицах 12-13.
Так, на делянке 1, расположенной между осушителями 19 и 17, где на пасеках произрастает древостой полнотой 1,3-0,5, глубина промерзания составила в 2003-2004 гг. -24 см, 2004-2005 гг. - 16 см, 2005-2006 гг. - 32 см (Рис. 16). На делянке 2, расположенной на межканальной полосе между осушителями 17 и 15, с полнотой древостоев 0,6-0,9 слой мерзлоты составил в 2003-2004 гг. - 22 см, 2004-2005 гг. - 18 см, 2005-2006 гг. 32 см. Древостой между осушителями 15 и 13 разреживанию не подвергался, глубина промерзания составила в 2003-2004 гг. -36 см, 2004-2005 гг. - 19 см, 2005-2006 гг.-38 см.
На контроле глубина промерзания составила в 2003-2004 гг. -23 см, 2004-2005 гг. - 16 см, 2005-2006 гг. - 28 см. Такая разница в промерзании торфяной почвы связана с тем, что там, где древостой пройден выборочными рубками и имеет меньшую полноту, процесс снегонакопления происходит интенсивнее, а мощность снежного покрова больше, чем в таких же древостоях, но не пройденных рубками.
Как видно из вышеприведенных данных, максимальная промерзаемость торфяных почв на объекте исследования за рассматриваемый период не превышала 40 см. Полного промерзания откосов и дна каналов не происходило, а значит и не прекращался сток с осушаемой территории.
Рост и развитие корневых систем Picea obovata в древостоях на торфяных почвах
Результаты наших исследований полностью согласуются с данными других исследователей, осушаемые темнохвойные древостой (Рубцов, Федюков, 1986; Столяров, Ананьев, 1986; Столяров и др., 1990). Увеличение прироста по радиусу начинается уже в первые годы осушения и достигает максимума во втором десятилетии.
Крупные деревья сформировали прирост равный в I шестилетие после осушения 0,94 мм вблизи канала и 0,68 мм на середине межканальной полосы, во II шестилетие прирост составил 1,55 и 1,15 мм а в III пятилетии - 2,87 и 1,86 мм соответственно вблизи канала и на середине межканальной полосы.
После осушения прирост по высоте для средних деревьев в I шестилетие после осушения составил 0,56 мм вблизи канала и 0,68 мм на середине межканальной полосы, во II шестилетие - 0,96 и 1,53 мм соответственно, в III пятилетие 2,22 и 2,70 мм, т. е. наблюдается устойчивый рост приростов по радиусу.
Аналогичная динамика наблюдается и для тонких деревьев ели. В I шестилетии вблизи канала прирост - 0,25 мм и для середины межканальной полосы - 0,69 мм, во II шестилетии 0,40 и 1,08 мм, и в III пятилетии - 1,29 и 1,59 мм вблизи канала и середины межканальной полосы соответственно.
Таким образом, тонкие деревья, увеличили прирост по радиусу за 17 лет в 1,3-7,8 раза вблизи канала и 2,3-5,2 раза на середине межканальной полосы, средние - 1,2-4,6 раза вблизи канала и 1,5-3,7 раза на середине межканальной полосы и крупные в 1,6-5,0 и 1,1-3,0 раза вблизи канала и на середине межканальной полосы соответственно. На контроле радиальный прирост постепенно снижается у деревьев всех категорий крупности. Итак, деревья ели на исследуемом объекте активно реагируют на осушение, что выражается в постоянном увеличении радиального прироста.
Глубина проникновения корней дает представление о максимальном объеме почвы, доступном древостою в данных условиях. Но вследствие неравномерного распределения корней с увеличением глубины, степень извлечения питательных веществ из разных слоев неодинакова.
При изучении особенностей распределения корней в почве с глубиной, важно определить значение того или иного горизонта в питании древостоя. Для этого, как указывает известный почвовед Н.А. Качинский (1925, 1931), развитие корневых систем необходимо рассматривать в тесной связи с почвообразовательным процессом и влияние на них физических и физико-химических свойств отдельных почвенных горизонтов. При таком подходе важно не столько извлечь всю корневую систему растения целиком из почвы, сколько точно фиксировать какое количество корней располагается в каждом горизонте.
Этот принцип был положен в основу многими исследователями (Драгавцев, 1936; Муромцев, 1948, 1962, 1969; Шалыт, 1949, 1960; Юркевич, Смоляк, 1955; Згуровская 1963; Вощикова, 1964; Ващенко, 1965; Шалыт, Животенко, 1968). Наиболее существенные методические изменения и дополнения были внесены И.Н. Рахтеенко (1952, 1963; Рахтеенко, Якушев, 1968).
При рассмотрении особенностей распределения корней на торфяных почвах мы ограничились изучением основных корнеобитаемых слоев: 0-19, 10-20 и 20-30 см. Поскольку основная корнеобитаемая глубина на осушенных болотах, по данным С.Э. Вомперского (1968), не превышает 40 см. Выбираемые из каждого слоя живые корни делили фракции: менее 1, 1-2, 2-4, 4-Ю и более 10 мм, в соответствии с классификацией принятой в работах посвященных изучению корневых систем ели обыкновенной, как породы наиболее близкой, по сравнению с другими древесными породами, к ели сибирской. (Вомперский, 1968; Калинин, 1978,1983).
Наиболее неблагоприятные условия для корневых систем нами были выявлены на торфяных почвах без осушения. Уже в 20-30 см слое отсутствовали живые корни. Установлено, что 62,4% корней ели и 60,2% березы сосредоточены в верхнем 0-10 см слое (табл. 17).
На середине межканальной полосы условия местопроизрастания более благоприятны по сравнению с контролем. Так 46,3%) и 56,6% от общей массы корней ели и березы размещаются в 0-10 см слое, а 36,0 и 32,4% соответственно в 10-20 см слое. Кроме того, 22,3% всех всасывающих корней ели (менее 1 мм) расположены именно в 20-30 см слое. Однако отсутствие скелетных корней толщиной более 10 мм глубже 20 см, указывает на наш взгляд, на то, что 20-30 см слой в данных условиях лишь начинает осваиваться.
Наиболее оптимальные условия формируются вблизи канала (5-10 м от канала). Так 49,4% корней ели и 42,3% корней березы располагаются в 0-10 см слое, 36,6 и 36,7% в 10-20 см слое, 14,0 и 21,0% в 20-30 см слое соответственно. При сравнении по абсолютным показателям общая масса корней ели вблизи канала превышает таковую на середине межканальной полосы в 2,3 раза для 0-10 см слоя, в 2,2 раза для 10-20 см слоя и в 1,7 раза для 20-30 см слоя. Для березы общая масса корней вблизи канала превышает в 1,5 и 4,9 раза середину межканальной полосы и контроль в 0-10 см слое и в 2,3 и 6,4 раза для 10-20 см слоя. На контроле значения показателей для ели ниже в 4,5 и 5,2 раза для 0-10 и 10-20 см слоев, чем в близи канала. Нужно отметить, что вблизи канала 10,2% корней ели толще 10 мм находятся в 20-30 см слое, что позволяет предположить - глубина проникновения корней в этих условиях составляет более 30 см.
Похожие диссертации на Особенности роста и развития корневых систем Picea Obovata Ledeb. на торфяных почвах Среднего Урала
