Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
2. Природно-географическая характеристика районов исследования 44
2.1. Географическое положение 44
2.2. Климатические условия 45
2.3. Рельеф и почвы 49
2.4. Лесной фонд... 52
3. Программа, методика, объекты исследований и объём выполненных работ 61
3.1. Программа исследований 61
3.2. Методика исследований 62
3.3. Объекты исследования 69
3.4. Объём выполненных работ 70
4. Строение берёзовых древостоев по лесорастительным районам 72
4.1. Строение по диаметру 72
4.2. Строение по высоте 81
4.3. Строение по полноте 83
4.4. Густота берёзовых древостоев по лесорастительным районам 88
4.5. Бонитет и производительность березняков разных лесорастительных районов 89
5. Ход роста берёзовых древостоев по лесорастительным районам 94
5.1. Ход роста по высоте 94
5.2. Ход роста по диаметру 97
5.3. Ход роста по сумме площадей сечений деревьев 100
5.4. Ход роста по запасу 103
5.5. Ход роста по густоте 106
5.6. Таблицы хода роста берёзовых древостоев произрастающих в четырёх лесорастительных районах Свердловской области 108
5.7. Сопоставление таблиц хода роста модальных берёзовых древостоев четырёх лесорастительных районов Свердловской области с таблицами для Среднего Урала 115
6. Влияние разных способов рубок главного пользования в березняках среднего урала на возобновительный процесс 123
6.1. Анализ возобновительного процесса под пологом берёзовых древостоев 123
6.2. Влияние сплошной рубки берёзового древостоя на возобновительный процесс 130
6.3. Влияние чересполосно постепенной рубки в березняках на возобновительный процесс 135
6.4 Влияние постепенной рубки в березняках на возобновительный процесс 141
7. Влияние сплошнолесосечной и постепенной рубок на трансформацию живого напочвенного покрова производных березняков 150
7.1. Трансформация живого напочвенного покрова под влиянием сплошнолесосечной рубки 150
7.2. Трансформация живого напочвенного покрова под влиянием постепенных рубок 153
8. Обоснование принципиальных моментов предлагаемого варианта постепенной рубки в производных березняках 159
8.1. Первый приём рубки 159
8.2. Второй приём рубки 162
Заключение 171
Библиографический список 174
Приложение 201
- Климатические условия
- Густота берёзовых древостоев по лесорастительным районам
- Ход роста по сумме площадей сечений деревьев
- Влияние сплошной рубки берёзового древостоя на возобновительный процесс
Введение к работе
Актуальность исследований. В связи с широким распространением в середине XX века сплошных концентрированных рубок на Среднем Урале, большой проблемой в данном регионе являются смены высокопродуктивных сосновых и еловых древостоев на производные берёзовые. На сегодняшний день только в Свердловской области площадь насаждений с преобладанием берёзы в составе древостоев составляет около 3,5 млн. га при запасе стволовой древесины 414,7 млн. м3, а в целом по Уральскому экономическому району площадь березняков достигает 9,2 млн. га. Большая часть представленных на Среднем Урале березняков к настоящему времени достигла возраста главной рубки, а под их пологом имеется подрост хвойных пород.
Традиционно главное пользование в березняках осуществляется сплошнолесосечными рубками, в результате чего доля выхода наиболее ценных берёзовых сортиментов, например фанерного кряжа, не превышает 7-10%, а численность оставшегося после рубки хвойного подроста не позволяет без дополнительных материальных затрат добиться возобновления вырубки хозяйственно-ценными породами. Последнее особенно актуально для высокопродуктивных типов леса, которые наиболее представлены на Среднем Урале в пределах Свердловской области.
Таким образом, разработка новых способов лесосечных работ позволяющих с учётом лесоводственных требований, повысить выход толстомерных берёзовых сортиментов, снизить материальные затраты на лесовосстановление, а также уменьшить трудоёмкость отвода древостоя в рубку является весьма актуальной проблемой.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлось изучение строения, роста и производительности, берёзовых древостоев в четырёх лесорастительных районах Свердловской области для повышения точности учётных работ и таксации березняков, а так же оптимизации лесопользования в березняках.
В соответствии с этой целью были сформулированы следующие задачи исследований:
1. Изучить строение модальных берёзовых древостоев произрастающих в четырёх лесорастительных районах Свердловской области и выявить различия между ними.
2. Исследовать ход роста березняков по лесорастительным районам и выявить величину различий в их росте и производительности.
3. Оценить возможность применения существующих таблиц хода роста для таксации березняков разных лесорастительных районов и разработать в случае необходимости новые таблицы хода роста модальных берёзовых древостоев.
4. Провести анализ влияния сплошнолесосечной, чересполосно постепенной и равномерно постепенной рубок на возобновительный процесс, протекающий в высокопродуктивных березняках.
5. Изучить влияние разных способов лесозаготовки на трансформацию живого напочвенного покрова.
6. Разработать вариант рубки в высокопродуктивных березняках позволяющий с учётом лесоводственных требований повысить выход крупномерных берёзовых сортиментов, до минимума сократить расходы на отвод лесосек и лесовосстановление, восстановить коренные хвойные древостой на месте производных берёзовых.
Научная новизна исследований. Впервые проведено сравнительное широкомасштабное комплексное исследование особенностей строения, роста, возобновления и производительности модальных берёзовых древостоев по четырём лесорастительным районам Среднего Урала в пределах Свердловской области. Выявлены существенные различия в строении, росте, производительности и процессах естественного возобновления между берёзовыми древостоями произрастающими в разных лесорастительных районах. Составлены таблицы хода роста по доминирующей в районе исследований четвёртой хозяйственной группе типов леса для модальных берёзовых древостоев четырёх лесорастительных районов. Предложен принципиально новый высоко эффективный с лесоводственной и эксплуатационной точек зрения способ постепенной рубки в берёзовых древостоях.
Защищаемые положения. В работе исследованы и обоснованы следующие положения представленные к защите:
1. Модальные берёзовые древостой произрастающие в разных лесорастительных районах имеют существенные различия в росте, производительности и строении.
2. Равномерно постепенная рубка умеренной интенсивности по верховому методу в высокопродуктивных производных березняках наиболее эффективна в лесоводственном отношении.
3. После равномерно постепенной рубки на месте производных березняков формируются коренные хвойные молодняки.
Практическая ценность выполненных исследований. Результаты исследований могут быть использованы для составления и корректировки нормативных документов использующихся при разработке проектов организации и ведения лесного хозяйства, при планировании и организации проведения лесохозяйственных мероприятий. Составленные таблицы хода роста рекомендуется применять при таксации и учёте берёзовых древостоев. Предложенный способ постепенной рубки проходит опытно-производственную проверку на территории лесного фонда арендуемого ЗАО «Фанком» (Сосьвинско-Туринский предгорно-равнинный лесорастительный район (подрайон южнотаёжный)).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты и практические рекомендации были представлены на Международной научно-технической конференции «Леса европейского региона - устойчивое управление и развитие» (Минск, 2002), на ежегодных научно-технических конференциях студентов и аспирантов Уральского государственного лесотехнического университета (Екатеринбург, 2002, 2003, 2004), а также легли в основу подготовки двух отчётов о научно-исследовательской работе (Екатеринбург, 2002, 2003).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.
Личный вклад автора. Заключается в постановке научной проблемы, разработке программы исследований, выполнении полевых и камеральных работ, сборе и обработке экспериментального материала.
Обоснованность и достоверность полученных результатов. Обеспечивается достаточным объёмом экспериментального материала и использованием при его обработке современных математических способов и вычислительных средств с необходимыми оценками точности и достоверности полученных результатов, комплексным разносторонним подходом к решению поставленных научных задач, а также применением общепринятых методических руководств и рекомендаций.
Структура и объём диссертации. Представленная диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов, заключения, библиографического списка из 296 наименований отечественных и зарубежных авторов и 1 приложения. Материал выполненных исследований изложен на 205 страницах, включает 44 таблицы и 14 рисунков.
Климатические условия
Большое влияние на формирование климата в районе исследований оказывают воздушные массы трёх типов: западные — влажные и прохладные; северные - холодные и относительно сухие; южные — тёплые и сухие. В целом, вследствие удаленности района от Атлантического океана и соседства с Сибирью, климат на исследуемой территории отличается континентальностью. Сильно влияют на климатический режим Уральские горы, которые протянулись поперёк движения влажных воздушных потоков с Запада. Хотя горы имеют незначительные высоты, тем не менее, они способны замедлять, а иногда и задерживать воздушные массы атлантического происхождения. Уральский хребет часто способствует перемещению воздушных масс в меридиальном направлении. Поэтому зимой холодный воздух из Арктики нередко "сползает" вдоль гор далеко к югу, а летом наоборот тёплые потоки могут зайти далеко на север. Воздушные перемещения в меридиальном направлении вызывают неустойчивость погоды, особенно в летне-осенний период и весенние возвраты холодов. В целом природно-климатические условия лесорастительных районов охваченных исследованиями имеют различия по количеству поступающей солнечной энергии и влаги. Температурный режим довольно суров в зимнее время (зима длится 4-5 месяцев), умерен летом. Наиболее холодным месяцем является январь, наиболее тёплым - июль, весной наблюдается быстрое повышение суточных температур. Хотя необходимо отметить, что нередко в мае и даже в июне бывают возвраты холодов, которые могут сопровождаться обильным выпадением снега.
Для Предлесостепного сосново-берёзового равнинного и восточной части Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного (подрайона южнотаёжного) лесорастительных районов характерна сравнительно правильная внутривековая цикличная повторяемость засушливых и влажных климатических фаз различной продолжительности (от 7-11 до 30-33-летней и более). С засушливыми фазами совпадают годы повышенной пожарной опасности в лесах, с влажными (в южной части) - «вымочки» березовых колков и других лесов в понижениях мезорельефа, а во всех подзонах лесной зоны улучшение возобновления хвойных пород на вырубках и гарях (Шнитков, 1957; Смолоногов, 1960; Комин, 1963, 1967). Характерной особенностью местного климата этих районов являются наиболее мягкие термические условия, слагающиеся в средних частях склонов возвышенностей южных экспозиций, а также по окраинам террасовидных уступов широких речных долин (Колесников и др., 1973).
Климат Сергинско-Чусовского горного (подрайона широколиственно-хвойных лесов) и Тагильско-Свердловского зауральского предгорного лесорастительных районов можно характеризовать как субконтинентальный. На западе Сергинско-Чусовского горного района заметно повышена общая увлажнённость вследствие задержки Уральским хребтом, а отчасти Уфимским плато и Сылвенским кряжем продвигающихся на восток влажных воздушных масс атлантического происхождения и циклонов, которые отдают значительную часть переносимой влаги в форме горизонтальных осадков. Климатической особенностью Тагильско-Свердловского зауральского предгорного, а также западной части Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного районов, являются температурные инверсии, приуроченные к понижениям рельефа (Колесников и др., 1973). Холодный воздух стекающий с повышенных участков застаивается, поэтому пониженные элементы рельефа летом имеют более короткие вегетационный и безморозный периоды и более суровый термический режим.
Для всех районов исследований возможно значительное сокращение сроков безморозного периода из-за характерных поздних весенних и ранних осенних заморозков. Отрицательное влияние заморозков наблюдается довольно часто, особенно страдают всходы и побеги текущего года древесных растений, в пониженных элементах рельефа. Безморозный период в Сергинско-Чусовском горном, Предлесостепном сосново-берёзовом, а также на юге Тагильско-Свердловского зауральского предгорного лесорастительных районов продолжается 110-120 дней, в Сосьвинско-Туринском предгорно-равнинном и в северной части Тагильско-Свердловского зауральского - 108-113 дней. Зима холодная и продолжительная, лето сравнительно тёплое. В январе - самом холодном месяце средняя температура воздуха в лесорастительных районах расположенных на юге области равна приблизительно -16 -17С, в центральных районах -18 -19С, случаются морозы до -40С. Наиболее тёплым летом характеризуются лесорастительные районы, расположенные на юго-востоке, здесь в июле средние температуры поднимаются до отметки +18С, а в самые жаркие дни температура повышается до +35 +38С, в районах расположенных севернее среднеиюльская температура снижается до +16С.
Густота берёзовых древостоев по лесорастительным районам
Анализируя кривые, изображённые на рисунке 4.2, можно отметить, что количество деревьев берёзы в древостоях относящихся к различным лесорастительным районам неодинаково. В Сергинско-Чусовском горном районе (подрайоне широколиственно-хвойных лесов) зафиксирована максимальная густота деревьев берёзы, на всех возрастных этапах. Пониженной густотой характеризуются древостой Предлесостепного сосново-берёзового района до V класса возраста включительно, а минимальные показатели густоты зафиксированы в березняках Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного района (подрайона южнотаёжного). Продолжая анализировать кривые рисунка 4.2, можно отметить довольно резкое понижение числа деревьев берёзы на 1 га, свойственное древостоям всех исследуемых районов, которое продолжается до V-VI классов возраста, после чего процесс снижения густоты замедляется и с увеличением возраста протекает без существенных колебаний. В завершение анализа графических данных изменения густоты берёзовых древостоев по лесорастительным районам можно сделать следующие выводы: 1. Березняки разных лесорастительных районов имеют довольно существенные различия по густоте. 2. Динамика густоты с повышением возраста древостоя в разных лесорастительных районах имеет одинаковую тенденцию к снижению и протекает без существенных колебаний. 3. Сергинско-Чусовской горный лесорастительный район (подрайон широколиственно-хвойных лесов) характеризуется максимальной густотой берёзовых древостоев. Результаты исследования по определению средних классов бонитета и запасов древостоя на 1 га в березняках исследуемых районов отражены в табл. 4.6 и 4.7. Данные таблиц 4.6 и 4.7 наглядно свидетельствуют, что древостой Сергинско-Чусовского горного (подрайона широколиственно-хвойных лесов) и Тагильско-Свердловского зауральского предгорного лесорастительных районов являются наиболее производительными по сравнению с древостоями других районов. Березняки Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного района (подрайона южнотаёжного) наименее производительны, запасы в них, в зависимости от класса возраста, ниже на 49,8 и 77,9% таковых в древостоях Сергинско-Чусовского горного района (подрайона широколиственно-хвойных лесов).
В абсолютных величинах различия составляют 44 м /га в молодняках и 68,3 м /га в перестойных насаждениях. Древостой Предлесостепного сосново-берёзового равнинного лесорастительного района занимают промежуточное положение по рассматриваемому признаку. Таким образом, исходя из приведённых материалов видно, что принадлежность древостоев к тому или иному лесорастительному району существенно сказывается на его производительности. Подводя итоги в изучении производительности древостоев, можно сделать следующие выводы: 1. Древостой Сергинско-Чусовского горного (подрайона широколиственно-хвойных лесов) и Тагильско-Свердловского зауральского предгорного лесорастительных районов являются наиболее производительными по сравнению с древостоями других районов. 2. Выравнивания величины запасов древостоев разных лесорастительных районов в связи с повышением их возраста не происходит. 3. В возрастном ряду с его повышением отмечается увеличение различий в производительности между березняками различных лесорастительных районов. 4. На производительность берёзовых древостоев существенное влияние оказывает район их произрастания. 1. Распределение растущих деревьев по ступеням толщины в средневозрастных древостоях наиболее приближено к нормальному распределению. С повышением возраста древостоя наблюдается сначала резкое смещение средних диаметров в сторону меньших значений, а затем, с дальнейшим повышением возраста рассматриваемый показатель вновь начинает выравниваться, однако, его уровень остаётся в области меньших значений по сравнению со средневозрастными древостоями. 2. Берёзовые древостой произрастающие в разных лесорастительных районах имеют довольно существенные различия в распределении деревьев по ступеням толщины. Значение таких показателей, как мера косости и крутости рядов распределений для древостоев произрастающих в разных лесорастительных районах может различаться более чем в 2,5-3 раза в пределах одного возрастного периода. 3. Варьирование диаметров в большей степени проявляется в средневозрастных березняках. С повышением возраста коэффициент варьирования снижается вплоть до возраста спелости, после которого вновь незначительно повышаться. 4. Значения средних диаметров и варьирование диаметров берёзовых древостоев имеют существенные различия по лесорастительным районам и закономерностей в их изменении в большую или меньшую сторону в зависимости от географического расположения района или его высотной поясности не наблюдается.
Ход роста по сумме площадей сечений деревьев
Данные, полученные нами при исследовании хода роста берёзовых древостоев произрастающих в различных лесорастительных районах Урала по сумме площадей сечений представлены на рис. 5.3 и в табл. 5.5. Таблица хода роста древостоев по площади сечений деревьев для районов наших исследований имеет следующий вид (табл. 5.6).
Анализируя полученные результаты, можно отметить, что на ранних этапах формирования древостоев (10-20 лет), в березняках Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного лесорастительного района наблюдаются более высокие показатели сумм площадей сечений. Однако в течение следующих 10 лет происходит сглаживание различий в росте с древостоями других районов, а с дальнейшим повышением возраста для этих древостоев характерны минимальные по сравнению с древостоями других лесорастительных районов, значения абсолютной полноты. У древостоев других районов существенных различий по суммам площадей сечений до 30-летнего возраста не обнаруживается. С повышением возраста берёзовые древостой Предлесостепного сосново-берёзового равнинного района начинают отставать от березняков Тагильско-Свердловского зауральского предгорного и Сергинско-Чусовского горного лесорастительных районов по темпам наращивания сумм площадей сечений. В свою очередь, в березняках
Сергинско-Чусовского горного района с 50-летнего возраста наблюдается тенденция к отставанию от древостоев Тагильско-Свердловского зауральского предгорного района по скорости увеличения сумм площадей сечений, а к 90 годам они выравниваются по рассматриваемому показателю с древостоями Предлесостепного сосново-берёзового равнинного района. Древостой берёзы, произрастающие в Тагильско-Свердловском зауральском предгорном районе, начиная, с 50-летнего возраста характеризуются значительно более высокими темпами роста по абсолютной полноте в сравнении с другими лесорастительными районами.
В заключение можно отметить, что, начиная с 25-летнего возраста, между древостоями разных лесорастительных районов начинают проявляться существенные различия в росте по абсолютной полноте, с повышением возраста дифференциация становится более значительной. В относительных единицах разница составляет от 11% в 25-летнем возрасте до 38,5% в 100-летнем. На разных возрастных этапах по рассматриваемому показателю доминируют древостой разных лесорастительных районов. Запас древостоя является одним из наиболее важных таксационных показателей имеющих большое практическое значение. Объективную картину о динамике средних показателей запаса берёзовых древостоев по лесорастительным районам даёт рис. 5.4 и табл. 5.7.
Анализ рис. 5.4 свидетельствует, что до 20-летнего возраста березняки исследуемых лесорастительных районов не имеют существенных различий по производительности. С повышением возраста древостой Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного лесорастительного района начинают снижать темпы накопления запаса древесины по сравнению с древостоями других районов исследования, что в итоге приводит к значительному их отставанию по производительности, разница составляет от 49 до 114 м3/га в 25-летнем и 100-летнем возрастах соответственно. В березняках Предлесостепного сосново-берёзового равнинного района до 45 лет наблюдается некоторое отставание в ходе роста по запасу от аналогичных древостоев Сергинско-Чусовского горного и Тагильско-Свердловского зауральского предгорного лесорастительных районов, затем, с повышением возраста происходит выравнивание различий и начиная с 75 лет берёзовые древостой этого района начинают доминировать по рассматриваемому показателю над березняками других районов исследования.
Влияние сплошной рубки берёзового древостоя на возобновительный процесс
Нами было обследовано возобновление пяти вырубок разных лет из-под спелых берёзовых древостоев преобладающей четвёртой группы типов леса в условиях Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного (подрайона южнотаёжного) лесорастительного района. Данные по составу подроста на вырубках и его густоте приведены в таблице 6.3.
Материалы табл. 6.3 свидетельствуют, что все вырубки возобновились удовлетворительно. Несмотря на то, что в составе возобновления доминируют мягколиственные породы (в основном берёза), незначительную долю участия в нём имеют и хвойные породы. Причём доля участия хвойных пород в составе подроста с увеличением периода после рубки стремительно снижается. Так, на свежей вырубке доля участия ели составляет 4 единицы, на 4-летней вырубке - 3 единицы, а спустя 6 лет после рубки хвойные породы в возобновлении присутствуют единично или не более одной единицы в составе. На рис. 1 и 2 приведены примеры возобновления вырубок различной давности. С увеличением давности рубки происходит интенсивное увеличение количества подроста, в основном за счёт мягколиственных пород, а затем, приблизительно с 5 лет отмечается снижение его численности. Самоизреживание подроста объясняется чрезмерно высокой конкуренцией деревьев. Однако этот процесс на изменение состава подроста существенного влияния не оказывает, так как хвойные породы менее конкурентоспособны по отношению к мягколиственным и их отпад происходит уже в первые годы после рубки. Кроме того, выросший под пологом лиственных пород подрост ели и пихты не может приспособиться к резкому изменению экологических условий, вызванному сплошнолесосечной рубкой, и, как правило, погибает.
Известно, что ель и пихта требовательны к плодородию почв и влажности, теневыносливы, поэтому на ранних этапах формирования древостоя (1-2 года) эти породы могут в достаточном количестве получать влагу и питательные элементы. С многократным увеличением количества лиственных пород питательных ресурсов и влаги в почве становится недостаточно, ель и пихта испытывают сильное угнетение и в конечном итоге выпадают из состава, свет в данном случае не является лимитирующим фактором. Сосна менее требовательна к трофности почвы, устойчива к засухе, светолюбивая быстрорастущая порода. Тем не менее, скорость её роста значительно ниже скорости роста берёзы и осины, поэтому при совместном произрастании уже в первые 2-3 года сосна оказывается под довольно плотным пологом этих пород, испытывая угнетение вследствие недостатка света (Гордеев, 1976; Асанова, Письмеров, 1985). В итоге сосна также выпадает из состава подроста.
В отличие от описанных хвойных пород, берёза имеет высокую способность к вегетативному возобновлению, которая снижается только к 50 годам в порослевых древостоях, и к 70 - в древостоях семенного происхождения (Луганский, Лысов, 1991). Учитывая тот факт, что в березняках в той или иной степени присутствуют деревья как семенного, так и порослевого происхождения можно предположить, что порослевая способность части пней после рубки будет сохраняться довольно долго. Помимо этого берёза часто и обильно плодоносит, имеет довольно лёгкие семена, обладает быстрым ростом, повышенной устойчивостью к заморозками солнцепёку, что, в конечном счёте, существенно повышает её конкурентоспособность по отношению к хвойным породам при совместном произрастании.
Наши данные обследования возобновления вырубок из-под березняков приведённые для Сосьвинско-Туринского предгорно-равнинного лесорастительного района (подрайона южнотаёжного) наглядно подтверждают выводы многих авторов относительно возобновления данных вырубок исключительно берёзой и осиной с незначительным участием хвойных пород на ранних этапах формирования древостоя.
Динамика густоты породного состава подроста сформировавшегося на вырубке позволяет наглядно проследить процесс выпадения из состава хвойных пород и образование устойчиво производного берёзового древостоя (табл. 6.4).
Материалы табл. 6.4 наглядно свидетельствуют, что самоизреживание возобновления происходит исключительно за счёт хвойного подроста. Так, на свежей вырубке доля участия хвойного подроста составляла 43%, а лиственного - 57%. На 4-летней вырубке доля хвойного подроста понижается до 2%, а доля лиственного увеличивается до 98%, в составе возобновления появляется липа. На 5-летних вырубках участие хвойного подроста варьирует от 7 до 29%. Повышение численности хвойного подроста до 29%о объясняется поздней рубкой материнского полога (в 85 лет). Подрост берёзы в данном случае имеет изначально меньшую долю участия вследствие своего семенного происхождения. Участие порослевого возобновления практически исключается, так как берёза при рубке в 80-90 лет поросли от пня практически не даёт (Луганский, Лысов, 1991). Возобновление другой 5-летней вырубки, где берёзовый древостой был вырублен в возрасте 55 лет, наглядно демонстрирует увеличение лиственного подроста до 93%, тем самым, подтверждая вывод Н.А. Луганского и Л.А. Лысова (1991) о том, что роль порослевого подроста в возобновлении велика только при рубке 50-летних берёзовых древостоев.