Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 6
2. Природные условия района исследований и лесомелиоративный фонд Карелии 20
2.1. Климатические особенности территории 20
2.2. Характеристика заболоченных и болотных лесов 23
2.3. Характеристика осушенных земель 26
2.4. Техническое состояние осушительных систем 28
3. Объекты, программа и методика исследования 30
3.1. Характеристика объектов исследования 30
3.2. Программа и методика исследования 35
4. Пространственное распределение деревьев и возобновления в связи с интенсивностью осушения и рубками 37
5. Изменение структуры насаждений под влиянием осушения и рубок 45
5.1. Сосняки и березняки травяно-сфагновые 45
5.2. Сосняки осоково-сфагновые 89
5.3. Сосняки кустарничково-сфагновые 118
5.4. Анализ результатов гидролесомелиорации и рубок в насаждениях различных условий произрастания 133
6. Влияние гидролесомелиорации на ход роста и формирование прироста деревьев сосны разного возраста 145
Заключение 167
Список литературы 172
- Характеристика заболоченных и болотных лесов
- Техническое состояние осушительных систем
- Пространственное распределение деревьев и возобновления в связи с интенсивностью осушения и рубками
- Анализ результатов гидролесомелиорации и рубок в насаждениях различных условий произрастания
Введение к работе
Более трети площади лесного фонда республики составляют болота и заболоченные леса. Заболоченные леса характеризуются низкой продуктивностью, что делает их с экономической точки зрения непригодными для лесоэксплуатации. Одним из основных лесохозяйственных мероприятий, способствующим повышению продуктивности заболоченных лесов является гидролесомелиорация.
Актуальность. До настоящего времени нет четкого представления при какой структуре древостоя в разных лесорастительных условиях и при каком хозяйственном воздействии в мелиорированных лесах можно получить максимальную лесоводствен-ную эффективность. В этой связи изучение переформирования породной, возрастной, пространственной структуры древостоев под влиянием гидролесомелиорации, хода роста различных поколений, формирование прироста в результате осушения и различных видов рубок является одной из актуальных проблем.
Цель работы - выявить роль различных поколений деревьев и подроста в формировании древостоев под влиянием осушения и лесохозяйственного воздействия (рубок). Оценить лесоводственную эффективность осушения и рубок в наиболее распространенных типах осушенных лесов Карелии.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Оценка изменения густоты, полноты, породного состава, возрастной структуры и прироста сосняков в разных условиях местопроизрастания под влиянием осушения и рубок.
-
Исследование хода роста и продуктивности различных поколений основного яруса и подроста, оценка их участия в процессах накопления запаса и отпада.
-
Изучение пространственной структуры осушенных насаждений в связи с интенсивностью осушения и рубками.
Научная новизна работы. Проведено исследование процессов переформирования сосновых насаждений Карелии различных условий произрастания в течение 25-30 лет после осушения. Изучены изменения структуры древостоев, хода роста поколений под влиянием гидролесомелиорации, определена эффективность осушения различных по строению насаждений. Показана роль рубок в осушенных насаждениях, направленных на улучшение породного состава, возрастной структуры и дана оценка изменения продуктивности древостоев на осушенных почвах под воздействием лесохозяйственных мероприятий.
Предмет защиты и защищаемые положения.
-
- Естественное переформирование структуры заболоченных древостоев под влиянием гидролесомелиорации.
-
- Эффективность процесса переформирования осушенных насаждений в различных условиях произрастания.
-
- Лесохозяйственные мероприятия (рубки) как основа повышения эффективности гидролесомелиорации и процесса переформирования осушенных насаждений.
Практическая ценность. Установленные связи продуктивности осушенных насаждений в зависимости от их возрастной, породной структуры и условий местопроизрастания позволят правильно наметить лесохозяйственные мероприятия, направленные на достижение максимальной лесоводственной эффективности осушения. Полученные данные могут иметь применение при ведении лесного хозяйства на осушенных землях, в проектировании объектов осушения и реконструкции осушительных систем и позволят исключить неэффективные плищ^и^Д'Ц^р^дде^^лиоративного фонда из дальнейшего лесохозяйственного испол*
Достоверность полученных результатов основывается на анализе большого объема материала, полученного в результате многолетних повторных наблюдений и обработанного в соответствии с правилами таксации и статистическими методами.
Объем выполненных работ. Проведено обследование 13 стационарных участков с определением таксационной характеристики насаждений на площади в 5,9 га. Подрост учтен на территории в 0,44 га. На 7 участках общей площадью в 3,1 га проведено картирование древостоя и возобновления. Отобрано 650 кернов древесины для уточнения возрастной структуры древостоев. Проведена рубка и полный анализ ствола 125 модельных деревьев для изучения влияния осушения на ход роста.
Личный вклад. Автором самостоятельно составлена программа и методика работ, обоснованы задачи исследований. Проанализированы материалы стационарных пробных площадей, заложенных ранее лабораторией лесоведения и лесоводства Института леса КарНЦ РАН, выполнены основные работы по сбору и обработке экспериментального материала. Сформулированы основные выводы и рекомендации.
Апробация и публикация материалов работы. Основные положения были представлены на пяти конференциях, в т. ч. 4-х международных и 3-х совещаниях. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещание по гидролесомелиорации (Петрозаводск, 1998) и международной конференции и выездной сессии Отделения общей биологии РАН (Петрозаводск, 1998). Результаты исследований были представлены на конкурс грантов в г. Санкт-Петербурге, где автор становился лауреатом (2000-2002 гг.). По теме исследований опубликовано 12 работ.
Сбор материалов для диссертации осуществлялся в ходе исследований бюджетных тем плана НИР Института леса КарНЦ РАН: тема № 118 (№ гос. регистрации: 01.9.50004008) "Влияние лесохозяйственной деятельности на состояние и динамику лесных экосистем, и биологическое разнообразие в условиях Карелии", срок проработки - 1995-1999 гг. (исполнитель), а также в прорабатываемой в настоящее время бюджетной теме № 126 "Научное обоснование экологической устойчивости лесного хозяйства в условиях Карелии", срок проработки - 2000-2004 гг. (руков. подраздела).
Структура и объем работы. Диссертация изложена 186 машинописных страницах. В нее включены 48 таблиц и 59 рисунков. Состоит из введения, шести глав и заключения. Список литературы включает 188 источника, в т. ч. семь - зарубежных.
Характеристика заболоченных и болотных лесов
Общая площадь избыточно-увлажнённых земель в лесном фонде Республики Карелии составляет 5,4 млн. га или 37 % площади лесного фонда (Пьявченко, 1973). Из них около 37 % (1,78 тыс. га) - заболоченные леса и 63 % (3,62 тыс. га) - болота.
Заболоченность территории южной Карелии составляет около 30 %. В этой агроклиматической зоне находится почти половина всех заболоченных лесов Карелии (866 тыс. га) (табл. 1). На долю заболоченных лесов и болот в южной климатической зоне приходятся приблизительно равные площади, в остальной части республики лесомелиоративного фонда занимают болота. Заболоченные и болотные леса характеризуются значительным преобладанием спелых и перестойных древостоев. На время определения лесомелиоративного фонда в 1964 г., т. е. до начала массовой гидролесомелиорации, спелые и перестойные заболоченные леса в южной Карелии составляли 73 %. (табл. 2).
С продвижением на север доля спелых и перестойных лесов возрастает до 92%. Наличие большого количества таких древостоев было обусловлено невыгодностью их эксплуатации в связи с низкой продуктивностью. Однако уже через 10 лет площади спелых и перестойных заболоченных лесов южной Карелии снизились до 53 %, в 1,5-3 раза увеличилось количество молодняков и средневозрастных насаждений, что, очевидно, было следствием проведения гидролесомелиорации и облесением осушенных болот.
В типологическом аспекте заболоченные леса Карелии согласно классификации Н. И. Пьявченко, Е. Д. Сабо (1962) объединены в три группы (табл. 3). Травяно-болотная группа включает в себя лог, прирученные, таволговые и травяно-сфагновые типы леса. Травяно-сфагновая группа - осоково-сфагновые, хвощево-сфагновые и долгомошные, а сфагновая группа объединяет багульниковые и сфагновые типы леса. Леса травяно-болотной группы типов, как правило, произрастают на низинных торфяниках с зольностью торфа 5-8% и больше, рН (KCI)- 3,8-4,8 и выше, травяно-сфагновой группы - на переходных торфяных почвах с зольностью 3,5-8%, рН (KCI)-2,8-4,9, для сфагновой характерны верховые торфяные почвы с зольностью от 0,8 до 3,5%, рН (KCI)- 2,8-3,7.
С продвижением на север доля лесов сфагновой группы увеличивается с 32% до 61%. В южной Карелии преобладает травяно-сфагновая группа типов леса -51%, из которых на еловые леса приходится 28 %. По породному составу заболоченные леса Карелии в основном хвойные (в южной части на 90 %), при этом сосна является преобладающей породой - от 48% на юге и до 66% всей площади насаждений в остальной части Карелии. Доля лиственных древостоев, наоборот, с продвижением на север снижается с 10% до 2%. Для сосновых лесов характерно преобладание типов сфагновой группы типов леса (70 %). В южной Карелии данный показатель составляет 58 %. Ель и береза приурочены к потенциально богатым торфяникам. Для еловых древостоев самым распространенным в Карелии является долгомошный тип леса (378,9 тыс. га), сосновых - багульниковый (441,5 тыс. га), в южной части Карелии - сфагновый (129,8 тыс. га). Средний бонитет лесов лесомелиоративного фонда Карелии в сосновых насаждениях - V,3, еловых - V,0, березовых - IV.7, полнота соответственно - 0,48; 0,59; 0,64. Анализ материалов показал, что в лесном фонде Карелии болота и заболоченные леса к началу широкомасштабных работ по осушению имели довольно большую представленность. Заболоченные леса характеризовались низкой продуктивностью и высоким возрастом. Эксплуатация таких лесов была экономически невыгодна. Для повышения их продуктивности с 1965-го по 1985 гг. в республике проводились гидролесомелиоративные работы.
Общая площадь осушенных земель лесного фонда Карелии составила к концу 80-х гг. 736,6 тыс. га, однако, из них 85,5 тыс. га было передано в сельхозпользова-ние и на другие нужды, в результате чего площадь мелиорированных земель лесного фонда сократилось до 651,1 тыс. га (табл. 4). Около 2/3 этой площади приходилось на южную Карелию (426,9 тыс. га), из которой лесная составляла 61%. В связи с ухудшением экономических условий гидролесомелиоративные работы в 90е гг. были вовсе прекращены, и по результатам инвентаризации 1992 г. площадь осушенных земель гослесфонда составила 661,5 тыс. га. Лесные культуры на осушенных болотах за прошедший период созданы на площади в 71,6 тыс. га. Осушенная площадь по состоянию на первое января 2000 г. составила 599,2 тыс. га или 4% от общей площади земель лесного фонда. Инвентаризация была проведена Госкомлесом республики Карелии. Разница в объемах осушаемых площадей, по материалам 1992 и 1999 гг., вызвана передачей части осушенных лесных земель под сельхозпользование, другие виды пользования и неточностью определения границ и площадей осушения при инвентаризации 1992 г.
Техническое состояние осушительных систем
Содержание осушительных систем в технически исправном состоянии необходимо не только для получения дополнительного прироста древостоев, но и увеличения срока эффективной работы осушительных систем и достижения наибольшего экономического эффекта. Материалы последней инвентаризации подтверждают тот факт, что продолжительность работы осушительных систем не превышает 15 лет (Константинов, 1989). После этого отмечается деформация каналов и разрушение сооружений в результате естественного износа. В результате инвентаризации в 1999 г. было выявлено, что 30% осушительных каналов имеет неудовлетворительное состояние, хорошее - только около 20%. Из построенных за период осушения дорог более 50% нуждаются в капитальном ремонте. Основными причинами плохого состояния каналов являются: заиление, зарастание травянистой и древесно-кустарниковой растительностью, разрушение дна и откосов каналов, несвоевременный уход за осушительной сетью. Таким образом, можно констатировать тот факт, что для эффективной работы осушительных систем необходимо проводить их ремонт и по возможности реконструкцию. До 90-х гг. площадь реконструированных земель составила 97,2 тыс. га, или 15% от общей осушенной площади. В настоящее время работы по реконструкции свернуты, ремонт осушительных систем не проводится даже на объектах, где в начальный период осушения были получены хорошие результаты.
На территории Киндасовского лесничества, где находятся объекты нашего исследования, в 2001 г. проводилось изучение состояния каналов осушительной сети на площади в 520 га, что составило 6,6% осушенных земель лесничества. По результатам исследования большая часть осушительной сети не работает. Удовлетворительное состояние каналов отмечено только на 15% обследованной площади. На ее остальной части осушительная сеть требует капитального или аварийного ремонта. Требование капитального ремонта обусловлено в основном зарастанием каналов травянистой и кустарниковой растительностью, обваливанием их откосов и падением стволов деревьев в осушительные канавы. Все это приводит к замедлению и препятствованию стока воды в каналах, в результате чего уровень грунтовых вод на прилегающей территории повышается, что, в свою очередь, негативно действует на рост леса. На 1/5 части обследованной площади каналы осушительной сети находятся в аварийном состоянии, что обусловлено уже биогенным фактором, а именно - расселением бобров. Бобры перегораживают плотинами магистральные каналы, что вызывает резкое повышение уровня грунтовых вод. Происходит повторное заболачивание осушенных площадей, расположенных выше бобровых плотин. Это приводит к падению приростов деревьев, отмиранию их корневых систем и, в конечном итоге, при отсутствии мероприятий по ремонту сети, к гибели леса на значительной территории осушенных площадей. Для сохранения мелиорированных лесов и повышения их продуктивности необходимо проведение комплекса лесохо-зяйственных и биотехнических мероприятий.
Для изучения строения, хода роста и развития разновозрастных сосновых насаждений после осушения в среднетаежной подзоне Карелии проведен подбор объектов, отвечающих теме исследования. Это стационарные пробные площади Института леса, с давностью осушения 25-30 лет, на которых в начале 70-х гг. были проведены первые исследования. В осушенном лесфонде южной Карелии по условиям произрастания наиболее представлены насаждения травяно-сфагновой, сфагновой и в меньшей степени травяно-болотной групп типов леса. В каждой из групп типов заболоченных лесов Карелии изучались наиболее распространенные типы осушенных насаждений: травяно-сфагновые, осоково-сфагновые и кустарничково-сфагно-вые. Суммарный удельный вес данных трех типов леса составляет около 80% всех заболоченных насаждений южной части Карелии. На подобранных объектах был проведен анализ экспериментальных данных, полученных ранее (1973-1994 гг.).
Пространственное распределение деревьев и возобновления в связи с интенсивностью осушения и рубками
Изучение горизонтальной и вертикальной сомкнутости древостоев, параметров крон сосновых деревьев разных поколений проводилось в кустарничково-сфагновом (ПП 7), осоково-сфагновых (ПП 1 и 4) и травяно-сфагновом (ПП 6) сосняках на контрольных вариантах и участках с проведением различных видов рубок. В осоково-сфагновых и травяно-сфагновом сосняках кроме этого изучалось влияние интенсивности осушения на густоту древостоя, наличие угнетенных деревьев и сухостоя, количества возобновления и характера его размещения.
Сомкнутость осоково-сфагновых и травяно-сфагнового сосняков приблизительно одинакова и составляет около 0,7, хотя полнота их колеблется в пределах 0,8-1,1 (табл. 8). На вариантах, пройденных рубкой, данные величины различаются мало. Здесь следует отметить более высокую сомкнутость, чем на контроле, которая составляет 0,8. В кустарничково-сфагновом сосняке, как на контроле, так и на варианте с рубкой сомкнутость одинакова и приблизительно совпадает с полнотой.
Исследованиями не выявлено существенной разницы в сомкнутости полога древостоев в различных зонах осушения (интенсивной и экстенсивной) на контрольных участках ПП 4 и 6, где расстояние между осушителями составляет соответственно 162 и 125 метров. Напротив, на ПП 1 разница существенна (табл. 9), хотя интенсивность осушения здесь выше. На вариантах с проведением рубки в осоково-сфагновых сосняках
Особенно это характерно для деревьев 120-140-летнего возраста. Площадь проекции их крон на участках с проведением рубки и без нее различается в 1,9-2,0 раза. Чем дерево моложе, тем различия в параметрах кроны будет меньше. Например, для 40-50-летних деревьев (ПП 1) эта разница составляет только 20%. Что касается длины кроны, то ощутимые отличия отмечены только на ПП 4, в особенности для деревьев 70-90-летнего возраста. Следует также отметить, что если на контрольном варианте ПП 4 длина кроны деревьев меньше, чем на варианте с проведением рубки, то в малосомкнутом кустарничково-сфагновом сосняке (ПП 7) наблюдается обратная тенденция. С увеличением полноты древостоя и трофности условий местопроизрастания на контрольных вариантах отмечено, как правило, снижение диаметра крон 70-90-летних деревьев с 2,10 до 1,84 м, что связывается с возрастанием фактора угнетения со стороны поколений сосны старшего возраста и березовой части насаждения. В то же время на вариантах с проведением рубки площадь проекции крон 40-50-летних деревьев в мезотрофных условиях почти в 2 раза больше, чем в олиготрофных.
На контрольных участках в осоково- и травяно-сфагновых древостоях хвойные по густоте составляют от 35 до 41%, а на вариантах с рубкой - от 40 до 58% соответственно. Что касается густоты древостоя в интенсивно и экстенсивно осушенных зонах, то выявлена следующая закономерность: на контрольных участках в при-канавных зонах густота лиственной части древостоя (в основном березы) выше, чем в середине межканавного пространства. Разница составляет на различных пробах от 19 до 47%. В то же время на вариантах с рубкой наблюдается обратная картина, т. е. лиственных больше в наименее осушенной зоне - на 11-28% (табл. 11).
Густота хвойных пород древостоя на контрольных участках больше в экстенсивно осушенной зоне - 32-53% от общей густоты древостоя, тогда как в приканав-ном пространстве этот показатель составляет только 20-40%. На вариантах с рубкой, наоборот, доля хвойных выше в интенсивно осушенной зоне. Он составляет 45-62% против 32-53% в середине межканавного пространства. Сухостой в древостое (по количеству деревьев) на 75-100% представлен сосной (от 40 до 380 шт./га). Больше всего сухостоя (360-380 шт./га) отмечено на контрольных вариантах ПП 1 и 6 с полнотой древостоя в 1,0-1,1. Минимум сухостоя (40-50 шт./га) наблюдается в малосомкнутом кустарничково-сфагновом сосняке как на варианте с проведением рубки, так и на контроле. Как правило, в экстенсивно осушенной зоне сухостоя на 11-40% больше, чем у канав. На разных ПП от 63 до 100% сухостоя находится под кронами деревьев, т. е. большая часть усохших деревьев в той или иной степени испытывали угнетение.
Анализ результатов гидролесомелиорации и рубок в насаждениях различных условий произрастания
Под влиянием осушения и рубок происходят значительные изменения заболоченных биоценозов. Характер и степень этих изменений зависят от условий произрастания и строения древостоев (полноты, породного состава, возрастной структуры, наличия и качества подроста). В таблицах 37-39 приведены таксационные характеристики мелиорированных насаждений в первые годы осушения и через 20-25 лет наблюдений. Для всех изучаемых древостоев, даже в самых бедных условиях произрастания в период осушения отмечено повышение продуктивности. Однако, если в осоково- и травяно- сфагновых типах леса бонитет древостоев изменяется на 2-3 класса, а текущий достигает 1-11-го, то в кустарничково-сфагновых сосняках перемены незначительны, текущий бонитет не превысил пятого класса. Проведение выборочных, проходных и сплошных рубок в мезотрофных и мезоевтрофных условиях способствует формированию древостоев лучшей хозяйственной ценности и большей продуктивности, чем на контрольных участках на 0,5-1,5 класса бонитета, особенно если в составе высока доля старых поколений и березы пушистой. В кустарничково-сфагновых сосняках выборка деревьев спелого и перестойного возраста не оказывает заметного изменения продуктивности относительно контрольного древостоя. Через 20 лет после рубки запас древостоя не достигает контроля.
Под пологом исследуемых древостоев на момент проведения первого учёта во всех типах леса имелось значительное количество подроста в диапазоне от 3 до 12 тыс. шт./га. При этом наибольшая доля участия сосны в общем количестве подроста наблюдалась в кустарничково-сфагновых сосняках - 73-99%, что составляло 4-6 тыс. шт./га, заметно меньше (35-56%) или 2-4,5 тыс. шт./га - в травяно-сфагновых древостоях. В осоково-сфагновых древостоях не наблюдается однозначной картины. Под пологом низкополнотных древостоев (с полнотой 0,3) доля сосны в общем количестве подроста достигает 51-57% (2,4-3 тыс. шт./га), а в среднеполнотных (0,6-0,7) -только 10-19% (1-2 тыс. шт./га). В осоково-сфагновых и травяно-сфагновых типах леса насаждениях отмечено, что средняя высота соснового подроста зависит от полноты. Чем выше полнота заболоченного древостоя, тем меньше высота подроста сосны (табл. 40) Кустарничково-сфагновые сосняки на момент первого учета были представлены чистыми сосновыми древостоями с единичным участием березы, доля которой в осоково-сфагновых сосняках достигала 40% по запасу.
В богатых травяно-сфашовых условиях местопроизрастания доля березы в составе исследуемых сосняков составляет 50-60%. В мезотрофных и мезоевтроф-ных условиях в насаждении береза может занимать и больший удельный вес, и тогда после осушения часто происходит смена хвойных пород на лиственные. Заболоченные древостой в особенности олиготрофных условий произрастания достаточно разновозрастны, в них в том или ином количестве присутствуют деревья спелого и перестойного возраста. Довольно часто значительная часть запаса древостоя приходится именно на эти поколения деревьев. Как правило, старые поколения деревьев на контрольных участках сохраняют свое присутствие в составе древостоя, хотя их доля существенно сокращается за период наблюдений. Под влиянием осушения происходит трансформация возрастной структуры древостоев. При наличии под пологом среднего и крупного жизнеспособного подроста и невысокой полноте из него формируются молодые поколения сосны и березы, таким образом, возрастная структура усложняется и часто происходит омоложение насаждений. Мелкий подрост без проведения сплошных рубок с дополнительными уходами не успевает войти в полог древостоя и гибнет при возрастании полноты.
Изменения в породном составе древостоев на осушенных почвах характерно для более богатых условий (переходные и низинные торфяники), что обусловлено наличием в составе значительной доли березы и присутствия ели. Береза в силу своих биологических особенностей уже в первые годы после осушения значительно увеличивает прирост в высоту и по диаметру, ее доля в составе древостоя на контрольных участках (за исключением уч. 6а) к настоящему моменту возросла с 40-80% до 50-90%, т. е. в среднем на единицу состава. При проведении выборочной или проходной рубки, с удалением 60-65% запаса березы, через 25 лет ее удельный вес в составе не достигает прежней величины. В результате сплошных рубок и последующих уходов за молодняками на месте малоэффективных для гидролесомелиорации перестойных березовых или сосновых с преобладанием березы насаждений формируются хвойные древостой с незначительным участием лиственных - не более единицы состава (уч. 16, бг, 96). Если в данных условиях ухода не проводится, то в сформировавшемся молодом древостое береза занимает лидирующее положение и заглушает сосну, ее удельный вес может достигать прежних значений (уч. 6в). Сплошными рубками возможно не только снизить долю участия березы, но и полностью переформировать лиственные древостой в хвойные (уч. 96). В мезоев-трофных условиях произрастания после проведении сплошной рубки в составе формирующегося молодняка ель занимает до 1 ед. состава, тогда как до осушения ее присутствие было единичным. В кустарничково-сфагновых сосняках наблюдается похожая картина, но только в отношении березы. Влияния выборочной рубки на изменение породного состава здесь не выявлено.
