Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Подсочка сосновых древостоев 8
1.1 Основные аспекты изучаемых процессов 8
1.2 Лесохозяйственные мероприятия и подсочка сосняков 13
1.3 Современные перспективы добычи сосновой живицы 28
Глава 2. Программа, методика и объём исследования . 29
2.1 Программа работ 29
2.2 Методика исследования 31
2.3 Объёмы выполненных работ 37
Глава 3. Характеристика природных условий 40
3.1 Климатические, эдафические и орографические условия 40
3.2 Лесной фонд 43
3.3 Гидролесомелиоративный фонд 46
3.4 Краткая характеристика стационаров 51
Глава 4. Трансформация лесорастительных условий на Объектах исследования 57
4.1 Водный режим почв 57
4.2 Температурный режим почв 64
4.3 Трансформация лесорастительных условий 66
4.4 Омоложение и возрастная структура древостоев 71
Глава 5. Характер смоловыделительных процессов осушаемых сосняков 79
5.1 Методические подходы к установлению смоловыделения и смолопродуктивности сосновых древостоев 79
5.2 Суточная динамика смоловыделительных процессов 88
5.3 Сезонная динамика смоловыделительных процессов 91
Глава 6. Смолопродуктивность сосновых насаждений на торфяных почвах 101
6.1 Смолопродуктивность заболоченных сосняков 101
6.2 Влияние параметров гидротермического режима на смоловыделение и смолопродуктивность сосняков 107
6.2.1 Анализ влияния уровня почвенно-грунтовых вод 107
6.2.2 Влияние температуры почвы и воздуха 110
6.3 Влияние давности лесосечных работ и лесоосушения на смолопродуктивность сосняков 113
6.4 Влияние несплошных рубок на смолопродуктивность 117
6.5 Смолопродуктивность осушаемых сосняков по фенотипу 122
6.6 Качество сосновой живицы 128
6.7 Экономическая эффективность подсочки 130
Выводы и рекомендации производству 136
Литература 139
Приложение 159
- Лесохозяйственные мероприятия и подсочка сосняков
- Климатические, эдафические и орографические условия
- Трансформация лесорастительных условий
- Суточная динамика смоловыделительных процессов
Введение к работе
Актуальность темы. Подсочное производство — это одно из важных направлений в лесопользовании. Живица, получаемая при подсочке сосны, будет оставаться основным сырьем для обеспечения многочисленных видов производств ценными лесохимическими продуктами, поскольку живичная канифоль обладает более высоким качеством, чем экстракционная и таловая.
За последние 15-20 лет при заготовке спелой и перестойной древесины сосновые насаждения не вовлекались в подсочку, и лесосырьевая база для добычи живицы резко сократилась. «Золотой» запас хвойных лесов, прежде всего, сосновых формаций, сосредоточен в гидролесомелиоративном фонде (ГЛМФ), включая осушаемые леса. Осушаемые и пройденные несплошными рубками насаждения при воздействии мелиорации на производительность древостоя могут использоваться для добычи живицы, обеспечивая увеличение лесосрьевой базы подсочного производства.
Цель исследования — комплексное изучение влияния лесоосушения и различных видов несплошных рубок на смоловыделение и смолопродуктив-ность сосновых насаждений на торфяных почвах с учётом трансформации ле-сорастительных условий и типов заболачивания.
С учётом поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Оценить влияние лесоосушения и рубок на изменение природной среды, трансформацию лесорастительных условий и смолопродуктивность отдельных деревьев сосны, а также сосновых древостоев
Выявить особенности влияния лесоводственной эффективности лесоосушения и рубок на выход сосновой живицы.
Установить смолопродуктивность сосняков на объектах разной давности и интенсивности мелиорации и несплошных рубок.
Рассмотреть смоловыделение и смолопродуктивность по фенотипиче-ским показателям сосны обыкновенной.
Проследить суточную и сезонную динамики смоловыделения сосняков.
Оценить и усовершенствовать методику полевых работ, а также разработать новые подходы к определению смолопродуктивности осушаемых и пройденных несплошными рубками сосняков.
Разработать рекомендации по освоению сосновых насаждений на торфяных почвах для целей подсочки.
Научная новизна. Установлены факторы (изреженность древостоя, интенсивность мелиорации и др.), определяющие повышение смолопродуктивности древостоев на мелиорируемых землях переходного и низинного типов заболачивания. Впервые изучено влияние несплошных рубок на смолопродуктив-ность осушаемых сосняков. Выявлен характер суточной и сезонной динамик смоловыделительных процессов на объектах мелиорации и несплошных рубок. Разработана, апробирована и зарегистрирована в «Российском авторском обществе» "Румбовая классификация крон сосны обыкновенной" (Запись в реестре за № 15053 от 07 апреля 2009 г.) для выявления связи со смоловыделением деревьев (прил. 3). Предложена математическая формула получения расчётного веса живицы с карродециметрподновки (КДП) по длине потёка.
Практическая значимость работы заключается в подготовке рекомендаций по расширению лесосырьевой базы подсочки за счёт вовлечения заболоченных, осушаемых, а также пройденных несплошными рубками сосновых насаждений на торфяных почвах, которые включены в отчёт по научно-исследовательской работе (НИР).
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается многолетними данными натурных исследований со статистической обработкой с помощью современной вычислительной техники и применением соответствующего программного обеспечения. Выводы и заключения сделаны при 95 и 85% уровнях значимости. Опытная подсочка была проведена на гидролесомелиоративных стационарах, заложенных в 1984... 1989, 2008 гг. Вологодской региональной лабораторией Северного НИИ лесного хозяйства. Наблюдения осуществлены на 44-х постоянных пробных площадях (1111).
Личное участие автора заключается в выполнении аналитического обзора проблемы, подборе объектов исследований; проведении экспериментальных натурных опытов и создании электронного банка данных; анализе собранного полевого материала и разработке рекомендаций для подсочного производства в мелиорируемых сосняках.
Автор принимал непосредственное участие в проведении научных исследований по теме "Совершенствование технологии подсочки сосны обыкновенной за счёт применения высокоэффективных стимуляторов смолообразования и расширения лесосырьевой базы", включённой в тематический план исследований по Вологодской региональной лаборатории СевНИИЛХ (2008, 2009 гг.).
Автором выбраны и дополнительно разработаны методические подходы для решения программных вопросов.
Апробация работы и научные публикации. Полученные при проработке темы материалы и обобщённые данные были включены в отчёт по НИР Вологодской региональной лаборатории СевНИИЛХ и положены в основу для написания диссертационной работы. Результаты исследования были доложены и получили положительную оценку на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2008, 2009 гг.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009) и конференции с международным участием «Лесные ресурсы таёжной зоны России» (Петрозаводск, 2009).
По результатам исследования опубликовано восемь печатных статей, в том числе одна в рецензируемом журнале по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов и рекомендаций производству, списка литературы и приложения. Текст работы изложен на 180 страницах машинописного текста, включает 34 таблицы и 32 иллюстрации. Библиография насчитывает 195 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.
Основные положения, выносимые на защиту: смолопродуктивность сосновых насаждений на заболоченных, мелиорируемых, а также осушаемых и пройденных несплошными видами рубок почвах различного типа заболачивания; трансформация лесорастительных условий на объектах исследования; экспресс метод микроранений для определения смолопродуктивности осушаемых сосняков.
Лесохозяйственные мероприятия и подсочка сосняков
Первые упоминания об улучшении роста леса на осушаемых землях относятся к концу XIX [19, 51]. Последующие исследования, начиная с конца 70-х гг., проводились в основном в Ленинградской области [51].
Несмотря на экономический спад, у мелиорации заболоченных лесов большое будущее [40]. Накопление материалов о росте и формировании насаждений на мелиорируемых землях имеет немаловажную теоретическую и практическую значимость, так как является основой для разработки и назначения тех или иных хозяйственных мероприятий, направленных на повышение лесо-водствённой эффективности проведения лесоосушительной мелиорации [95].
По мнению Х.А. Писарькова наиболее положительно реагируют на осушение еловые древостой, но хорошо реагирует на осушение и сосна. Из лиственных лучшую отзывчивость показывают берёзы [118]. В комплексе с работой гидролесомелиоративной сети влагу, поступающую с осадками, активно задерживают и испаряют кроны деревьев. Наибольшее количество воды задерживается елью, значительно меньше - сосной и берёзой, совсем незначительное количество осадков задерживает осина. Это тоже накладывает определённый отпечаток при проектировании уходов или реконструкции сети каналов [132].
На осушаемых землях изменение лесных экосистем вызывается не за счёт прямого воздействия уровня грунтовых вод (УГВ), а в результате изменения составляющих системы: аэрации почвы, состава почвенного воздуха, характера почвообразовательного процесса, степени разложения торфа и других показателей [5, 10, 11, 18, 75, 95, 144, 146, 147]. Происходит трансформация всех компонентов болотных биогеоценозов — почвы, древостоя и травяно-моховой растительности, фитоклимата, что в конечном итоге приводит к формированию новых лесных биогеоценозов [95].
Изменение водно-воздушного режима при лесоосушении ведёт к улучшению минерального питания и также может проявляться в формах омолаживающего воздействия на древостой и его компоненты [91, 92, 94]. Достигается общее оздоровление местности [50].
Торфяная залежь, как тому свидетельствуют материалы исследований СМ. Новикова [99], обладая высокой адсорбирующей способностью, служит в определённой степени аккумулятором загрязняющих веществ, попадающих на болота. Беря на себя такую роль, болота препятствуют попаданию их в водотоки и водоёмы, а, следовательно, и быстрому загрязнению прилегающих суходольных территорий.
Наряду с улучшением физических свойств почвы идёт активизация микробиологических процессов, видовой состав и численность почвенной фауны увеличивается. В результате этого, питательные вещества торфяного слоя становятся доступными для использования древесной растительностью [15].
Торф — есть скопление не полностью разложившихся остатков болотных растений, образующихся в условиях избыточной увлажнённости и недостаточной аэрации. Торф состоит из органического вещества и минеральных, или зольных, элементов — золы. В естественном состоянии в торфе всегда содержится 88...94% воды от его общего веса [132]. По мощности торфяной залежи и отдельных слагающих её горизонтов на заболоченных и болотных территориях выделяются градации: маломощные (до 30 см), среднемощные (30...50 см), мощные (50...100 см) и глубокие (свыше 100 см) торфа [51]. Уплотнение торфа обратно пропорционально УГВ, то есть: чем ниже УГВ, тем больше плотность торфяной залежи [32], а чем плотнее почва, тем выше концентрация в ней питательных веществ [41].
В практике лесоводства классификация болотных биоценозов по типам заболачивания достаточно точно отражена у Н.И. Пьявченко [131]. В последующем для Европейской части России классификация была уточнена СПбНИ-ИЛХ. В основе классификации лежат принципы эдафофитоценологических схемВ.Н. Сукачёва (1931, 1961) [153].
Исследованиями Г.Е. Пятецкого и И.В.. Ионина (1976) установлено, что на оптимально осушенных торфяных землях наблюдается заниженная скважность аэрации (свободных от воды пор не более 8...9%) [131], что негативно сказывается на всхожести семян сосны и ели.
Жизнедеятельность насаждений на осушаемых и естественных заболоченных территориях во многом зависит от функционирования корневых систем деревьев, которые имеют ряд своих особенностей в анаэробных условиях [75]. Независимо от типа торфяной залежи на глубине свыше 20-30 см отмечается постоянная повышенная влажность. Исключения составляют местоположения вблизи мелиоративных каналов на богатых зольными элементами переходных и низинных торфяных почвах. Отсутствие аэрации торфяной почвы служит лимитирующим фактором, определяющим проникновение древесных корней вглубь почвенных горизонтов [19, 41].
Наблюдаемое искривление корневых систем деревьев — типичный признак для болот. Причина искривления заключается в уплотнении сфагнума, которое происходит путём оседания мха не вертикально, а в виде полегания отдельных слоев, как это, например, протекает у травостоя. При этом полегании, вероятно происходящем под тяжестью снежного покрова, гибкие молодые сосенки также полегают, причём, оправив за вегетационный период наземную часть стволика, с наступлением зимы они полегают вновь [48]. Образующиеся микроповышения, однако, создают микрорельеф, что положительно сказывается на работе мелиоративной сети [32].
Наблюдения выявили, что на болотах корневые системы деревьев начинают рост и жизнедеятельность при прогревании почвы до +5 С [18, 19, 93]. В неосушенных болотных лесах прирост побегов происходит в основном за счёт стволовых запасов пластических веществ, отложившихся в предшествующий год, тогда как на мелиорируемых болотных почвах корневые системы древостоя могут функционировать с начала вегетационного периода, что и отражается на величине прироста [129].
На слабодренированных и заболоченных территориях все древесные породы (кроме ольхи чёрной) формируют поверхностную корневую систему с минимальным проникновением корней вглубь [60]. Для сосны на осушенных торфяниках характерен укороченный, толстый стержневой корень, с отходящими от него горизонтальными стяжами [18, 29]. Окончание роста корней сосны и ели приходится в основном на вторую половину сентября. Прекращают корневые системы свой сезонный рост последними, по сравнению с другими органами деревьев, спустя 2-4 недели после завершения прироста стволов [18]. Работа корневых систем деревьев имеет непосредственное отношение к качеству древесины, приростам (радиальному и в высоту) и ветроустойчивости деревьев на торфяных почвах.
По мнению Е.Д. Орлова (1978, 1981), протяжённость крон сосны зависит от высоты ствола и давности осушения. Чем меньше средняя высота насаждения, тем больше процент протяжённости крон деревьев. В первый период после осушения, в связи с улучшением прироста в высоту, протяжённость крон сначала увеличивается, но затем происходит массовое отмирание нижних сучьев. Чем выше к моменту осушения дерево, тем менее выражено в дальнейшем увеличение диаметра по направлению к вершине. Происходит добавочное вертикальное ускорение роста деревьев сосны и ели, в связи с чем повышается ветроустойчивость лесов [50].
Климатические, эдафические и орографические условия
Вологодская область расположена на северо-западе Европейской части России между 5827 и 6136 С.Ш. и 3442 и 4710 В.Д. и занимает площадь 145,8 тыс. кв. км при протяжённости с севера на юг — 385, с запада на восток — 650 км [125]. Область находится на северо-западе Восточно-Европейской равнины в поясе умеренно-континентального климата [125]. По площади — это одна из крупных областей в Европейской части Российской Федерации и составляет почти 1 % её территории (рис 3.1).
По геоботаническому и лесорастительному районированию территория принадлежит к таёжной зоне, подзонам южной и средней тайги. Среднетаёжная подзона представлена своей южной частью, а южно-таёжная — северной. На основании этого, основные таксационные показатели лесных насаждений как в целом по подзонам, так и по отдельным лесничествам, расположенным в различных подзонах, не имеют резких различий [81].
Климат региона умеренно-континентальный с продолжительной холодной многоснежной зимой, короткой весной с неустойчивыми температурами, относительно коротким умеренно тёплым увлажнённым летом, продолжительной и ненастной осенью [125]. Он формируется под воздействием атлантических и континентальных масс воздуха, преобладающие ветры - западные. Период с отрицательными температурами воздуха длится в среднем 160 суток, а с положительными температурами - 195-210 дней (с 10 апреля по 25 октября).
Вегетационный период флоры (выше +5 С) достигает 150 дней (с 5 мая по 1 октября), а период активной вегетации (выше +10 С) - 110 дней (с 20 мая по 20 сентября). Сумма температур, превышающая 10 С, составляет от 1550 до 1750 С (рис. 3.2). Среднегодовая сумма осадков - 480-500 мм на востоке области и 560-600 мм - на западе, что на 100-150 мм больше величины испаряемости. Среднегодовая влажность воздуха составляет 72 %.
Избыток влаги вместе с другими природными факторами способствовал возникновению густой речной и озерной сети, а также заболачиванию равнинных участков местности. Реки и озёра относятся к бассейнам Белого, Каспийского и Балтийского морей.
Рельефу Вологодской области свойственно чередование невысоких моренных холмов, гряд и возвышенностей с высотными отметками 150—200 м над уровнем моря, окружённых обширными заболоченными низинами. Низины расчленены многочисленными (свыше 20 тыс.) реками, наиболее крупные среди которых Сухона, Юг, Кубена, Шексна, Суда, Молога (и прочие).
Бессточные понижения равнинно-холмистых междуречий обычно заняты заболоченными землями, болотами (более 2400 шт.) и озёрами (свыше 5300). Высоты колеблются в пределах 110-180 метров над уровнем моря [125].
В геологическом строении участвуют докембрийские кристаллические породы (архея и протерозоя), перекрытые толщей мало нарушенных палеозойских и мезозойских осадочных пород, главным образом — отложениями девонской, каменноугольной, пермской, триасовой и юрской систем. Отложения этих систем представлены пестроцветной мергелистой толщей, глинами, песками, песчаниками, известняками, конгломератами и другими горными породами.
Преобладающие почвообразующие породы по территории региона [59]: валунные суглинки, супеси, пески, двучленные наносы (северная часть), карбонатные валунные суглинки (западная и центральная части), древнеаллювиаль-ные пески и супеси (юго-западная часть), покровные суглинки (южная часть). Основной тип (60%) минеральных почв — подзолистый, который представлен подтипами типичных подзолистых и дерново-подзолистых почв. Наряду с ним имеются дерново-карбонатный (5%) и пойменный (3%) типы почв.
Климатические, орографические и эдафические условия служат определяющими факторами в разнообразии растительного покрова [125]. Во флористическом его составе преобладают лесные формации (около 70% территории).
Трансформация лесорастительных условий
По данным мониторинга за состоянием напочвенного покрова установлено, что в результате осушения и рубок происходит изменение его видового состава с трансформацией лесорастительных условий. Скорость и глубина изменений зависят от того, насколько глубоко претерпели изменения условия среды. По состоянию живого напочвенного покрова после рубок имеются лишь единичные публикации [114, 174, 181]. Также в литературных источниках затрагиваются вопросы, касающиеся воздействия осушения на торфяные залежи [4, 5, 30, 44, 56, 57, 64, 70, 107, 108, 151, 185 и др.] и смолопродуктивность сосняков [155, 157, 174, 175 и др.].
Изменение видового состава живого напочвенного покрова зафиксирова но на объектах длительного периода осушения (24 года) и с проведением лесо-водственных уходов (18 лет). Оно зависит от интенсивности и давности осушения, типа торфяной залежи, а также трансформаций свойств торфяных почв. В результате осушения и рубок в разной степени снижается обилие типичных болотных кустарничков (багульник, Кассандра, голубика), сфагновых мхов. Увеличивается встречаемость черники, брусники. После осушения почти в 10 и более раз снижается обилие клювы. При значимой сомкнутости древесного полога происходит уменьшение и других кустарнрчков (морошка, голубика).
В сосняке кустарничково-сфагновом на осушаемой торфяной почве с олигомезотрофным типом заболачивания с давностью осушительных работ 24 года, преобладают не болотные кустарнички (багульник, Кассандра, голубика), как на контроле, а черника и брусника (табл. 4.6).
На объектах исследования заметно уменьшается встречаемость болотных трав. На опыте, по сравнению с контролем, обилие сфагновых мхов сократилось за счёт поселения зелёных мхов.
Во флористическом составе почв переходного типа заболачивания наряду с увеличившимся разнообразием видов растений распространена типичная для верховых болот растительность. В сосняке осоково-сфагновом на торфяной почве переходного типа в центральной части межканальных пространств сохранились болотные кустарнички (табл. 4.7).
Осушение лесов переходных болот приводит к существенным изменениям живого напочвенного покрова. Обильно разрастаются черника и брусника. В составе травяно-кустарничкового яруса сокращается количество осок, исчезают вахта и сабельник; резко разреживаются ярусы багульника и Кассандры. В сосняке пушицево-сфагновом обилие сфагновых мхов, по сравнению с контролем, сократилось в два раза. Теперь здесь преобладают зеленые мхи (плеуроциум Шребери, дикранумы, мниумы). В высокополнотных насаждениях (полнота 0,8 и выше) напочвенный покров, как правило, изрежен. В среднеполнотных (0,5-0,7) растительность состоит из черники с пятнами брусники, а на отдельных микроповышениях — княженики, костяники. По мере повышения производительности древостоев, и, особенно на объектах проведения рубок, проективное покрытие травяно-кустарничковой растительности снижается.
В целом, осушение сосняков переходного и верхово-переходного типа и рубки древостоя оказывают значимое влияние на видовой состав и проективное покрытие напочвенного покрова. Через 15-20 лет после осушения и рубок сосняки осоково-кустарничково-сфагновые характеризуются как бруснично (чер-нично-) — сфагновые и зеленомошно-сфагновые, а осоково-сфагновые — как чернично-зеленомошные и зеленомошно-сфагновые типы.
Опираясь на выше сказанное, можно сделать вывод о трансформации типов леса в наиболее продуктивные типы в результате длительной, свыше 20 лет, мелиорации и проводимых лесохозяйственных мероприятий.
Суточная динамика смоловыделительных процессов
Суточная динамика смоловыделения осушаемых сосновых древостоев -важный аспект, имеющий сугубо практическую направленность. Для этой цели на гидромелиоративном стационаре "За Пелынмой" для установления суточной динамики смоловыделения было подобрано 3 дерева сосны обыкновенной (I и II класс Крафта) в приканальной мелиорируемой полосе. Были выполнены необходимые морфометрические замеры и определены фенотипические показатели опытных деревьев (табл. 5.5).
На подрумяненном пространстве на высоте груди по диагонали в 45 (рис. 5.1) через 2...3 см отмечались чёрной краской места и номера будущих установок трубок. Установка поливинилхлоридных трубок проводилась начиная с 18 часов первых суток. В отверстия через каждые 3 часа в заданном порядке устанавливались поливинилхлоридные трубки и прикреплялись к штативу под углом в 30...35. На штативе отмечались порядковые номера трубок и заранее прикреплялись иглы. Таким образом, в период наблюдений на каждом дереве было установлено по 8 трубок, на которых водостойким маркером через каждые 3 часа (с одновременной записью длин потёков в журнале, в почасовой ведомости) наносились риски. Продолжительность эксперимента заняла 2,5 сут.
Одновременно с высверливанием отверстий и установкой трубок проводились замеры температуры приземного слоя воздуха и почвы. Эти данные ис пользовались для последующих описательного и корреляционного статистических анализов.
Под среднестатистической температурой (на глубине 10 см (t10 ) и воздуха (t )) следует понимать средневзвешенную величину замеров (в течение суток) наблюдений, через каждые 3 часа с начала постановки трубки и до окончания эксперимента. Умеренную и слабую тесноту связи между средней длиной потёка (Lpot ) и ti0 (табл. 5.6) показали деревья № 1 и 2, соответственно гi=0,42, Гг=0,23. Умеренную связь Lpot с температурой воздуха (tv ) отразило только дерево №1 (г=0,39). Между среднестатистическими показателями ti0_ и tv установлена очень высокая теснота связи (г=0,99).
На основании табличных данных (табл. 5.6) выполнены графики и отображена линия Тренда (полиномиальный ряд), которые наглядно отображают суточную динамику смоловыделительных процессов (рис. 5.2). Среднестатистический ряд имеет вид регрессии jy = 0,9737хх2-8,б451 хх+26,573 с коэффи-циентом достоверности R = 0,767, что свидетельствует о достаточно приближенном распределении суточных потёков опытных деревьев к полиномиальному ряду распределения.
