Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 6
1.1 Причины усыхания еловых насаждений 6
1.2 Климат и устойчивость елей 8
1.3 Фенотипические признаки устойчивых елей 12
1.4 Связь устойчивости ельников с таксационными показателями
1.5 Периодичность усыхания еловых насаждений 20
1.6 Влияние рубок на устойчивость еловых насаждений 22
2 Природные условия Юго-Запада Нечерноземья 30
2.1 Географическое положение 30
2.2 Климат
2.3 Геология, рельеф, гидрография и почвы 32
2.4 Типы леса и растительность 36
2.5 Животный мир 39
3 Программа, методика и объекты исследований 41
4 Исследование пространственного размещения устойчивых елей 44
4.1 Размещение деревьев ели, различных категорий состояния по площади насаждения 44
4.2 Исследование влияния размещения деревьев других пород по площади на устойчивость еловых насаждений 48
4.3 Исследование влияния расстояний между деревьями на устойчивость елей 49
4.4 Исследование вертикального размещения устойчивых деревьев ели 51
4.5 Динамика распространения очага усыхания 54
5 Исследование фенотипических признаков устойчивых елей 58
5.1 Влияния протяженности кроны на устойчивость елей 59
5.2 Влияние характера кроны на устойчивость деревьев ели 59
5.3 Влияния цветового тона корки на устойчивость елей 61
5.4 Связь устойчивости деревьев ели с высотой досковидных корней выступающих на поверхность 62
5.5 Влияние толщины корки на устойчивость елей 63
5.6 Влияние высоты и диаметра деревьев ели на их 65
6 Таксационные показатели устойчивых к усыханию ельников 69
6.1 Полнота устойчивых насаждений 71
6.2 Бонитет устойчивых насаждений 73
6.3 Тип лесорастительных условий устойчивых насаждений 75
6.4 Густота подроста .] 76
6.5 Оптимальный состав устойчивых ельников 77
6.6 Запас устойчивых насаждений 81
7 Климат и устойчивость ельников 83
7.1 Глобальное изменение климата 83
7.2 Связь радиального прироста с климатическими показателями 85
7.3 Изменение микроклимата в очаге усыхания ели 86
7.3.1 Изменение освещенности 87
7.3.2 Изменение температуры почвы 88
7.3.3 Изменение температуры воздуха 90
7.3.4 Изменение температурного режима ствола 93
7.3.5 Изменение влажности воздуха 96
7.3.6 Изменение скорости ветра 99 устойчивость к сплошным вырубкам 101
7.4.1 Различие климатических факторов в стенах леса различных экспозиций 104
7.4.2 Изменение климатических показателей при удалении от стены леса 105
7.4.3 Влияние таксационных показателей на микроклимат стен леса 116
7.4.4 Различие климатических показателей на склонах различных направлений 116
8 Влияние рубок на устойчивость ельников 121
8.1 Влияние сплошного удаления древостоя на примыкающие еловые насаждения 123
8.2 Влияние несплошного удаления деревьев на оставшийся древостой.
8.3 Проходные рубки 135
8.4 Санитарные рубки 136
9 Практические предложения по повышению устойчивости ельников 139
9.1 Общие выводы и предложения 153
Заключение.
Список литературы 157
Приложения.
- Фенотипические признаки устойчивых елей
- Геология, рельеф, гидрография и почвы
- Исследование влияния размещения деревьев других пород по площади на устойчивость еловых насаждений
- Влияние характера кроны на устойчивость деревьев ели
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема устойчивости ельников неоднократно поднималась учеными и лесоводами. В настоящее время, в связи с засухами и сопутствующими им инвазиями короедов, многие еловые древостой под-
Фенотипические признаки устойчивых елей
О.Г. Карпёр (1954) приходит к выводу, что в доледниковое время ель европейская была распространена на равнине нынешней территории евро-пейской части России, откуда была вытеснена впоследствии ледниками. Можно предположить, что она выделилась из ели сибирской, филогенетически более древнего вида. Ель европейская и ель сибирская способны образовывать многочисленные гибриды.
Это и другое обобщено в монографии А.С. Тихонова (2000): ель европейская - исключительно полиморфная порода. Различают формы по срокам вегетации: ранораспускающаяся и позднораспуокающаяся; по цвету женских стробил (молодых шишечек): зеленошишечная и красношишечная; по типам ветвления: гребенчатая, щетковидная, плоская, зубчатая, или неправильно гребенчатая, и компактная; по форме крон: плакучая, колоновидная, округло пирамидальная, шаровидная; по текстуре коры: гладкокорая, чешуйчатоко рая, пластинчатокорая, ольховидная и т.п.
Ф.И. Акакиев (1959) делает вывод, что различие в распускании почек является наследственным признаком, связанным с миграцией позднораспускающейся формы с юга, а ранораспускающейся - с запада. Цвет же шишек может быть различным, но чаще всего у позднораспускающейся формы шишки вначале бывают зеленые, а у ранораспускающейся ели - красные. Л.И. Милютин (1974) указывает, что слабочешуйчатая и гладкокорая форма ели обладают при прочих равных условиях повышенной устойчивостью по сравнению с чешуйчатой и сильночешуичатои. Шведский ученый Сильвен (1909, 1914), а впоследствии В.Н. Сукачев (1938) описали для ели пять форм, отличающихся по типу ветвления: гребенчатая, неправильно гребенчатая (зубчатая), компактная, плоская, щетковид-ная. В.И. Абражко (1988), считает, что нормы реакций фитоценозов на критические периоды недостаточного увлажнения изменяются в зависимости от возрастного состава древостоев и структуры ценоза, типа сообществ и поч-венно-грунтовых! условий их формирования, продолжительности и напряженности водного стресса, общих и локальных физико-географических условий территорий.
В отличие от девственных и естественных лесов антропогенные леса, вырубае мые через каждые 80-100 лет, проходят лишь стадии смыкания, жердняка, средневозрастности и приспевания. Поскольку стадия спелости и последующие возрастные стадии искусственно прерываются, эти леса не обретают структурных особенностей естественных лесов и поэтому не могут считаться коренными, которые отличаются устойчивостью в стадии спелости. Г.Ф. Морозов (1930), исследуя Брянский лесной массив (БЛМ), сделал вывод, что в нем ель распространена в елово-широколиственных насаждениях, на достаточно влажных почвах, сформировавшихся на меловом рухляке и продуктах его выветривания, на суглинках с фосфоритами, на глауконитовых песках с фосфоритами, на песках с суглинистой подпочвой. Ель не может расти на физиологически сухих почвах, как-то: на кварцевых песках и моховых болотах. Супеси и суглинки, если они притом дренированы в достаточ І ной мере - вот область для ее нормального развития.
А.Я. Орлов (1996) пишет, что усыхание ельников наблюдается главным образом в зоне смешанных лесов, лишь изредка распространяясь в таежную зону. По данным В.П. Тимофеева (1944), в Центральном лесном заповеднике ель погибла преимущественно в сложных ельниках и ельниках кисличниках, на хорошо дренированных почвах. В первую очередь погибли спелые насаждения, куртины крупномерных, перестойных елей. На участках с развитой подстилкой деревья гибли раньше. I По мнению Г.И. Васечко (1933), ельники Карпат, расположенные в типах условий местопроизрастания Аз - В3 менее усыхают, чем ельники, расположенные в условиях Сз - D3. Н.И. Федоров, Н.Э. Рихтер, Е.С. Раптунович, В.К. Гвоздев, Н.П. Ковбаса, В. В. Сарнацкий (1997) исследуя усыхание ельников Беларуси, приводят данные о том, что усыхают преимущественно высокопродуктивные ельники кисличники, черничники, мшистые. Подвержены усыханию ельники, расположенные на склонах водоразделов, в микропонижениях с проточным увлажнением на тяжелых суглинистых почвах, а так же насаждения, произра стающие вблизи низинных болот или рек. В меньшей степени страдают от усыхания ельники расположенные на плоских водоразделах с супесчаными, хорошо дренированными почвами, подстилаемыми моренными суглинками.
М.Е. Ткаченко (1931) пишет о ветроустойчивости ели в зависимости от местных условий произрастания. Так в южной тайге, на дренированных, обычно мощных песчаных почвах такие типы ельников, как кисличники, малинники, кипрейники, имеют мощную, глубоко уходящую корневую систему и отличаются ветроустойчивостью, особенно при долгом росте в редком состоянии.
Геология, рельеф, гидрография и почвы
Как указывают Г.В. Добровольский, И.С. Урусевская (1972) в геологическом отношении территория региона исследований относится к Русской платформе, которая лежит в основе Восточно-Европейской равнины. На территории района и сопряжены основные структуры Русской платформы: Московская синеклиза и Воронежская антеклиза.
В основании осадочного покрова залегает древний мезозойский фундамент кристаллических пород - гнейсов и гранитогнейсов. Осадочная толща мощностью свыше 1000 м состоит из морских и континентальных отложений палеозоя и мезозоя. Палеозой представлен девонскими доломитами, известняками, песчаниками и гипсами. Мезозой составляют глины, мел, мергель. Четвертичные отложения образуют почти сплошной покров мощностью до 30 и более метров. Среди них преобладают плейстоценовые ледниковые и водно-ледниковые образования, оставленные накоплениями четырех оледе І нений: окского, днепровского, московского и отчасти валдайского. Валдай І ское оледенение охватывало лишь незначительную часть территории района исследований (в Смоленской области). В некоторых местах накопления оледенений перекрыты тонким слоем лессовидных суглинков.
Рельеф района представляет собой холмисто-увалистую, местами плоскую равнину, густо расчлененную долинами рек, балками и лощинами, с пологим склоном с северо-востока и востока на юго-запад. Высота местности над уровнем моря изменяется от 125 м до 292 м. В дочетвертичныи период здесь господствовали процессы эрозии и денудации, создавшие доледниковый сильнорасчлененный рельеф, многие черты которого были предопределены тектоническими движениями локальных структур. В период четвертичного оледенения происходил процесс выравнивания поверхности путем заполнения ледниковым материалом сущест І вовавших ранее понижений, образовывались различные аккумулятивные ледниковые и водноледниковые формы рельефа, частично перестраивалась речная сеть. В послеледниковое время ледниковый и водноледниковый рельеф был переработан процессами эрозии и денудации. Несмотря на это, со I временный рельеф в значительной мере имеет характер, унаследованный от доледникового времени.
В результате длительного господства здесь в послеледниковое время денудационных! процессов сформировались различные типы эрозионных равнин. Здесь находится западная часть Среднерусской возвышенности сложенная коренными породами или мореной, одетыми лессовидными суглинками.
На севере и западе лесохозяйственного района, покрывавшегося московским ледником, покинувшим территорию 100 тыс. лет назад, сохрани I лись хорошо выраженные крупнохолмистые и грядово-холмистые конечно-моренные образования и различные типы моренных равнин. Сюда заходит ! отроги Московско-Смоленской возвышенности. Эти возвышенности сложены мореной и одеты мощным плащом покровных суглинков.
Судя по данным Атласа Калужской области (1972), Атласа Брян І ской области (1976), в центральной части района исследований осуществлялся сток талых вод сначала днепровского, а затем московского ледника. Талые воды размывали днепровскую морену и отлагали пески и супеси. В результате здесь образовались различные типы зандровых (водноледниковых) и пла-стово-зандровых равнин. Пластово-зандровые равнины возникли на участках, где днепровская морена оказалась совсем размыта и водноледниковые пески и супеси небольшой мощности (в среднем 0,5 м) отложились непосредственно на различные коренные породы. Эта часть района занята Приднепровской и Полесской низменностями на которых размещаются ровные зандровые поля и слившиеся с ними широкие понижения вдоль речных долин, покрытые более или менее мощным плащом песчаных отложений обед і ненного минерального состава. Зандровые равнины образовались также вдоль долин всех рек района, по которым стекали талые ледниковые воды.
А.И. Климов (1951), Л.М. Ахромеев (2000) сходятся во мнении, что в настоящее время господствующим на территории района рельефообразую щим процессом является эрозия. В местах распространения лессовидных суглинков возникают просадочные западины. В области близкого залегания известняков и мела образуются карстовые формы рельефа, по склонам речных долин и балок наблюдаются оползневые явления.
Территория района исследования покрыта густой речной сетью (густота речной сети варьирует от 325 м на 1 кв. км до 254 м на 1 кв. км). Реки области относятся к бассейну р. Волги, Днепра. Все они принадлежат к бассейнам Черного и Каспийского морей.
Все реки характеризуются извилистым руслом, небольшим падением, медленным течением. Реки области питаются подземными, дождевыми и талыми снеговыми водами. Доля снегового питания составляет 60 %, дождево го - 20 % и подземного - 20 %. Заболоченность территории области невелика (0,75 - 0,35 %). Площадь большинства болот не превышает 100 га.
На водоразделе, грунтовые воды не участвуют в почвообразовании, так как глубоко залегают. В пойме грунтовые воды залегают в аллювиальных песках и тесно связаны с уровнем воды в реке. В остальных местах уровень грунтовых вод определяется глубиной залегания водоупорного горизонта и рельефом.
А.И. Климов (1951) считает, что преимущественно распространены дерново-подзолистые почвы, которые занимают 83 % площади. Почвообра-зующими породами являются лессовидные суглинки, валунные и безвалун-ные моренные суглинки и супеси, кварцево-глауконитовые пески с фосфоритами. В большинстве своем почвы кислые. Часто почвы, особенно в центре и на юге района, формируются на двух и даже трехчленной основе.
Исследование влияния размещения деревьев других пород по площади на устойчивость еловых насаждений
Равномерное размещение деревьев сосны по площади насаждения, напротив, усиливает устойчивость еловых насаждений к ветровым нагрузкам. Групповое размещение дуба с высотой меньшей, чем у ели, оказывает отрицательное воздействие на устойчивость еловых насаждений, и даже мо жет стать причиной образования очага усыхания ели.
Исходя из того, что и в устойчивых, и в ослабленных еловых древосто-ях деревья березы располагались случайным образом, невозможно сделать выводы о влиянии того или иного характера размещения березы по площади, на устойчивость еловых насаждений.
С целью определения влияния расстояний между деревьями на устойчивость елей, а так же - оптимальное расстояние, производили сравнение средних расстоянии различных пород до усохших и здоровых елей на тех же пробных площадях. Для того, чтобы убедится, отличаются ли средние значения расстояний между группами устойчивых и неустойчивых елей, провели сравнение средних величин с помощью критерия Стьюдента. Если фактический коэффициент существенности различий (t факт.) больше табличного (t теор.), значит, различия существенны. Теоретический коэффициент существенности различий определяли для 95% уровня значимости. Полученные дан j ные представлены в таблице 8. Из таблицы 8 следует, что большинство сравниваемых величин различны на 95% уровне значимости. Значит, близость дерева той или иной породы оказывает существенное влияние на устойчивость елей. Точность нахо ждения средних значений достаточная 5%. Найденные величины обладают сильной вариацией признака от 15,8 до 35,6%». Таблица 8. - Средние расстояния между категориями деревьев Категория 1 Категория 2 Среднее расстояние, м Cv,% Р,% t факт. / t теор. Усохшая ель Усохшая ель 4,70±0,19 21,1 5,6 Усохшая ель Здоровая ель 4,21 ±0,27 33,5 6,8 Усохшая ель Сосна 4,80±0,25 16,5 7,4 Усохшая ель Береза 4,78±0,85 35,6 6,5 Усохшая ель Осина 4,81±0,54 15,8 6,6
Произрастание рядом с сосной увеличивает устойчивость ели, так как среднее расстояние до ближайшей сосны от усохшей ели 4,8 м, а среднее расстояние до ближайшей сосны от здоровой ели 4,1 м. Оптимальное расстояние от ели до сосны в среднем 4 м.
Среднее расстояние до ближайшего дуба от усохшей ели 5,0 м, а среднее расстояние до ближайшего дуба от здоровой ели 4,5 м, что говорит об устойчивости ели, произрастающей вблизи дуба. Высота устойчивых елей рядом с дубом равнялась высоте дуба ± Зм. В общем случае, близость сосны или дуба оказывает положительное влияние на устойчивость ели, защищая ее от ветра.
Произрастание рядом с березой положительно действует на ель. Среднее расстояние от усохшей ели до ближайшей березы 4,78 м, а от устойчивой ели до ближайшей березы 4,10 м. Произрастание вблизи деревьев других пород оказывает положительное влияние на сохранение устойчивости деревьев ели. Деревья других пород (сосна, береза, дуб, осина) в меньшей степени страдают от резкого увеличения освещенности и ветровых нагрузок, и поэтому способны снизить отрицательное влияние образовавшегося окна на микроклимат. Корни этих деревьев, проникая в более глубокие горизонты, чем корни ели, укрепляют почву, пре ! пятствуя раскачиванию и вывалу стволов ели с корнем.
Для изучения размещения устойчивых и ослабленных деревьев в пологе насаждения, на пробных площадях для каждого дерева определяли санитарное состояние и класс Крафта. По результатам визуальных наблюдений, все деревья ели на пробной площади мы условно разделили на следующие группы, с учетом их размещения в пологе насаждения: 1) деревья, занимающие доминирующее положение, выделяющиеся из общего полога и растущие в окружении деревьев меньшей высоты (деревья первого, реже второго класса Крафта); 2) деревья, растущие в общем пологе, имеющие горизонтальную сомкнутость (преимущественно деревья 2-3 классов Крафта); 3) деревья, растущие под кроной более крупных деревьев, в основном, 3-4 классов Крафта; 4) деревья первого и второго класса Крафта, выделяющиеся из общего полога, но растущие группой или небольшой куртиной.
Результаты наблюдений можно представить в виде однофакторного дисперсионного комплекса для качественных признаков. Как видно из таблицы, в среднем, только 29 % деревьев, выделяющих из общего полога, сохраняют устойчивость при стрессовых отдельного дерева, высокая скорость ветра, длительная засуха), а количество устойчивых деревьев первого класса Крафта растущих в группах составило 84 % . Из деревьев, растущих в общем пологе, 82 % сохра нили свою устойчивость.
Только половина (58 %) елей, растущих под кроной более крупных деревьев, оказались устойчивыми. Все показатели достоверны на 95 % уровне значимости. Существует тесная положительная взаимосвязь между глубиной корнедоступных горизонтов и долей устойчивых елей первой группы (коэффициент корреляции 0,92). Коэффициент детерминации равен 0,846, это значит, что 84,6 % вариации доли устойчивых елей в первой группе определяется і варьированием глубины корнедоступных горизонтов.
При анализе направлений от центра очага по румбам (СВ, СЗ, ЮВ, ЮЗ), выяснено, что отличие в количестве усохших елей между СЗ, ЮВ, ЮЗ направлениями несущественны на 95% уровне значимости (приложение 3). Количество усохших деревьев в северо-восточном направлении различаются с другими направлениями на 95 % уровне значимости. Средний румб направления продвижения очага ( по 5 пробам) составил СВ 35. Этот показатель варьировал от СВ 45 до СВ 30 . Этими данными подтверждается гипотеза о неблагоприятном влиянии ветра и послеполуденного солнца на состояние ельников. Во всех случаях образования очагов решающим фактором было ло-кальное снижение полноты: вывал отдельной ели, изгиб стволов дуба под тяжестью снега. Причем локальная полнота очага в некоторых случаях была даже несколько выше средней по пробе. Это говорит о том, что опасно не само снижение полноты, а изменение условий произрастания ели. Во всех случаях образования очагов усыхания среди усохших деревьев имелись живые особи ели. Ими оказывались либо высокие деревья, росшие в относительно разреженном состоянии, либо угнетенные особи с замедленным приростом, разреженной кроной.
Влияние характера кроны на устойчивость деревьев ели
Протяженность кроны по стволу является одним из важнейших показателей, определяющим устойчивость деревьев ели к ветровым нагрузкам. С целью изучения влияния протяженности кроны на устойчивость елей, на пробных площадях измеряли этот показатель с помощью высотомера-крономера ВК-1. Протяженность кроны выражали в процентах от высоты дерева. Измерения проводили на десяти пробных площадях. Всего протяженность крон измерена у 200 деревьев, полученные данные приведены в приложении 4.
При дисперсионном анализе, выявлена существенность различий протяженности кроны устойчивых и ослабленных елей (F(). = 33,1 Бтаб. = 11,7 достоверно на 0,1 % доверительном уровне). Средняя протяженность кроны в процентах от общей высоты дерева у устойчивых деревьев ели составила 43,2 ± 1,97, для ослабленных деревьев этот показатель составил 20,4 ± 0,92. Признак сильнее варьирует в группе устойчивых елей Cv = 35,1 %. Для группы ослабленных елей коэффициент вариации составил Cv = 17,5 %. кроны по стволу, протяженностью
Таким образом, можно утверждать, что деревья с большей протяженностью кроны устойчивее деревьев ели с незначительной протяженностью Оставляя при выборочных рубках деревья верхнего полога с кроны больше 43 % можно значительно повысить устойчи вость данной категории деревьев к ветровым нагрузкам. Как известно, деревья с густой, широкой кроной в большей степени подвержены воздействию ветра, так как обладают повышенной парусностью. Деревья с густой кроной транспирируют больше влаги и требуют больше воды и питательных веществ, для поддержания жизни хвои. Эксцентричная, флагообразная крона смещает центр тяжести дерева, тем самым, способствуя раскачиванию ствола ветром.
Исходя из этих соображений, деревья на пробных площадях разделили на следующие группы: 1. Деревья с густой, широкой кроной. 2. Деревья с флагообразной, эксцентричной кроной. 3. Деревья с неширокой кроной средней густоты. 4. Деревья с изреженной кроной. 5. Деревья с узкой кроной. Исследования проводили как в ослабленных насаждениях, так и в относительно устойчивых.
Оказалось, что в здоровых насаждениях, не затронутых процессом усыхания различия между данными категориями не значимы (F фактическое = 2,3, F табличное = 2,5). Наиболее устойчивыми особями в этих насаждениях оказались деревья первой, третьей и пятой группы, количество устойчивых экземпляров в них составляет более 90 % от общего количества особей в группе.
Однако, такое положение меняется в насаждениях, подверженных усыханию. Количество устойчивых деревьев в группах отличаются статистически (F фактическое = 3,6, F табличное = 2,5 достоверно на 0,5% доверительном уровне). Наиболее устойчивыми в условиях стресса оказались деревья с неширокой кроной средней густоты (87 % от общего числа особей в группе), с кроной, прижатой к стволу (83 %). Самыми неустойчивыми оказались деревья с флагообразной, эксцентричной кроной (только 38% особей с таким признаком не подверглись усыханию). Деревья с сильно изреженной кроной и деревья с густой кроной примерно одинаково отреагировали на изменения усло вий среды. В данных группах устойчивые деревья составили 50 % и 56 % соответственно. По всей видимости, ослаблению деревьев с флагообразной кроной, деревьев с густой, широкой кроной способствует ветер. Для остальных групп, фактором, лимитирующим устойчивость отдельных елей, является резкое изменение других микроклиматических показателей.
Для того, чтобы определить влияние цветового тона коры на устойчивость елей, на пробных площадях определяли процент отраженного стволом светового потока, как разницу между световым потоком, попадающим на ствол и потоком, отраженным стволом. Измерения проводили люксметром на расстоянии 10 см от ствола, на высоте 1,3 м. Исследовали устойчивые и ослабленные экземпляры ели на пятнадцати пробных площадях. Измеряли лишь деревья ели, ствол которых открыт воздействию солнечных лучей. Было измерено по 50 деревьев каждой категории, что достаточно для получения ста I тистически достоверных выводов.
