Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 7
2. Природные условия района исследований 26
2.1. Особенности географического положения 26
2.2. Климат 27
2.3. Рельеф и почвы 31
2.4. Характеристика лесного фонда 36
Выводы 42
3. Программа, методика и объем выполненных работ 44
3.1. Программа работ 44
3.2. Методика исследований 44
3.3. Объем выполненных работ 50
4. Обеспеченность подростом спелых и перестойных насаждений 51
4.1. Групповая структура типов 51
4.2. Ельники 59
4.3. Производные березняки 62
Выводы 68
5. Влияние различных технологий лесозаготовок с использованием агрегатных машин на лесовозобновление сплошных вырубок 69
5.1. Характеристика экспериментальных объектов 69
5.2. Состояние естественного возобновления 76
Выводы 84
6. Влияние различных способов рубок на лесовозобновление в производных березняках 85
6.1. Характеристика экспериментальных объектов 85
6.2. Состояние естественного возобновления и живого напочвенного покрова 89
Выводы 107
Заключение и рекомендации производству 109
Библиографический список 112
- Характеристика лесного фонда
- Объем выполненных работ
- Производные березняки
- Состояние естественного возобновления
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение продуктивности лесов в целях удовлетворения возрастающих потребностей народного хозяйства в древесине остается важнейшей задачей лесоводства. Эта задача может быть успешно решена только при условии оптимизации эколого-экономического лесопользования, а также с учетом антропогенного воздействия на лесные экосистемы. В таежных условиях дифференцированное применение рубок главного пользования позволяет восстанавливать лес из ценных пород, соответствующих типу лесорастительных условий, смешанный по составу, сложный по форме, что повышает производительность и продуктивность насаждений, устойчивость их к неблагоприятным факторам среды, а также усиливает защитные и рекреационные функции.
Важной проблемой остается сохранение подроста при главных рубках, причем следует учитывать технологии и технические средства лесозаготовок, особенности которых не всегда принимаются во внимание, в частности, при формировании ельников нового поколения как за счет предварительного лесовозобновления, так и последующего и сопутствующего. Данной проблеме посвящено много опубликованных научных работ, однако на Урале они относятся только к кратковременным наблюдениям. Данные исследования выполнены на ранее заложенных стационарах, что обуславливает их актуальность.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось выявление особенностей и потенциала естественного возобновления еловых и производных березовых древостоев спелой и перестойной возрастных категорий при различных способах и технологиях рубок главного пользования в липня-ковой группе типов леса на Среднем Урале. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучение особенностей возобновления ели под пологом спелых и перестойных еловых и производных березовых древостоев липняковой хозяйственной группы типов леса.
2. Анализ естественного лесовозобновления после проведения сплош-нолесосечных рубок агрегатными машинами.
3. Изучение хода соответствующего естественного лесовозобновления в результате механизированных постепенных рубок.
4. Разработка предложений по оптимизации лесовозобновления при применении агрегатной техники.
Научная новизна. Впервые для района исследований на опытно-производственных стационарных объектах изучены длительные последствия сплошных и постепенных рубок, выполненных по различным технологиям на базе использования агрегатной лесозаготовительной техники и научно доказана целесообразность формирования высокопродуктивных еловых насаждений в условиях липняковой хозяйственной группы типов леса из подроста предварительной, последующей и сопутствующей генераций. Показана схема трансформации производных березняков в еловые древостой. Доказана возможность повышения лесоводственно-экологической эффективности применения машин ЛП-19. Изучены особенности живого напочвенного покрова в зависимости от способов и технологий лесозаготовок и технологических элементов мест рубок. Производству предложены актуальные мероприятия по оптимизации применения главных рубок.
Практическая значимость работы. Материалы исследований могут служить основой для разработки нормативных документов по рубкам главного и промежуточного пользования в ельниках южной и средней подзон тайги Урала и Предуралья.
Защищаемые положения. В работе исследованы и обоснованы следующие положения, представленные к защите:
- еловый подрост предварительной и сопутствующей генераций является основой формирования будущих еловых древостоев;
- постепенные рубки в производных березовых древостоях позволяют заменить их коренными ельниками без проведения работ по искусственному лесовосстановлению;
- использование отечественной лесозаготовительной техники позволяет обеспечить сохранение подроста и молодняка в количестве, достаточном для формирования высокопроизводительных еловых древостоев нового поколения.
Личный вклад автора. Все работы по реме диссертации (разработке программно-методических положений, сбору экспериментальных материалов, анализу и обработке полученных результатов) осуществлены автором лично или при его непосредственном участии и руководстве.
Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается большим по объему и разнообразию экспериментальным материалом, применением научно-обоснованных методик, использованием современных методов обработки, анализа и оценки достоверности данных.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (Екатеринбург, 1977); на Международной научно-технической конференции «Лесам Европейского региона - устойчивое управление и развитие» (Минск, 2002); научно-производственной конференции «Теоретические и практические проблемы лесовосстановления на Урале (Екатеринбург, 2002); Международной конференции «Экология. Наука, образование, воспитание» (Брянск, 2002); научной конференции «Перспективы развития регионов России в XXI веке» (Ижевск, 2002); научно-технической конференции студентов и аспирантов (Екатеринбург, 2003; 2005); научно-технической конференции студентов и аспирантов лесохозяйственного факультета (Екатеринбург, 2004).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и рекомендаций производству, библиографического списка из 324 наименований, в том числе 8 иностранных авторов.
Изложена на 135 страницах, содержит 17 таблиц и 11 рисунков.
Характеристика лесного фонда
Современная структура лесного фонда района исследований, как и всей территории Среднего и Южного Урала, исторически сложилась под воздействием длительной промышленной эксплуатации. Известно (Смолоногов, 1984; Залесов, Луганский, 2002), что начало освоения лесных ресурсов Урала относится к середине XVI столетия и связано с развитием добычи в значительных объемах соли на верхней Каме (Петров, 1952; Теринов, 1970). По приблизительным подсчетам Б.С. Петрова (1952), соляная промышленность Урала в XVIII в. потребляло в средднем около 1,1-1,2 млн. м3, а в XIX и XX вв. - около 2,5-2,6 млн. м3 древесины в год. Для удовлетворения такой потребности близ солеварен ежегодно вырубались леса на площади соответственно от 5,0 до 13 тыс. га.
В районе исследований промышленная эксплуатация лесов связана также с развитием горнодобывающей промышленности. Без древесины невозможна была организация горных разработок, но особенно велика была потребность заводов в древесном угле - основном источнике энергии при выплавке металла, в литейном и кузнечном производствах. Нельзя не согласиться с Е.П. Смолоноговым (1984), который отмечал, что эта исключительно важная значимость лесов для уральской металлургии сохранилась до 30-40-х годов XX века.
Интенсивная эксплуатация лесов Бисертского лесхоза началась после завершения в 1760 г. строительства Бисертского завода. Используя материалы Б.С. Петрова (1952) по размерам лесозаготовок и потребления древесины железоделательными заводами конца XVIII столетия, ориентировочно можно определить объемы заготовок древесины в Бисертской даче на нужды Бисертского завода. За период до Октябрьской революции (150 лет) было заготовлено 9,5 млн. м3 (Смолоногов, 1984) древесины, а в последующие годы еще 14,5 млн. м3. Иными словами, всего за период эксплуатации на территории современного Бисертского лесхоза было заготовлено 24,0 млн. м3 древесины. Для заготовки такого количества древесины древостой должны быть вырублены на площади более 100 тыс. га.
Территория Билимбаевского лесхоза до Октябрьской революции охватывала Билимбаевскую, Васильево-Шайтанскую, Ново-Уткинскую и Уткин-скую лесные дачи. Интенсивное освоение лесов данных дач началось в XVIII веке (Агеев, 1844). В результате подсеки, выжигания леса под пашню и использования древесины для промышленных целей за первые 100 лет эксплуатации было вырублено и выжжено примерно 3,75-4 млн. куб. саженей (30-33 млн. м ) древесины. Рубки велись различными способами: от приисковых до сплошных куренных без отвода лесосек, что в сочетании с частичной раскорчевкой и выжиганием вырубок под сенокосы и пашни существенно изменило первоначальную картину состояния лесных запасов (Турков, 1987). К середине XIX века численность населения на территории дач выросла от 5,6 до 8 тыс. человек (Мальгин, 1864). К началу XX века, по данным В.А. Тюткова (1924), ежегодный отпуск древесины был равен 38 525 куб саж. (373692 м ). После Октябрьской революции и национализации лесов объемы заготовок древесины резко возросли и уже в 1921 г. было заготовлено 1001604 м3 древесины, причем переруб расчетной лесосеки составил 620224 м3(Белавин, 1923).
Всего за 250-летний период интенсивного хозяйства на территории Би-лимбаевского лесхоза, по данным В.Г. Туркова (1987), было заготовлено примерно 80-100 млн. м3 древесины. Таким образом, материалы многочисленных исследований свидетельствуют, что интенсивная эксплуатация лесов района исследований ведется более 250 лет и за этот период практически все насаждения пройдены двумя-тремя, а в ряде случаев и четырьмя оборотами рубки.
Помимо поставки сырьевых ресурсов леса района исследований выполняют важные защитные функции. Значение защитной роли лесов возрастает по мере усиления антропогенного воздействия на природные экосистемы. Осознание данного положения привело к увеличению доли лесов I группы в общей площади лесов района исследований. По данным последнего лесоустройства леса I группы составляют 18,5 и 55,6% от общей площади соответственно Бисертского и Билимбаевского лесхозов (табл. 2.2). Таблица 2.2 - Распределение площади лесного фонда по группам лесов и категориям защитности
В целом по району исследований на долю лесов I группы приходится 34,5% площади лесного фонда. Особо следует отметить, что на значительной части лесов как первой, так и второй групп рубки главного пользования запрещены. В целом по району исследований на долю лесов возможных для эксплуатации приходится 61,8% площади лесного фонда. Среди лесов I группы доминируют леса зеленых зон, при этом на долю лесопарковых частей зеленых зон приходится 21,2%, а на долю лесохозяйст-венных частей зеленой зоны - 5,9% общей площади лесного фонда района исследований.
При планировании и проведении лесохозяйственных мероприятий очень важно иметь объективные данные о распределении покрытой лесной растительностью площади по преобладающим породам и классам возраста (табл. 2.3). Материалы табл. 2.3 наглядно свидетельствуют, что, несмотря на длительный срок эксплуатации лесов в районе проводимых исследований, на долю хвойных насаждений приходится 48,6% покрытой лесной растительностью площади. Среди хвойных насаждений преобладают ельники, при незначительной площади кедровников и лиственничников. Особо следует отметить, что доля ельников в покрытой лесной растительностью площади Билимбаевского лесхоза значительно ниже (19,4%), чем в Бисертском лесхозе (34,0%).
Объем выполненных работ
Изучение современных таежных лесов, сложных не только по природной биологической основе, но и по характеру, длительности и интенсивности антропогенного воздействия, невозможно без научно-обоснованного деления насаждений по типам леса и группам типов леса (Колесников, 1961; Коновалов, 1961). В районе исследований при проведении лесоустроительных работ используется типология, разработанная на географо-генетических принципах (Колесников, 1961; Зубарева, 1967; Колесников и др., 1973). Согласно этих принципов для индексации типов леса применяют трехзначный код типов леса и лесорастительных условий (ТЛУ). При этом первая цифра трехзначного индекса обозначает приуроченность типов леса к высотной категории: 2 -среднегорный (выше 500 м), 3 - низкогорный и предгорный (абсолютные отметки в пределах 200-500 м). Вторая цифра индекса определяет отношение типа леса к группе лесорастительных условий по режиму влажности и соответствует следующему содержанию: 2 - свежие периодически суховатые; 3 -устойчиво свежие; 4 - свежие периодически влажные; 5 - устойчиво влажные; 6 - влажные периодически сухие; 7 - сырые. Третья цифра индекса определяет порядковый номер конкретного типа леса в пределах группы типов леса. Поскольку в районе наших исследований отсутствуют высокогорная, а также сухие типы почв цифровые обозначения 1 по первой и второй цифре индекса типа леса нами не приводятся. Реальная возможность ведения лесного хозяйства на Урале по типам леса в настоящее время отсутствует, поскольку во многих типах леса технологии проведения лесохозяйственных мероприятий довольно близки. Последнее обусловливает необходимость при разработке региональных систем лесохозяйственных мероприятий на типологической основе все многообразие типов леса распределить по хозяйственным группам типов леса, применительно к которым в итоге должен быть рекомендован специализированный комплекс лесохозяйственных мероприятий (Рекомендации ..., 1984).
При объединении типов леса в хозяйственные группы учитываются, прежде всего, схожесть экологических признаков (местоположение, рельеф, почвенно-гидрологические условия), производительность древостоев и характер лесо-возобновительных процессов. Проведенные исследования позволили (Рекомендации ..., 1984) в пределах основных лесных формаций выделить 9 хозяйственных групп типов леса (табл. 4.1). Приведенное в табл. 4.1 распределение насаждений по хозяйственным группам типов леса в последующем нашло отражение в Основных положениях ... (1995). При этом в последнем документе для каждой группы типов леса были указаны типы леса. На основании последнего документа при проведении лесоустроительных работ должно было производиться распределение насаждений разных типов леса по хозяйственным группам типов леса. Однако в 1994 г. Федеральная служба лесного хозяйства России утверждает Правила ... (1994), в которых типы леса и лесорастительных условий по режиму увлажнения, почвам и распределению по крупным элементам рельефа распределены на семь хозяйственных групп (табл. 4.2). Сравнение материалов табл. 4.1 и 4.2 свидетельствует, что при разра ботке Правил ... (1994) в 4-ю группу (липняковые, разнотравные, кисличные, сложные) вошли типы леса, составляющие в Рекомендациях ... (1984) липня- ковую, разнотравную и травяно-зеленомошную группы типов леса. Другими словами, в одну хозяйственную группу типов леса было объединено значи тельное количество типов леса, существенно отличающихся как по лесорас- тительным условиям и производительности древостоев, так и по ходу возоб новительных процессов. Последнее обусловило необходимость анализа есте ственного возобновления под пологом коренных еловых и производных бе резовых древостоев по типам леса для установления возможности их объеди нения в одну хозяйственную группу типов леса. Выполненный нами анализ лесного фонда района исследований показал, что распределение покрытой лесной растительностью площади по группам типов леса не равномерно (табл. 4.3 и 4.4). Количество типов леса в каждой из групп, выделенных согласно Рекомендациям ... (1984) относительно невелико. Так, группа нагорных типов леса среди хвойных насаждений представлена лишь нагорным типом леса (табл. 4.3). Одним типом леса представлены хвойные формации и бруснично-осочковой группы типов леса. В то же время хвойные насаждения липняко-вой, разнотравной и травяно-зеленомошной групп типов леса представлены, соответственно, тремя, четырьмя и восьмью типами леса. Другими словами, при условии перехода к группировке типов леса согласно требованиям Правил ... (1994) в одну группу войдет 15 типов леса, многие из которых по своим лесорастительным условиям существенно различаются. Аналогичная картина наблюдается и при распределении по группам типов леса насаждений лиственных формаций (табл. 4.4).
Производные березняки
В районе наших исследований к коренным березнякам можно отнести только насаждения березняка травяно-осокового. Последние представлены низкорослыми редкостойными древостоями из березы пушистой (Betula pu-bescens Ehrh.) с единичной примесью ели и сосны. Состав подроста предварительной генерации соответствует составу древостоя. При значительной численности хвойного подроста (3-6 тыс. экз./га) жизнеспособность его молодых поколений и темпы роста по высоте малы (Зубарева и др., 1984). При проведении сплошнолесосечных рубок в данном типе леса нередко формируются безлесные участки. Насаждения березняка травяно-осокового относятся к 9-й хозяйственной группе типов леса согласно Рекомендаций ... (1984) и к 7-й хозяйственной группе типов леса - согласно Правил ... (1994). Доля насаждений данного типа леса среди березняков Бисертского и Билим-баевского лесхозов составляет 0,56 и 0,36%, соответственно (табл. 4. 6). Производные березовые насаждения даже одних и тех же экотопов развиваются не всегда одинаково. Их целесообразно на коротко-, длительно- и устойчиво-производные типы леса.
Коротко-производные типы леса объединяют насаждения, в древостоях которых под воздействием экзогенных факторов произошла замена части материнских хвойных деревьев лиственными. Частичное участие в составе древостоя хвойных материнских пород и господство их в составе подроста обеспечивает им восстановление лесообразующей роли уже ко времени распада первого лиственного поколения. При этом коротко-производные насаждения переходят в категорию условно-коренных соответствующих типов леса.
Длительно-производные типы леса представляют собой древостой, в которых хвойные породы полностью сменились лиственными, с сохранением однако потенциальных возможностей восстановления в последующем хвойных поколений за счет сохранившегося подроста предварительной генерации или появляющегося самосева коренных пород. Переход таких насаждений в условно-коренные происходит лишь во второй или третьей генерации лиственных пород. Устойчиво производные типы леса представлены лиственными насаждениями, в которых отсутствуют предпосылки естественного возврата к условно-коренным типам леса, для них типична необратимость смен пород. Образование устойчиво-производных типов леса наиболее свойственно широколиственно-хвойным лесам Среднего Урала. Для березняков района исследований более характерно формирование после сплошнолесосечных рубок коротко-производных и длительно-производных типов леса.
Распределение березовых древостоев по типам леса свидетельствует (табл. 4.6), что наиболее активно процесс смены пород протекает в травяно-зеленомошной, разнотравной и липняковой группах типов леса, на долю которых приходится более 90,7% березняков района исследований. Если использовать при распределении типов леса по группам рекомендации Правил ... (1994), то практически все березняки (90,7%) следует отнести в 4-ю группу типов леса. Березняки этой группы типов леса составляют 73,5% от общей площади мягколиственных насаждений, произрастающих на момент исследований в данной группе типов леса. Особо следует отметить, что преимущественно за счет сплошнолесосечных рубок, в травяно-липняковой группе типов леса произошла смена коренных темнохвойных насаждений на березовые производные на 38,7% площади.
Анализ повыдельной базы данных, выполненный с использованием программы АРМ-Лесфонд, позволил получить объективные данные об обеспеченности подростом спелых и перестойных березовых насаждений по хозяйственным группам типов леса (табл. 4.7).
Материалы табл. 4.7 свидетельствуют о неравномерном распределении спелых и перестойных березовых древостоев по группам типов леса. Так, в Бисертском лесхозе березняки первой (нагорной) группы типов леса отсутствуют полностью. В целом можно отметить, что распределение спелых и перестойных древостоев по группам типов леса близко к распределению по группам типов леса березовых древостоев района исследований, приведенному в табл. 4.7.
Обеспеченность подростом хвойных пород под пологом березняков в целом по району исследований несколько выше в перестойной категории, чем в спелой. Последнее, на наш взгляд, объясняется большей сквозистостью полога перестойных березовых древостоев и меньшей густотой последних, что способствует улучшению освещенности и других условий для накопления и роста подроста темнохвойных пород.
Показатели обеспеченности подростом производных березовых древостоев необходимо учитывать при планировании и проведении лесохозяйст-венных мероприятий. Так, в условиях березняка травяно-зеленомошного сохранение подроста предварительной генерации при лесозаготовках в перестойных березняках обеспечивает переформирование березняков в хвойные насаждения на 47% площади без проведения других мероприятий по лесо-восстановлению.
Состояние естественного возобновления
Важное значение для оценки лесоводственной эффективности различных технологий лесосечных работ имеет фактор времени. В подавляющем большинстве работ приводятся данные о динамике восстановительного процесса в первые годы после проведения рубок, что не позволяет объективно оценить последствия влияния на нижние яруса растительности и почву лесозаготовительной техники, приводит к ошибкам в оценке устойчивости подроста и тонкомера на вырубках. Наличие заложенных ранее научных объектов предоставило нам уникальную возможность изучить лесоводственную эффективность пяти технологий сплошнолесосечных и одну - постепенной рубки.
Насаждения всех пробных площадей на момент закладки эксперимента имели примерно одинаковую таксационную характеристику и относились к липняковой группе типов леса. Древостой был представлен преимущественно елью с четко выраженными двумя поколениями. Первое поколение имело возраст 130-140 лет, второе - 50-60 лет. Примесь лиственных пород и пихты не превышала 2 единиц в составе древостоя. Особого внимания заслуживает тот факт, что на момент проведения рубки запас сухостойных деревьев составлял 30-40 м3/га.
Проведенные в 1997 г. (спустя 17 лет после рубки) повторные перечеты на пробных площадях, заложенных на участках, пройденных рубками глав- ного пользования по различным технологиям, показали, что таксационные показатели древостоев сильно различаются (табл. 5.1). Участок леса, где рубка не проводилась, характеризуется относительно высоким запасом стволовой древесины 304 м /га. Особо следует отметить, что запас сухостойного леса на контроле составляет 143 м3/га или 32,7% от общего запаса. Следовательно, необходимость проведения рубок главного пользования 17 лет назад была обусловлена не только экономическими, но и лесоводственными требованиями. Отсутствие рубок привело к резкому ухудшению санитарного состояния насаждения, увеличению доли сухостоя и снижению относительной полноты до 0,6. Отпад древостоя происходит в основном за счет деревьев старшего поколения (150 лет), т.е. наблюдается снижение суммарной стоимости общего запаса.
Изреживание верхнего полога древостоя обусловило формирование второго яруса из ели и пихты младшего поколения (65-71 лет), средняя высота которого на момент проведения исследований достигла 11,2 м. Кроме того, на участке имеется подрост ели и пихты в количестве 2600 шт./га. При формуле состава 5Е5П подрост имеет среднюю высоту 2,5 м и средний возраст 30 лет. Логично предположить, что при отсутствии рубок главного пользования процесс изреживания продолжится с последующей заменой старшего поколения деревьев молодым.
Совершенно иными показателями характеризуется древостой, сформировавшийся спустя 17 лет после сплошнолесосечных рубок с сохранением подроста и тонкомера хозяйственно ценных пород при разработке по схеме I. На момент перечета на участке имел место еловый древостой с небольшой примесью пихты и березы. При среднем запасе 30 м3/га и полноте 0,45 на участке произрастало деревьев 1495 шт./га ели и 219 шт./га - пихты. Густота деревьев березы составляла 76 шт./га, следовательно, разработка лесосек по схеме I позволила обеспечить спустя 17 лет после рубки формирование древостоя целевого породного состава без проведения дополнительных лесо-культурных мероприятий (рис. 5.8). Наличие 1714 шт./га деревьев ели и пихты (средний возраст 20-35 лет) и подроста тех же пород в количестве 3 тыс. шт./га высотой 0,75 м позволяет надеяться на формирование в дальнейшем сложного елово-пихтового древостоя с незначительной примесью лиственных пород.
При разработке лесосеки с сохранением подроста и тонкомера по второй схеме с укладкой пачек валочно-пакетирующей машиной ЛП-19 за собой вслед и трелевкой деревьев трактором ЛТ-154 за комель с последующей обрезкой сучьев ЛО-72 на вырубке спустя 17 лет сформировался древостой составом 7ЕЗП+Б со средней полнотой 0,35 и запасом 29 м3/га Следует отметить, что при близких показателях запаса, средних высоты и полноты древостоев участок, разработанный по данной схеме (И), существенно уступает таковому, разработанному по схеме I, по густоте, как сформировавшегося древостоя, так и имеющего место подроста (рис. 5.9). Если при валке деревьев на один валок с трех лент количество подроста составляет 3 тыс. штУга., а густота хозяйственно ценных пород 1714 штУга, то при укладке спиленных деревьев за ЛП-19 в след и трелевке ЛТ-154 густота деревьев ели составляет 857 шт./га, пихты 210 шт./га, а подроста - 2 тыс. шт./га. Последнее обстоятельство дает основание сделать вывод о том, что при разработке лесосек по схеме II процесс формирования насаждения задерживается, а следовательно, увеличивается оборот рубки и период, на который снижаются защитные функции насаждения.
