«Кафедра лесоводства Н. В. Беляева кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Д.А. Данилов кандидат сельскохозяйственных наук ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СОСНОВЫХ И ЕЛОВЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ НА ОБЪЕКТАХ РУБОК УХОДА И ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный

лесотехнический университет имени С.М. Кирова» (СПбГЛТУ)

_

Кафедра лесоводства

Н. В. Беляева кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Д.А. Данилов кандидат сельскохозяйственных наук

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

СОСНОВЫХ И ЕЛОВЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ НА ОБЪЕКТАХ

РУБОК УХОДА И КОМПЛЕКСНОГО УХОДА ЗА ЛЕСОМ

Санкт-Петербург ББК 43.я УДК 630* Рассмотрено и рекомендовано к изданию научно-методическим советом Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 15 марта 2012 г.

Р е ц е н з е н т ы:

Доктор сельскохозяйственных наук, заведующий кафедрой лесного хозяйства Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого М.В. Никонов Доктор сельскохозяйственных наук, заведующий отделом агрохимии и агроландшафтов лаборатории экологии лесоаграрных ландшафтов ГНУ Ленинградского НИИСХ «Белогорка» Россельхозакадемии А.Н. Красновидов Беляева, Н.В.

Закономерности функционирования сосновых и еловых фитоценозов на объектах рубок ухода и комплексного ухода за лесом / Н.В. Беляева, Д.А. Данилов. – СПб.: Издво Политехнического университета, 2014. – 164 с.

Монография посвящена изучению влияния рубок ухода и комплексного ухода за лесом на продуктивность, устойчивость и видовое разнообразие сосновых и еловых насаждений. Данной работой фактически подводится итог длительных 40-летних экспериментов с рубками ухода и удобрениями в хвойных древостоях. Авторами выполнен сравнительный анализ влияния рубок ухода и комплексного ухода за лесом на рост и продуктивность сосновых и еловых древостоев. Выявлены возможности повышения общей производительности и продуктивности хвойных древостоев, параметры устойчивости этих насаждений, а также структурные и функциональные изменения в сосняках и ельниках под воздействием рубок ухода и комплексного ухода за лесом. Оценено воздействие рубок ухода и комплексного ухода на видовое разнообразие в сосновых и еловых древостоях. Установлены закономерности изменений в системе «Продуктивность – устойчивость – видовое разнообразие лесных фитоценозов» под влиянием рубок ухода и комплексного ухода за лесом. Получены математические модели, отражающие причинно-следственные связи между таксационными и климатическими показателями. Исследования подтверждают лесоводственный эффект рубок ухода и комплексного ухода, который проявляется в ускорении восстановительных процессов в лесных фитоценозах, повышении их продуктивности и устойчивости, улучшении количественных показателей формируемых древостоев. Работа имеет несомненную ценность для практики ведения лесного хозяйства, особенно в той его части, которая касается ускоренного формирования насаждений целевого хозяйственного назначения.

Предназначено для инженерно-технических и научных работников лесного комплекса, бакалавров и магистров направления 250100 «Лесное дело», аспирантов специальности 06.03.02 – лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация.

Библиогр. 201 назв. Табл. 29. Ил. 17. Прилож.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.…………………………………………………………………... ГЛАВА 1 Состояние вопроса………………………………………………. ГЛАВА 2 Общеметодологический подход к исследованию эффективности ухода за лесом в лесных биогеоценозах……

ГЛАВА 3. Программа, методика и объекты исследования…………….. 3.1 Программа исследования……………………………………………. 3.2 Методика исследования……………………………………………... 3.3. Объекты исследования ……………………………………………… ГЛАВА 4 Сравнительный анализ влияния рубок ухода и комплексного ухода за лесом на продуктивность и устойчивость сосновых и еловых древостоев…………………………………………………………… 4.1 Продуктивность древостоев………………………………………… 4.1.1 Дополнительный прирост…………………………………………… 4.1.2 Общая производительность древостоев……………….…………… 4.2 Устойчивость древостоев…………………………………………… 4.2.1 Интенсивность восстановления текущего прироста………………. 4.2.2 Отпад …………………………………………………………………. 4.2.3 Соотношение величин отпада и текущего прироста ……………... 4.3 Анализ зависимости продуктивности и устойчивости древостоя от климатических показателей……………………………………… ГЛАВА 5. Структурные и функциональные изменения в сосновых и еловых древостоях под влиянием рубок ухода и комплексного ухода за лесом………………………………………………………………………... 5.1 Структурные изменения в фитоценозе…………………………….. 5.1.1 Структурные изменения в древостое………………………………. 5.1.2 Структурные изменения в живом напочвенном покрове…………. 5.1.3 Структурные изменения в подросте и подлеске…………………... 5.2 Функциональные изменения в фитоценозе………………………... 5.3 Закономерности изменений в системе «Продуктивность – устойчивость – видовое разнообразие лесных фитоценозов»………….. 5.4 Показатели товарной структуры и качества древесины хвойных насаждений, пройденных рубками ухода и комплексным уходом, к возрасту сплошной рубки…………………………………………. 5.5 Результаты воздействия комплексного ухода на структуру и качественные показатели древесины сосново-елового древостоя…. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………… Библиографический список ……………………………………………….. Приложения…………………………………………………………………...

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время перед лесным хозяйством стоят задачи улучшения воспроизводства и использования лесных ресурсов, а также осуществление постепенного перехода к ведению лесного хозяйства на принципах непрерывного и рационального лесопользования. Здесь следует увязывать задачу улучшения лесов с потребностью в досрочном, раньше наступления спелости, пользовании древесиной. Решение этих задач в первую очередь связано с применением современных, научно обоснованных технологий лесовыращивания и лесопользования.

Одним из путей увеличения выхода продукции с единицы лесопокрытой площади и повышения ее качества является использование в практике рациональных систем ухода за лесом. Эффективность и качество ухода за лесом во многом зависят и от того, какую цель ставит перед собой хозяйство. На практике эта идея может быть реализована посредством применения целевых программ ухода за лесом. Уход за лесом растянут во времени на весь период лесовыращивания и на каждом возрастном этапе имеет свои особенности.

Сформировать высокопродуктивный древостой заданной товарной структуры можно систематическими рубками ухода. Но рубки ухода за лесом были и остаются трудоемким, сложным и проблематичным лесохозяйственным мероприятием. Одним из путей повышения эффективности ухода за лесом стало внесение в разреженные насаждения минеральных удобрений, т.е. использование комплексного ухода за лесом.

В 1960-е годы во многих европейских странах были заложены опыты с рубками ухода и внесением удобрений по программе JUFRO (Международного союза лесных исследовательских организаций). В 1964 году такие опыты были заложены в Брянской области, несколько позднее – в Сиверском лесхозе ЛенНИИЛХа и в Карелии (Петрозаводская ЛОС). Все эти опыты доказали целесообразность и перспективность комплексного ухода, выявили особенности и возможности его применения в разных лесорастительных условиях.

Опыты с рубками ухода и внесением удобрений были заложены в Сиверском лесхозе ЛенНИИЛХа в 1970-х гг. под руководством проф.

С.Н.Сеннова. На основании этих опытов были получены данные о положительном воздействии комплексного ухода на прирост древесины, ее качество, форму и полнодревесность ствола в сосновых и еловых насаждениях. Исследовались также реакции лесных фитоценозов, их отдельных компонентов на комплексный уход.

Сосна и ель относятся к основным лесообразующим породам таежной зоны. В их реакции на комплексный уход проявляется много сходства, но экологические свойства сосны, особенно ее светолюбие, невысокая потребность в элементах питания и малая требовательность к почвам обусловливают ряд особенностей, отличающих ее от удобренных ельников.

До настоящего времени почти не уделялось внимания сравнительной комплексной оценке структурных и функциональных изменений в сосновых и еловых фитоценозах под воздействием регулярного комплексного ухода за лесом. Вместе с тем, такая оценка необходима в целях более корректного и дифференцированного планирования ухода за этими насаждениями.

В связи с вышесказанным заявленная тема исследовательской работы является актуальной.

Представленная работа является продолжением исследований, начатых сотрудниками ЛенНИИЛХа и СПбГЛТА в целях изучения влияния рубок ухода и комплексного ухода за лесом на продуктивность и устойчивость чистых хвойных древостоев.

Целью исследования является выявление закономерностей функционирования хвойных лесных фитоценозов под воздействием регулярных рубок ухода и комплексного ухода, установление общих тенденций и различий в реакции на уход сосновых и еловых древостоев.

В соответствии с поставленной целью исследования предусматривалось решение следующих задач:

1) Изучение реакции сосновых и еловых древостоев на регулярные рубки ухода и комплексный уход.

2) Оценка повышения продуктивности и параметров устойчивости фитоценозов под воздействием рубок ухода и комплексного ухода.

3) Выявление структурных и функциональных изменений в сосняках и ельниках под воздействием рубок ухода и комплексного ухода.

4) Изучение структурных изменений в строении древесины (годичных колец) хвойных пород на объектах рубок ухода и комплексного ухода за лесом.

5) Изучение показателей плотности и анатомического строения древесины хвойных пород на объектах рубок ухода и комплексного ухода за лесом.

6) Уточнение режима рубок ухода и комплексного ухода в сосновых, еловых и сосново-еловых древостоях.

По материалам исследований были получены следующие результаты:

1) Дана сравнительная комплексная оценка структурных и функциональных изменений в сосновых и еловых фитоценозах под воздействием регулярных рубок ухода комплексного ухода за лесом.

2) Выявлены закономерности изменений в системе «Продуктивность – устойчивость – видовое разнообразие лесных фитоценозов» под влиянием рубок ухода и комплексного ухода за лесом.

3) Выявлены биолого-экологические различия в реакции сосны и ели на рубки ухода и комплексный уход.

4) Получены математические модели, характеризующие зависимость продуктивности и устойчивости сосновых и еловых древостоев от климатических показателей.

5) Выявлены закономерности количественного распределения доли ранней и поздней древесины в приросте древостоя и деревьев разных ступеней толщины на исследуемых объектах ухода за лесом.

6) Установлено влияние режима ухода за насаждениями на показатели средней базисной плотности древесины деревьев разных категорий крупности.

7) Выявлены сходные закономерности и различия во влиянии разных режимов ухода на показатели плотности и анатомического строения древесины хвойных пород в сосновых, еловых и сосново-еловых древостоях;

8) Внесены коррективы в программы комплексного ухода за лесом, обеспечивающие оптимизацию режимов формирования высокопродуктивных чистых и смешанных хвойных древостоев с высокими техническими характеристиками древесного сырья.

Результаты исследования могут использоваться для разработки и корректировки целевых программ формирования высокопродуктивных чистых и смешанных хвойных древостоев с высокими техническими показателями древесного сырья. Выявленные закономерности позволяют прогнозировать изменение структуры древостоя, показателей плотности древесины, содержания доли ранней и поздней древесины у деревьев разных категорий крупности, а также выход сортиментов к возрасту рубки спелого древостоя в зависимости от режима ухода за насаждением.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются значительным объемом экспериментального материала, полученного на стационарных объектах с 40-летним сроком наблюдений и неоднократным повторением приемов рубок ухода и комплексного ухода. При этом использованы современные методы сбора и обработки экспериментальных данных, элементы системного подхода к решению конкретных задач исследования. Полученный материал обрабатывался методами математической статистики с помощью приложения Microsoft Excel и пакета прикладных программ Statistika, достоверность различия между показателями определялась на 95-процентном доверительном уровне по критерию Стьюдента.

Исследование осуществлялось в тесной связи с планом научноисследовательских работ кафедры лесоводства Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета по темам:

1) Основные закономерности, динамика и меры регулирования восстановительных процессов в нарушенных хозяйственным воздействием лесных фитоценозах Северо-Запада России, 2004 г.

2) Совершенствование мер хозяйственного воздействия на лесные экосистемы в целях повышения устойчивости и биоразнообразия лесов Северо-Запада Российской Федерации, 2004-2005 гг.

3) Лесоводственно-экологическая оценка структурных и функциональных изменений в нарушенных хозяйственным воздействием лесных экосистемах Северо-Запада России, 2004-2007 гг.

4) Комплексная оценка состояния, динамики, ресурсного и воспроизодственного потенциала лесных экосистем, подвергающихся хозяйственному воздействию на Северо-Западе России, 2006-2010 гг.

5) Исследование восстановительного потенциала лесных фитоценозов в условиях активного хозяйственного воздействия» – 2008-2010 гг.

6) Лесоводственная оценка хозяйственного воздействия на лесные экосистемы: продуктивность, устойчивость, биоразнообразие лесных фитоценозов, 2011-2012 гг.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Комплексным уходом называют целенаправленное и регламентированное сочетание рубок ухода с внесением удобрений, иногда с обрезкой сучьев. Основной интерес, как объект лесовыращивания в системе комплексного ухода, представляют чистые хвойные и хвойно-лиственные насаждения.

Возникновение интереса к комплексному уходу является следствием поиска мер, направленных на повышение продуктивности древостоев и ускоренное лесовыращивание.

Появление комплексного ухода является результатом развития теории и практики ухода за лесом. К комплексному уходу обратились тогда, когда стало ясно, что одними, хотя бы и хорошо регламентированными, рубками ухода, общую производительность древостоев повысить нельзя (Гуман, 1929; Давыдов, 1936; Георгиевский, 1957; Сеннов, 1977, 1984, 1999; Буш, Иевинь, 1984; Мельников, 1999). Без активного воздействия на лесорастительный комплекс и улучшения условий минерального питания эту проблему не решить. Исключения могут быть сделаны для смешанных двухъярусных древостоев, но и здесь возможности рубок оказываются заметно ограниченными.

Другой причиной, вызвавшей такой интерес к удобрениям, явилось прогрессирующее повышение уровня механизации рубок, что неизбежно вело к их дальнейшей технологизации. В реальных условиях это сопровождалось повышением интенсивности рубок. Усилилась опасность перерубов, снижения запасов и устойчивости формируемых древостоев, ухудшения их санитарного состояния. Компенсировать недостатки интенсивных механизированных рубок можно путем их четкой регламентации, усиления контроля за качеством работ, а также стимулируя восстановительные процессы в разреженных древостоях (Мельников, 1990, 1999; Сеннов, 1984).

Первое возможно с помощью программ рубок ухода за лесом, последнее связано с применением удобрений, которые реально повышают текущий прирост, ускоряют восстановительные реакции не только в древостое, но и в других компонентах лесного фитоценоза (Сеннов, 1984; Пшеничникова, 1986; Рихтер, 1986; Банева, 1986, 1990; Луганский, 1994; Мельников, 1999). Именно в этот период, в конце 1960-х и начале 1970-х годов, усиливается интерес к минеральным удобрениям, и начинаются активные эксперименты с ними в лесу.

Возможность использования удобрений для повышения продуктивности лесов отмечалась давно. Опыты по применению в лесном хозяйстве минеральных удобрений в России были проведены впервые в питомнике Петровской дачи, нынешней ТСХА, в 1868-1895 гг. В.И. Советовым. В Европе в 1887 г. французский исследователь Шефалииер де Вальдроме в 5летнем опыте с азотными минеральными удобрениями достиг увеличения прироста древесины дуба на 40%, а при внесении в почву сульфата аммония – на 24%, извести – на 17% (Луганский, Залесов, Щавровский, 1995). В Бельгии опытные работы по применению удобрений в лесу ведутся с г., в Германии они начаты в Вюртемберге в 1883 г., в странах Скандинавии: Швеции с 1897 г., в Финляндии с 1910 г. (Nutrition of trees, 1989). За рубежом опыты с удобрениями были заложены в начале XX века в лесах Германии (Мелехов, 1972; Kraub, Behm, 1978). Но только в 1950-60-х годах в связи с развитием туковой промышленности началось интенсивное удобрение лесов: сначала в опытном порядке, а затем и в более широкой практике лесного хозяйства (Исаков, 1971).

Особенно широко стали применять удобрения в странах Скандинавии. В Швеции с 1966 по 1983 гг. ежегодно удобрялось 100-189 тыс. га леса, в Финляндии в 1970-1977 гг. – 141-244 тыс. га (Kraub, Behm, 1978; Паавилайнен Ээро, 1983; Hansson Arne, 1984; Skogsgodsligen fortsatten att minska, 1985). При этом широко практиковалось внесение удобрений в средневозрастные и приспевающие хвойные древостои, особенно за несколько лет до главной рубки.

В лесах США удобрения вносили в основном в лесные культуры хвойных пород. К 1986 г. в равнинных условиях Юго-Востока и в горных лесах Северо-Запада на Тихоокеанском побережье, где этот вид ухода давал наибольший биологический и экономический эффект, было удобрено около 1 млн. га насаждений дугласовой пихты, 480 тыс. га сосны ладанной, 280 тыс. га сосны Эллиота (Allen H.L., 1987).

К концу века в этих странах оказалась удобренной большая часть насаждений, пригодных для этой цели. Соответственно наметилась тенденция к снижению темпов удобрения лесов.

В нашей стране научно-исследовательские работы, связанные с аналогичной тематикой, развернулись в 1970-х годах. Ленинградский НИИ лесного хозяйства совместно с ВНИИСХ СП ГА и Псковской ЛОС провел исследования по применению минеральных удобрений в лесах СевероЗапада таежной зоны с использованием авиации. Основной объем работ проводился в средневозрастных, приспевающих и спелых сосняках и ельниках Ленинградской и Псковской областей.

Семилетний опыт ЛенНИИЛХа показал, что под воздействием минеральных удобрений повышается прирост еловых культур по высоте на 20сосновых – на 15-30% по сравнению с контролем (Мойко, Стратонович, 1986).

На основании полученных данных была разработана методика подбора объектов, технология внесения удобрений, определены дозы для хвойных древостоев Северо-Запада таежной зоны и установлена очередность удобрения лесных объектов: питомники, семенные плантации, школы, плантации новогодних елок, постоянные семенные участки, промышленные плантации быстрорастущих и технических пород, приспевающие и спелые древостои сосны и ели, лесные культуры ценных пород (Мойко, Стратонович, 1986).

Вместе с тем, выяснилось, что применение удобрений в лесу требует не менее четкой регламентации, чем рубки ухода. Их эффективность обусловлена правильностью выбора объекта, режима ухода за лесом и дозы вносимого удобрения.

Кроме того, далеко не всегда оказывается выгодным удобрять неразреженные, неухоженные насаждения. Без предварительной подготовки объектов, целенаправленного разреживания древостоев или лесоосушительной мелиорации, применение удобрений может не дать того эффекта, на который можно было бы рассчитывать. Об этом свидетельствуют и данные американских исследователей по изучению влияния удобрений на рост хвойных пород. Они отмечают, что положительный эффект от применения удобрений значительно усиливается (в 2-3 раза), если удобрение сочетают с прореживанием насаждений (Allen H.L., 1987). Необходимость согласованной регламентации рубок ухода и внесения удобрений вызвала появление программ комплексного ухода за лесом, посредством которых оптимизируется уход за насаждениями в целях достижения хозяйственно необходимого эффекта, как правило, при возможном минимуме затрат (Чибисов, Поротов, 1982; Синькевич, 1984; Сеннов, Максимов, Мельников, 1984; Сеннов, Банева, Игнатьев и др., 1985; Мельников, 1986, 1990, 1999; Мартынов и др., 1991).

Таким образом, при комплексном уходе сочетаются положительные результаты рубок ухода и применения удобрений в лесу. Задачи, решаемые каждым из этих видов ухода в отдельности, различны, но вместе они, во-первых, позволяют добиться качественно нового эффекта и, во-вторых, устраняют или хотя бы частично сглаживают негативные моменты как рубок, так и удобрений (Мельников, 1990, 1999).

Большинство опытов с комплексным уходом доказали целесообразность комплексного ухода и позволили выявить ряд преимуществ данной системы перед раздельным применением рубок ухода и удобрений. Они заключаются в следующем:

1) Рубками ухода нельзя увеличить прирост древостоя в целом. Внесение удобрений обеспечивает такое увеличение.

2) После разреживания не наблюдается усиления роста наиболее перспективных крупных деревьев. На удобрение они отзываются в первую очередь.

3) После рубок ухода нарушается соотношение между массой кроны и ствола, разрастается крона, особенно в первые, годы. Удобрение увеличивает прирост ствола и восстанавливает структуру надземной фитомассы.

4) Разреживание замедляет процесс отмирания ветвей, обрезка исправляет этот недостаток. Внесение удобрений ускоряет рост деревьев с укороченной кроной и зарастание срезов.

5) Внесение удобрений без рубок ухода приводит к улучшению роста деревьев пониженного качества. Сочетание обоих мероприятий исправляет эту погрешность.

Начиная с 1970-х годов, комплексный уход как лесоводственную систему начали внедрять в производство. Для комплексного ухода обычно подбирали чистые и смешанные хвойные древостои в возрасте 30-40 лет.

Рубки ухода - поздние прореживания или ранние проходные, проводили по соответствующим правилам, но с более высокой (на 5-10%) интенсивностью. Если комплексный уход начинали позднее, в древостоях более старшего возраста, то в этом случае селекционный эффект рубки ослаблялся и результаты ухода были ниже (Мартынов и др., 1991; Мельников, 1999).

Удобрения вносили в насаждение, как правило, в начале вегетационного сезона (в мае-начале июня). При невозможности соблюдения этих сроков удобрение переносили на осень, до выпадения устойчивого снежного покрова. Основными удобрениями, применяемыми в лесу, являлись азотные (мочевина, аммиачная селитра) или комплексные азотсодержащие (аммофос, нитроаммофос).

Такой подбор удобрений был обусловлен тем, что азот является основным элементом, в котором лесные растения обычно испытывают недостаток. Внесение дополнительного азота практически всегда стимулирует вегетативную функцию растений, включая древесные породы. Применение азотных удобрений дает положительные результаты, как на минеральных, так и на торфянистых и торфяных почвах. Но и в том, и в другом случае важнейшим условием является нормальная дренированность почв (Мартынов и др., 1991; Мельников, 1999).

Американские исследователи утверждают также, что сбалансированное удобрение, особенно с внесением препаратов калия, способствует повышению устойчивости насаждений к вредителям и болезням (Allen H.L., 1987).

Оптимальной рекомендованной дозой удобрений в лесу является 150-180 кг/га азота (по действующему веществу). С увеличением дозы эффект повышается, но одновременно увеличиваются непроизводительные потери азота (газообразные и водные), возрастают расходы на удобрение.

Чрезмерные дозы могут повреждать корневые окончания древесных растений и на некоторое время даже затормозить их рост. Уменьшенные дозы азота не дают существенного повышения прироста, но улучшают физиологическое состояние растений и активизируют обменные процессы в фитоценозе. Обычно такие дозы применяют в молодняках естественного и искусственного происхождения, в насаждениях, ослабленных болезнями, антропогенными и техногенными нагрузками, а также в профилактических целях (Мартынов и др., 1991; Мельников, 1999).

Сроки эффективного действия азотного удобрения, применяемого в оптимальной дозе 150-180 кг/га по действующему веществу, варьируют в пределах 7-10 лет. Последующие приемы комплексного ухода повышают эффект предыдущих (Шумаков, 1975; Синькевич, 1984, 1993; Булавик, Победов, 1985; Мальцев, Баркова, 1986; Мельников, 1990, 1992, 1999).

Наибольший интерес к комплексному уходу за лесом проявился в 1980-х – начале 1990-х гг. Именно тогда были получены основные результаты и накоплен опыт применения данной системы на практике.

К середине 1990-х гг. было накоплено достаточно материалов, позволяющих подвести некоторые итоги исследований комплексного ухода за лесом. Однако большинство из них касаются влияния комплексного ухода на рост древостоев и связаны, прежде всего, с такими таксационными показателями, как дополнительный прирост и общая производительность.

Большинство исследователей считают, что показателем эффективности комплексного ухода за лесом является, прежде всего, дополнительный прирост. Согласно литературным источникам, дополнительный прирост от удобрения, реализуемого в системе комплексного ухода, определенный путем сравнения изменения запасов древостоев, разреженных с удобрением и без удобрения, варьирует в пределах 1,5-2,0 м3/га в год за десятилетие, но в высокопродуктивных насаждениях он может достигать вдвоевтрое больших величин по сравнению с неразреженными (Синькевич, 1984; Казимиров, Горбунова, 1984, 1986; Мельников, 1990, 1992, 1999).

Механизм такого увеличения дополнительного прироста во многом не ясен. При этом следует отметить, что рубки ухода повышают эффективность применения удобрений, увеличивая дополнительный прирост более ценной, оставшейся после рубки части древостоя. Удобрение, активизируя восстановительные реакции в разреженном древостое, делает более динамичным и управляемым процесс формирования хозяйственно ценного насаждения (Сляднев, 1970; Паршевников, Бахвалов, Серый, 1983, 1984;

Паршевников, Бахвалов, Черных, 1984; Победов, 1984; Победов, Булавик, Лебедев, 1984; Шпалте, 1984, 1986; Клинов, 1985; Коржицкий, 1985; Ковалев, Ковалев, 1986; Мельников, 1999).

Комплексный уход, как правило, позволяет получить больший лесоводственный эффект, чем суммарный эффект от рубок и удобрений, взятых в отдельности (Haapen Tapani, Hari Pertti, Kellomaki Seppo, 1979;

Синькевич, 1984; Нестерович, Новикова, Рахтеенко):

В 30-летних ельниках мшистых в результате комплексного ухода был получен дополнительный прирост 5,3 м3/га, тогда как в раздельных вариантах удобрения и разреживания – соответственно 2,3 и 1,3 м3/га (Новикова, 1986).

В приспевающем сосняке проходная рубка обеспечила ежегодный дополнительный прирост 0,70 м3/га древесины, азотное удобрение кг/га по действующему веществу – 1,33 м3/га, сочетание рубки с удобрением – 2,62 м3/га (Шпалте, 1986).

В средневозрастном березово-еловом двухъярусном древостое в варианте с комплексным уходом был получен дополнительный прирост 2,2 м3/га в год за десятилетие, тогда как положительной реакции на удобрение со стороны неразреженного древостоя не отмечалось вовсе (Мельников, 1984, 1986, 1990, 1992, 1999).

Эти примеры наглядно показывают более высокую эффективность действия удобрений в предварительно разреженных насаждениях.

Эффективность действия удобрения в значительной мере зависит от интенсивности разреживания древостоя. После разреживания резко снижается корненасыщенность почвы, в результате чего происходят потери элементов питания, вносимых с удобрениями. Так, по данным канадских исследователей после рубки насаждения ели черной интенсивностью 25% и внесения удобрения в дозе 112 кг/га азота текущий прирост по запасу увеличился в 2,3 раза, тогда как при выборке 50% запаса и такой же дозе азота прирост повысился в 2,5 раза (Wetman G.F., Roberge m.B., Meng C.H., 1980). В вариантах рубок, но без применения удобрений, в первом случае наблюдалось увеличение прироста в 1,3 раза, а во втором – в 2,1 раза. Это свидетельствует о менее эффективном действии удобрения в сильно разреженном древостое.

Однако существует мнение о том, что азотные удобрения дают больший эффект в неразреженных древостоях (Клоков, 1984). Это можно объяснить различными условиями, в которых проводились эксперименты с рубками и удобрениями, а также многофакторностью, определяющей величину дополнительного прироста. Кроме того, следует отметить, что высокий эффект от удобрений действительно возможен без предварительного разреживания, но при условии ослабленной конкуренции в данном древостое (Мельников, 1990, 1992, 1999).

В целом же, в образовании сложносоставной величины дополнительного прироста доля влияния удобрений варьирует от 37 до 96% (Клоков, 1984; Сарнацкий, 1984, 1986; Тялли, 1986). При этом необходимо учитывать, что деревья разных ранговых групп неодинаково реагируют на изменение среды. Так, в приспевающем ельнике за счет улучшения условий освещенности крон формируется 57% дополнительного прироста деревьев низших рангов, за счет повышения уровня минерального питания (удобрения) - 43%. У крупных деревьев это соотношение меняется в пользу удобрения и составляет соответственно 37 и 63%. После первого приема комплексного ухода относительный прирост деревьев всех рангов повышается примерно в равной степени (на 30-40%), но затем, по мере смыкания полога древостоя, повторные удобрения уже заметно слабее стимулируют прирост отставшей в росте части древостоя. Прирост крупных деревьев, напротив, даже усиливается (Бочаров, 1979; Бочаров, Петров, 1983;

Азниев, Сарнацкий, Рихтер, 1984; Клоков, 1984; Минин, 1985, Мельников, 1990, 1992, 1999).

Приведенные выше примеры свидетельствуют также и о том, что величина дополнительного прироста изменяется в зависимости от породного состава древостоя. Однако в литературных источниках практически отсутствует информация о закономерностях изменения величины дополнительного прироста в зависимости от древесной породы и типа леса под влиянием комплексного ухода за лесом. В то же время знание этих закономерностей позволит более дифференцированно планировать уход за той или иной породой, в том или ином типе леса.

Конкретнее речь об этом пойдет в одном из разделов данной работы.

Не меньше вопросов возникает при изучении информации о влиянии рубок ухода, удобрений и комплексного ухода на общую производительность древостоев. Длительные, более чем 60-летние эксперименты на пробных площадях дали убедительное доказательство того, что с помощью одних лишь рубок ухода, даже тщательно регламентируемых, общей производительности древостоев повысить нельзя (Сеннов, 1977, 1984). Удобрения же способны повысить общую производительность разреживаемых рубками насаждений на 10-15% (Синькевич, 1984; Мельников, 1999). Однако эти данные получены 15-20 лет назад в 50-60-летних древостоях. Поэтому для получения более объективной оценки возможности повышения производительности насаждений с помощью комплексного ухода за лесом к возрасту главной рубки требуются дальнейшие исследования в этом направлении с более длительным сроком наблюдений.

Одной из центральных проблем в лесоводстве является проблема устойчивости насаждений в условиях антропогенного воздействия. Обычно имеют в виду устойчивость при конкретных воздействиях, предполагая, что система должна быть устойчивой к одному виду воздействия и неустойчивой – к другому. В нашем исследовании мы будем рассматривать устойчивость лесного биогеоценоза к разным режимам комплексного ухода за лесом. Данному вопросу до настоящего времени практически не уделялось должного внимания.

Несмотря на кажущуюся простоту и очевидность такого понятия, как устойчивость, до сих пор в экологии не выработано его однозначного общепринятого понимания, отсутствуют также соответствующие удовлетворительные математические формулировки. Устойчивость связана с целым рядом других терминов, близких по содержанию: целостность, стабильность, живучесть, надежность, норма, инвариантность, адаптация, гомеостаз и др. (Соловьев, 1985, 1987).

По мнению (Соловьев, 1985, 1987), для описания устойчивости экосистемы наиболее важны, во-первых, понятия резистентности, упругости, гомеостаза, гемоотакса, не связанные непосредственно со временем, и, вовторых, релаксация, гомеорез и инерционность, связанные с изменениями экосистемы во времени. Именно их и следует рассматривать, исследуя устойчивость лесной экосистемы к воздействию извне, в данном случае к применению комплексного ухода за лесом.

Устойчивость экосистемы в значительной степени определяется устойчивостью биоценоза (Соловьев, 1987). Соответственно устойчивость лесного фитоценоза определяется устойчивостью его компонентов и, прежде всего, его эдификатора и доминанта, т.е. древостоя. Наиболее ярко отражает устойчивость древостоя динамика текущего прироста, отпад и их соотношение. По этим показателям можно судить о скорости восстановления параметров древостоя после воздействия на него извне. Однако данных, позволяющих сделать какие-либо окончательные выводы, на наш взгляд недостаточно, и поэтому требуются дополнительные исследования.

Об особенностях проявления конкуренции в древостое и о мере его устойчивости можно судить и по динамике распределения деревьев по ступеням толщины. Как отмечает, Е.С. Мельников (1999) анализ структуры чистых еловых древостоев подтверждает факт ослабления внутривидовой конкуренции в древостое и повышения его устойчивости в результате комплексного ухода. В то же время С.М. Синькевич (1984) ранее отмечал, что в чистых сосновых насаждениях удобрения не повлияли на конкурентные отношения в разреженном древостое. Подтвердить или опровергнуть имеющиеся данные возможно только при дальнейшем сравнительном анализе структурных изменений в сосновых и еловых древостоях под воздействием регулярного комплексного ухода за лесом, что и предполагается сделать в данной диссертационной работе.

Как уже отмечалось выше, устойчивость лесного фитоценоза к воздействию извне в целом определяется устойчивостью всех его компонентов, в том числе устойчивостью нижних ярусов растительности.

Удобрения, внесенные в разреженные хвойные насаждения, интенсифицируя биокруговорот, стимулируют развитие более динамичных и продуктивных видов (трав), при этом заметно ослабляются позиции более консервативных видов (мхов и кустарничков) (Банева, 1991; Мельников, 1999; Григорьева, 2005). Потребляя преимущественно нитратный азот, растительность живого напочвенного покрова поддерживает благоприятный для древостоя баланс межу аммонийными и нитратными формами азота в почве (Мельников, 1999). Дальнейшие исследования в этом направлении позволят выявить взаимосвязи между видовым разнообразием, продуктивностью и устойчивостью фитоценоза.

Литературные данные о влиянии комплексного ухода за лесом на структурные изменения в подросте и подлеске касаются, главным образом, лиственно-еловых и еловых насаждений.

Удобрения, внесенные в спелый березово-еловый древостой кисличного типа леса, изменяют характер межвидовых отношений. Доминирующий березовый ярус, повышая свой прирост, сдерживает развитие формирующегося яруса подлеска и ослабляет позиции ели второго яруса. В насаждении создаются благоприятные условия для появления и роста молодой генерации ели. Процесс формирования яруса подроста и подлеска растягивается на 15-17 лет, однако, впоследствии начинается возрастное усиление отпада березы и роль эдификатора постепенно переходит к ели – условия появления и развития подроста под пологом удобренного древостоя заметно ухудшаются. Процесс формирования подроста под пологом удобренного древостоя начинает тормозиться. В менее продуктивном ельнике черничном, приспевающем к возрасту главной рубки, условия для развития подлеска изначально неблагоприятны и здесь удобрения, наоборот, стимулировали появление подроста ели (Мельников, 1999).

Информации о развитии подлеска и подроста под влиянием комплексного ухода за лесом в сосновых древостоях немного и, соответственно, этот вопрос требует дальнейшей более детальной проработки.

Комплексный уход за лесом влияет на почвенные процессы (Лосицкий, 1937; Зонн, 1974; Мишустин, 1985; Малюкович, 1986; Угаров, 1986;

Мельников, 1999). Он активизирует жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, в результате чего усиливаются процессы минерализации органического вещества в почве. В результате изменяется толщина подстилки.

В первые годы после ухода она может уменьшаться на 30% (Синькевич С.М., Мельницкая Г.Б., Синькевич Т.А., 1986). Чем интенсивнее разреживание, тем тоньше становится слой подстилки. После полного удаления лиственного яруса в смешанных древостоях масса подстилки снижается в 2,2-2,5 раза (Мельников, 1989, 1990, 1999).

Исследования показывают, что уменьшение массы подстилки происходит, главным образом, за счет увеличения поступления солнечной радиации к поверхности почвы, активизации обменных процессов, а также уменьшения массы органического вещества, поступающего в почву с опадом. Если в разреженный древостой удобрения не вносили, то в первые годы после рубки заметно активизируются процессы разложения только в гумусовом горизонте, тогда как в самом верхнем слое, т.е. в подстилке, эти процессы могут даже замедляться. При внесении удобрения эти процессы заметно активизируются: в зависимости от состава древостоя, лесорастительных и погодных условий разложение органического вещества в почве, включая подстилку, ускоряется на 8-60% (Валк, 1979; Егорова, 1986;

Ушакова, 1986; Мельников, 1989, 1990, 1992, 1999; Синькевич Т.А., Синькевич С.М., 1991). Этот эффект достоверно проявляется на второй год после внесения удобрения, достигает максимума на 3-5-й год (в зависимости от погодных условий) и остается вполне заметным в последующие 3-4 года (Мельников, 1989, 1990, 1992, 1999).

За счет разрастания трав, постепенного увеличения опада древесных пород, при общей интенсификации биокруговорота поступление органического вещества в почву начинает восстанавливаться и первоначальная разница между удобренными и неудобренными вариантами сглаживается.

Значительную роль в балансе органического вещества в почве, особенно в первые годы после комплексного ухода, играют корни срубленных деревьев, особенно лиственных пород (Новикова, 1986).

Таким образом, благодаря комплексному уходу происходит усиление продукционных процессов и биокруговорота в лесной экосистеме (Казимиров, Морозова, 1973; Казимиров, Морозова, Куликова, 1979; Ильюшенко, Кошельков, 1979; Сарнацкий, 1984; Новикова, 1986; Мельников, 1989, 1990, 1992, 1999; Синькевич Т.А., Синькевич С.М., 1991). Невостребованная древостоем часть дополнительных ресурсов перехватывается усиленно разрастающейся травяной растительностью и вовлекается в малый биокруговорот (Паавилайнен Ээро, 1983; Вомперская, ПетроваСпиридонова, 1984; Банева, 1985; Ильина, Балашова, Мальшуков, 1986;

Рихтер, 1986). Другая часть этих ресурсов иммобилизуется почвенным микробоценозом, что особенно характерно для насаждений со слабо развитым живым напочвенным покровом. Таким путем реализуется ресурсосберегающая функция экосистемы: значительно удлиняются сроки действия удобрения, предотвращаются газообразные и инфильтрационные потери его подвижных форм.

Но при этом не следует забывать, что существенная черта удобрений лесов – его комплексное влияние на лесную экосистему, в том числе на почву и прилегающие водные экосистемы.

В литературе особое внимание уделяется загрязнению природных вод азотными удобрениями ввиду опасности нитратного азота – конечного продукта превращения азота удобрений в почве – для здоровья людей и животных. Исследования последних лет показали, что чаще всего это возникает в тех случаях, когда сочетаются нитратная и бактериальная загрязненность воды, в частности, coli-бактериями, способствующими восстановлению нитратов в нитриты. При отсутствии бактериального загрязнения даже относительно высокое содержание нитратов в воде не вызывает отравлений (Borchmann W. еt al., 1981).

Азот выносится в водные объекты в основном со стоком с сельскохозяйственных угодий. Ранее считалось, что от 35 до 75% общего выноса азота с дренируемых территорий приходится на минеральные удобрения.

Исследования, проведенные с применением метода меченых атомов, позволили вычленить в составе общих потерь долю почвенного азота и азота удобрений (Башкин, Кудеярова, 1981).

Так, H.Kuntze (1980), приводя данные об источниках загрязнения природных вод в ФРГ, относит на минеральные удобрения лишь 10% общего загрязнения вод азотом.

Проведенные за рубежом и в нашей стране исследования подтверждают невозможность загрязнения грунтовых вод вследствие вымывания нитратов из почв, удобренных в дозах 120-180 кг/га по д.в. (Никитишин, 1979; Безлюдный и др., 1982; Karpenstein M., 1982; Salade et Nitrate, 1983).

Приближение срока внесения азота к моменту активного потребления его растениями сокращает потери азота на вымывание, повышает эффективность азотных удобрений и, таким образом, способствует охране вод от загрязнения.

Английские исследователи считают, что при внесении азотных удобрений в период активного роста растений весь поступающий азот используется растениями. Вымыванию подвергается азот, содержащийся в органическом веществе почвы. При условии своевременного внесения азотных удобрений связь между нормами внесения и размером вымывания азота не прослеживается (Башкин и др., 1980; Allen H.L., 1987).

Исследования последствий внесения удобрений в районе произрастания дугласии на западе штатов Вашингтон и Орегон, показали, что вскоре после внесения этих удобрений наблюдалось увеличение содержания азота в реках, но максимальные концентрации разных растворимых форм азота все же не приближаются к токсическим уровням. Растительность по берегам рек и различные речные организмы быстро потребляли азот, поступающий в лесные реки, причем в нижнем течении этих рек концентрация азота еще больше понижалась. В водораздельных лесах осторожное внесение удобрений (особенно, если избегать непосредственного их попадания в реки при рассеивании с воздуха), очевидно, не представляет угрозы загрязнения воды, если вода, содержащая питательные вещества, поступает в реки путем инфильтрации (Спурр, Барнес, 1984).

Таким образом, при соблюдении правил, сроков и норм внесения минеральных удобрений в лесу загрязнения грунтовых вод не происходит.

Этот вывод можно отнести и к почвам (Синькевич, 1984; Мельников, 1990, 1999; Люлькович, 2005).

Необходимо отдельно остановится на экспериментах по применению комплексного ухода за лесом в древостоях разного состава средней тайги.

Как уже отмечалось выше, такие опыты были заложены в Сиверском лесхозе Ленинградской области в 70-80-е гг. ХХ столетия в сосновых, еловых и лиственно-еловых, а также сосново-еловых древостоях.

Наибольшее внимание исследователями было уделено лиственноеловым древостоям, прежде всего, по причине возможного их переформирования в чистые ельники. Это внимание акцентировано на уходе за смешанным лиственно-еловым древостоем или за полностью осветленным рубкой еловым ярусом (Великотный, 1979, Сеннов, 1980, 1984, 1986;

Мельников, 1998, 1999). Отмечается неэффективность применения удобрений в неразреженных средневозрастных древостоях, в которых наблюдается непродуктивное разрастание кроновой фитомассы (Мельников, 1990, 1991, 1992).

Эксперименты показали, что сбалансированного и стабильного высокого прироста елового яруса можно ожидать в 35-40-летних древостоях с участием березы (лиственных) в составе не более 2-3 единиц и густотой верхнего яруса около 150 деревьев на гектар, что согласуется и с прежними рекомендациями, ограничивающими примесь лиственных в ельниках до 1-2 единиц (Ткаченко, 1952). На более поздних возрастных этапах эти параметры должны поддерживаться, густота верхнего яруса может снижаться. Вместе с тем, из-за опережающего роста ели последующее увеличение доли участия лиственных в составе становится маловероятным, что делает ненужным регулирование их густоты при повторных приемах рубок. Расстояние между деревьями верхнего яруса должно быть не менее двойного радиуса их крон. В этом случае роль эдификатора переходит к ели и впоследствии, к возрасту главной рубки, можно будет получить высокопродуктивный древостой с высокими запасами еловой и березовой древесины (Великотный, 1979, Серяков, Ильюшенко, 1986; Мельников, 1999).

Если же лесовыращивание ориентируется на получение высококачественной хвойной продукции, то лиственный ярус удаляется полностью на относительно ранних этапах, по крайней мере, в возрасте 40 лет.

Как правило, адаптация осветленного елового яруса проходит успешно, даже после резкого одноприемного удаления лиственных. При условии проведения двухприемной рубки в верхнем ярусе со вторым приемом запаздывать нельзя, поскольку это неотвратимо ведет к снижению эффективности первого приема. Если есть необходимость проведения двухприемной рубки в верхнем ярусе (при его высокой исходной полноте – 0,7 и выше), то лучше повторить рубку через 5, самое большое – 10 лет (Мельников, 1999).

При этом реакция лиственно-еловых древостоев на удобрение проявляется в зависимости от их возраста (Мельников, 1990, 1999):

в спелом древостое в первом десятилетии после внесения удобрения устойчивость деревьев в обоих ярусах повышается;

в средневозрастном высокополнотном насаждении, наоборот, усиливается отпад.

Большое внимание уделено исследователями влиянию комплексного ухода на чистые еловые древостои. Данные многочисленных исследований подтверждают целесообразность его проведения в этих насаждениях (Мельников, 1986, 1988, 1989, 1990, 1992, 1999; Грязькин А. В., Мельников, 1985; Банева, 1986; Грязькин, 2001). Об этом свидетельствуют и первые результаты опытов с комплексным уходом в Сиверском лесхозе, подведенные 10 лет назад. Исследователями отмечается, что после внесения азотного удобрения прирост разреженного елового древостоя быстро повышается, достигая уровня контроля к концу первого десятилетия. Быстрее восстанавливаются запасы и общая производительность. Величина дополнительного прироста составила в ельнике черничном и кисличном 2,3 и 5,2 м3/га в год за первое десятилетие, или 16,7 и 37,7% от величины текущего прироста. В следующем десятилетии, после повторного приема комплексного ухода, дополнительный прирост составил в ельнике черничном 1,9 м3/га в год (18,4%), в ельнике кисличном – 2,8 м3/га в год (30,4%).

Срок эффективного действия разовой дозы удобрения (150 кг/га по д.в.) равен 10-15 годам (Мельников, 1990, 1999).

Следует отметить, что эти данные были получены 10-15 лет назад, а новые результаты, соответственно, требуют подведения итогов уже следующего этапа последействия удобрений, примененных в системе комплексного ухода за лесом.

Не меньший интерес должны представлять и сосново-еловые древостои как весьма ценные и перспективные объекты интенсивного лесовыращивания. Однако данные о применении комплексного ухода в этих насаждениях единичны (Мельников, 1999). В то же время эксперименты с комплексным уходом в Сиверском лесхозе Ленинградской области показали, что в сосново-еловых древостоях удобрения повышают прирост сосны на фоне некоторого снижения прироста ели. При этом результат оказывается выше там, где сосна доминирует в составе. Кроме того, удобрение стимулирует усиление отпада ели в 3-3,5 раза, тогда как отпад сосны существенно уменьшается. Эффект оказывается выше не только там, где сосна преобладает в составе, но и характеризуется большей густотой. Эти данные свидетельствуют об усилении межвидовой конкуренции в удобренном сосново-еловом древостое. Сосна оказывается более конкурентоспособной породой в освоении дополнительных ресурсов. Таким образом, сосна вводит ограничение на пользование дополнительными ресурсами для ели второго яруса и оказывается ее сильным конкурентом. Это необходимо иметь ввиду при уходе за сосново-еловыми древостоями, ориентируясь при этом на выращивание смешанных древостоев с равным участием в составе сосны и ели. Если же возникнет необходимость добиться лучших результатов для ели, то доля сосны в общем составе должна быть снижена до 2-3 единиц и даже менее. Такая мера приведет к нарушению ценотической, популяционной целостности соснового яруса и резкому ослаблению его конкурентоспособности, что не может не отразиться на приросте ели.

Темпы ее роста повысятся, увеличится продуктивность елового яруса, основная цель комплексного ухода будет достигнута при поддержании смешанного состава древостоя и сохранении ценной примеси сосны (Мельников, 1999).

Совсем мало изучено, на наш взгляд, влияние комплексного ухода на чистые сосновые древостои. Данные, которые имеются в литературе, малочисленны и достаточно противоречивы. Так по результатам исследований С.М. Синькевича (1984 г.) с помощью комплексного ухода в подзоне южной тайги можно получить дополнительный прирост от 2,1 до 2,8 м3/га.

Однако уже через 10 лет, как отмечает Е.С. Мельников, эта величина может варьировать в сосняках южной тайги в пределах 0,3-5,7 м3/га (Мельников, 1999). При этом оба исследователя считают, что действие удобрений продолжается не менее 10 лет, т.е. совпадает со сроком действия удобрений в ельниках, а с этим вряд ли можно согласиться, так как сосна и ель характеризуются разными экологическими свойствами и стратегиями формирования и развития.

Таким образом, литературные источники свидетельствуют о высокой эффективности комплексного ухода за лесом. Регулярными разреживаниями обеспечивается формирование древостоев хозяйственнонеобходимого состава, структуры и качества, удобрениями – ускоренное восстановление текущего прироста и запаса, повышение общей производительности этих древостоев. Следствием внесения азотных удобрений является также повышение биологической активности и уровня актуального плодородия почвы, что сопровождается интенсификацией биокруговорота элементов питания. Вследствие этого ускоряются восстановительные процессы не только в разреженном древостое, но и в фитоценозе, во всех его структурных звеньях.

Первые исследования связи технических свойств и качества древесины хвойных пород с анатомическим строением были проведены Р. Гартигом и его учениками (Германия) (Бюсген М., 1961; Angelstam P., 1998).

Они пришли к выводу, что строение трахеид полностью объясняет колебания объемного веса древесины хвойных пород. Изменение плотности древесины хвойных с возрастом часто завуалировано различием плодородия почв, степенью сомкнутости крон и другими факторами. Низкое участие поздней древесины в годичном кольце приводит к меньшей плотности древесины (Бюсген М., 1961). Все мероприятия и условия, которые повышают долю поздней древесины, увеличивают ее качество. Также ими был сделан вывод, что условия произрастания хвойных пород и повышение плотности древесины зависит от почвенных условий – чем богаче почвы, тем выше плотность древесины. Отечественными лесоводами и древесиноведами (Вихров, 1965; Меле, 1974; Спурр С. Г., Барнес, 1984; Полубояринов, 1986; Рябоконь, 1990; Пшеничникова, 2008; Tuula Jyske, 2008), также в дальнейшем указывалось, что качество древесины и в частности ее плотность связаны с условиями произрастания и географическими факторами. О влиянии состава насаждения на строение древесины указывалось в работах Т.А. Мелеховой (1954, 1961); И.С. Мелехова (1972), В.Д. Ломова (1984); В.А. Корчагова и В.И. Мелехова (2009).

Совместное выращивание сосны с елью и формирование высокопродуктивных смешанных сосново-еловых древостоев оказывает положительное влияние на макростроение и плотность выращиваемых пород, дает высокую балансовую продуктивность данных насаждений (Юревич, 2004;

Коренев, 2008).

Соотношение между степенью и характером разреживания древостоев и плотностью образующейся древесины представляет собой важный, но мало изученный аспект всей проблемы рубок ухода, поскольку с плотностью древесины связана производительность насаждения, определяемая по содержанию сухого вещества (Полубояринов, Федоров, 1984).

Получены противоречивые результаты по влиянию рубок ухода на плотность древесины хвойных пород в разных климатических условиях.

По данным шведских исследователей плотность древесины ели снижается в большей степени, чем сосны после разреживания. В Соединенных Штатах в опытах с сосной ладанной не было установлено достоверных различий плотности древесины в разрежинных и неразрежинных древостоях.

Гильдельбрант (Германия) отмечал, что условия местопроизрастания, определяют изменения плотности древесины в разреженных рубками ельниках (Бюсген М., 1961). При более сильном разреживании в лучших условиях произрастания происходило снижение плотности древесины. В Финляндии Viro (1967) указывал на то, что снижение плотности древесины у хвойных пород после рубок проявлялось незначительно. В России также давно проводятся исследования по этому вопросу и так же полученные результаты различаются в зависимости от места и возраста изучаемых древостоев. После рубок ухода, без внесения удобрения по данным Р.П. Исаевой, Г.В. Курбатова и К.И. Шахова (1991), в условиях средней тайги, плотность древесины у ели возросла. У Т.А. Мелеховой (1961), исследовавшей разреженные ельники в Архангельской области, получены сходные результаты повышения плотности древесины. У А.Г. Чибисова (2004) в опытах по влиянию коридорного ухода в древостоях ели плотность древесины возросла на 20%. В своих исследованиях А.А. Смирнов (2004) также не выявил уменьшения плотности древесины после рубок ухода в ельниках Ленинградской области.

Однако рубки ухода иногда приводят к снижению плотности древесины. По данным А.В. Давыдова (1971), С.Н. Сеннова (1980) и других наблюдается снижение плотности древесины ели до 10% от контроля без рубок. Увеличение плотности древесины сосны после рубок ухода отмечали Е.В. Рябуха (1975), А.П. Сляднев (1972). Снижение плотности древесины сосны после разреживания наблюдали О.И. Полубояринов (1984, 1986), А.П. Рябоконь (1990), С.М. Синкевич (1981).

Влияние внесения удобрений и рубок ухода на плотность древесины рассматривалось в работах А.П. Сляднева (1972), И.С. Гелес (1984), О.И. Полубояринова (1984, 1986), А.П. Рябоконь (1990), А.А. Смирнова (2004), И.И. Степаненко (2008), С.А. Корчагова (2009) и др.

В зарубежных странах большое внимание исследованию плотности древесины уделяли Viro P.G. (1967), Mrling Т. (2002), Lundgren C. (2003), Allen H.L. (1987) и др.

Анализ литературных источников показывает, что в зависимости от хвойной породы и природных условий, базисная плотность древесины, после применения различных вариантов и доз вносимого удобрения на фоне возросшего прироста имеет разные показатели. Вид вносимого удобрения в зависимости от основного элемента – азота, фосфора, калия или совместного их использования также в неодинаковой мере влияет на изменение плотности древесины хвойных пород. Опыты, проводимые в таежной зоне, показали, что применение азотно-фосфорных удобрений приводит к некоторому снижению плотности древесины сосны (Гелес, 1984; Корчагов, 2009; Степаненко, 2009), в то же время применение только азотных не выявило этой тенденции.

На осушенных почвах не происходит достоверного снижения плотности древесины после проходных рубок и внесения минеральных удобрений (Кистерная, 2007). Ряд исследователей наблюдают некоторое снижение плотности древесины хвойных после комплексного ухода (Синкевич, 1981; Вярбила, 1981; Коржицкий, 1985; Юревич, 2004).

Однако, как показал анализ последних литературных данных, за прошедшее время большинство отечественных исследователей (Полубояринов, 1976, 1984, 1986; Паршевников, 1983; Гелес, 1981; Бабич, 2008;

Степаненко, 2009) у нас сходятся на том, что азотные удобрения и рубки увеличивают базисную плотность древесины хвойных пород или, по крайней мере, ее не снижают (Смирнов, 2007; Корчагов, 2009).

В зарубежных странах исследования по влиянию удобрений на базисную плотность древесины также показывают различные результаты Robert M., 1972; Zobel B.J., 1989; Mrling, T., 2002; Lundgren C., 2003;

Vanclay J.K., 2003; Балоде В., 2004; Tuula Jyske, 2008; Laurence R., 2008). В целом, наблюдается тенденция роста базисной плотности древесины после комплексного ухода у хвойных пород, что подтверждается длительными исследованиями, в независимости от региона.

Таким образом, на основании вышеизложенного, можно заключить, что в зависимости от породы, условий произрастания, режима ухода, формируется определенный тип структуры древесины. Строение древесины обуславливается факторами роста, питания и развития деревьев в условиях произрастания, характерных для них. Различия в строении древесины хвойных пород проявляется в границах, тех основных признаков, которые у конкретного вида закреплены генетически. В основном при этом меняются размеры элементов и соотношения тканей. Возникшие соотношения тканей и размер элементов нужны дереву для физиологических проявлений в различных условиях внешней среды.

Однако изменения в структуре древесины могут быть вызваны необеспеченностью пластическими веществами или необходимостью размещения на меньшей площади определенного количества водопроводящих элементов (Яценко-Хмелевский, 1954). Выпадение зоны поздней древесины связано не с отсутствием потребности дерева в механической ткани, а с невозможностью ее формирования в тех или иных условиях внешней среды лимитирующей прирост древесины. Поэтому изучение взаимосвязей условий среды, физиологических и анатомических изменений древесины хвойных пород и лесохозяйственных воздействий на них, приводящих к изменению плотности древесины, представляется необходимым.

ГЛАВА 2 ОБЩЕМЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД

К ИССЛЕДОВАНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ УХОДА

ЗА ЛЕСОМ В ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗАХ

Лесной биогеоценоз является исключительно сложным объектом системных исследований, обладающим целым рядом свойств, в числе которых длительность развития древостоя; целостность; взаимосвязь компонентов; открытость; зависимость от внешних условий, например, от соседних участков или от погодных условий; структурно-функциональная сложность; динамичность; зависимость поведения от исторических причин. Поэтому изучение любого воздействия извне на лес должно осуществляться одновременно на организменном, популяционном, биоценотическом и, в конечном счете, биогеоценотическом, или системном уровне.

Свойствами лесной экосистемы объясняется и сложность методики исследований эффективности комплексного ухода за лесом, так как:

1) Эксперименты должны быть длительными. Нужно обеспечить преемственность. Для этого закладываются постоянные пробные площади в опытных лесничествах и лесхозах, на лесных опытных станциях.

2) Реакция лесного биогеоценоза на комплексный уход проявляется устойчиво, но направление реализации восстановительных функций носит вероятностный характер. Поэтому необходимо обеспечить как можно большее количество вариантов и повторностей опыта с последующей математической обработкой результатов, хотя это и достаточно сложно выполнить на практике.

3) Исследования должны быть системными, т.е. необходимо изучать взаимосвязи частей и целого, и, в то же время, комплексными, т.е. одновременно следует рассматривать влияние комплексного ухода на древостой, остальную растительность и почву. При этом не стоит забывать, что комплексный подход является всего лишь особой разновидностью системного, и использование первого отдельно от второго приводит к утрате в нем научного смысла. В таких случаях комплексные исследования сохраняют лишь обыденное содержание в виде стремления охватить как можно больше сторон, свойств, компонентов явлений.

До сих пор по многим вопросам теории и практики комплексного ухода за лесом существуют различные, иногда противоречивые, мнения.

Объединить существующие методики и устранить возникающие при оценке хозяйственного эффекта от данного вида ухода противоречия может только такой метод исследования, при котором внимание акцентируется на целостности лесной экосистемы. Таким универсальным методом познавательной деятельности, применимым для оценки хозяйственного эффекта от комплексного ухода за лесом, является системный подход (Берталанфи фон Л., 1969; Блауберг, Садовский, Юдин, 1969).

Системные исследования возникли как реакция на неспособность с помощью «традиционных» методов адекватно описать так называемые «большие системы», которым свойственно наличие большого числа элементов, многообразие связей между компонентами, а также причинноследственных отношений вероятностного характера как внутри системы, так и в ее взаимодействии со средой. Непременным параметром больших систем выступают процессы управления и саморегуляции, а в наиболее сложных системах – самоорганизации (Рапопорт, 1969; Геодакян, 1970;

Садовский, 1974; Уемов, 1978). Надорганизменным системам присуща динамичность, отсутствие жесткого программного развития, потенциальная «бессмертность» (Коган, Наумов, Режабек, Чораян, 1977). Системность является одним из атрибутов реальности и выступает в качестве одного из средств ее познания.

Для получения объективных результатов следует осуществлять исследования эффективности комплексного ухода за лесом в три взаимосвязанных этапа:

а) этап накопления экспериментального материала;

б) анализ и теоретическое осмысление накопленного экспериментального материала;

в) использование результатов исследования на практике.

На каждом из этапов решаются свои, вполне определенные задачи.

На этапе накопления эмпирического материала первоначально разрозненные данные постепенно выстраиваются в определенную схему и дают начало формированию системы знаний о закономерностях построения и функционирования лесного биогеоценоза как одной из самых сложных природных систем. На этапе анализа и теоретического осмысления накопленного экспериментального материала исследования эффективности комплексного ухода за лесом имеют своей целью, прежде всего, анализ структурно-функциональных связей в лесной экосистеме. Поэтому их целесообразно проводить по двум направлениям: в первую очередь, изучая структуру (компоненты экосистемы, иерархию отношений между ними и слагающими их элементами), во вторую, - функциональные проявления в экосистеме (например, через биокруговорот, его звенья, выявление роли отдельных компонентов).

Рассматривая структурно-функциональные особенности и историю развития лесного биогеоценоза, прежде всего, необходимо уделять внимание пространственной организации растительных сообществ. Характер пространственного расположения элементов в системе может служить признаком упорядоченности, с одной стороны, неустойчивости, с другой (Рапопорт, 1969). Первое характерно для взрослой части популяции, второе – для молодняка (Тимофеев-Ресовский, Яблоков, Глотов, 1973). Данное положение относится и к фитоценозам, последовательно проходящим в своем развитии разные этапы развития: от формирования молодняков до распада древостоя. Можно допустить, что именно для последнего характерен максимум упорядоченности в системе, тогда как в молодом возрасте наблюдается ее относительный минимум (Мельников, 1999). Такое предположение подтверждается и при анализе изменения структуры древостоя.

Здесь наблюдается последовательное, с течением времени, изменение характера размещения деревьев на площади: от группового к равномерному (Грейг-Смит П., 1967; Сеннов, 1993). При этом на разных этапах развития проявляется действие механизмов, организующих сообщество, поддерживающих его устойчивость и сохраняющих его способность к развитию. На каждом возрастном этапе фитоценозу присущи свои функциональные особенности, а организация системы соответствует этим функциям (Мельников, 1999).

Изучая влияние комплексного ухода на устойчивость лесной экосистемы, следует учитывать, что уровни организации живого вещества в этой системе различны, поэтому необходимо четко разделять информацию, полученную на уровне сообщества, популяции или организма.

Для каждого из этих уровней организации характерна, с одной стороны, определенная степень самостоятельности, с другой, зависимость от факторов внешней и внутренней среды, структурных уровней более высокого или низкого порядка. С первым свойством связано стремление системы к развитию, со вторым – поддержание устойчивости и сохранение целостности экосистемы более высокого порядка. Результирующей проявления и того, и другого свойства становится стабильно устойчивое состояние не только экосистемы, но и тех компонентов, которые включены в нее (Мельников, 1999). Применение комплексного ухода за лесом изменяет баланс между этими составляющими, что неизбежно приводит к выходу и компонентов, и системы из состояния подвижного устойчивого равновесия. При этом удобрение, вносимое в лесную экосистему, организуется последней как вид дополнительной энергии. Соответственно, оно поддерживает и даже укрепляет структуру системы, хотя и вызывает в ней определенные изменения. Опыты показывают, что удобрения, как правило, очень быстро включаются в систему посредством биокруговорота, интенсифицируют восстановительные процессы, укрепляют структуру и повышают устойчивость фитоценозов. При этом удобрения, в первую очередь, укрепляют наиболее важные звенья структуры, реализуясь в тех функциях системы, которые оказываются наиболее необходимыми и актуальными на конкретном этапе ее развития. В результате создаются условия для повышения продуктивности фитоценоза, которая является критерием оценки изменений в экосистеме, поскольку реализация потенциальной продуктивности в конкретных лесорастительных условиях является важнейшей функцией любой лесной экосистемы. Такой критерий может быть применен не только к фитоценозу в целом, но и к любому из его компонентов.

На следующем этапе, по мере восстановления нарушенных функций, вновь усиливается воздействие на систему сдерживающих факторов внешнего и внутреннего порядка. Происходит возврат к «норме», хотя уже на несколько ином уровне функционирования и с измененной структурой. Такое положение характерно практически для всех ярусов лесной растительности и фитоценоза в целом, которые изучались в экспериментах с рубками и удобрениями (Мельников, 1999).

На основании результатов, полученных на первом и втором этапе исследования, мы сможем дать практические рекомендации, связанные, прежде всего, с регламентацией комплексного ухода за лесом.

Режим данного лесохозяйственного мероприятия, с одной стороны, должен быть нацелен на получение максимального экономического эффекта, а, с другой стороны, ни в коем случае не явиться причиной разрушения естественной лесной экосистемы. Комплексный уход за лесом не наносит вреда лесному биогеоценозу, если его состояние после применение данного хозяйственного мероприятия отвечает следующим основным требованиям (Шварц,1976):

1) Высокая продуктивность, обеспечивающая быструю компенсацию возможных потерь на отдельных уровнях пищевой сети в результате флуктуаций или преднамеренных воздействий.

2) Устойчивость биогеоценоза на широком диапазоне внешних воздействий, гомеостаз всех компонентов, включая атмосферу с ее характерным газовым составом и почву с ее гидрологическим режимом.

3) Большая скорость биологического круговорота веществ, обеспечивающая вовлечение в круговорот наибольшего количества вещества в течение минимального числа годичных циклов и самоочищение биогеоценоза.

4) Способность к быстрой перестройке структуры биоценоза и эволюционному преобразованию популяций доминантов, что обеспечивает функционирование биогеоценоза при изменении внешних условий.

Таким образом, системный подход и знание свойств лесного биогеоценоза помогут выявить наиболее характерные закономерности его развития, определить структуру и главные направления исследования, осуществить синтез разрозненных данных и, соответственно, дать рекомендации по применению более корректных и дифференцированных мер хозяйственного воздействия на лес.

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА, МЕТОДИКА

И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При составлении программы исследования основное внимание уделено тем вопросам, решение которых позволит дать сравнительную комплексную оценку структурных и функциональных изменений в хвойных лесных фитоценозах под воздействием регулярных рубок ухода и комплексного ухода; выявить общие тенденции и биолого-экологические различия в реакции сосны и ели на рубки ухода и комплексный уход; установить закономерности изменений в системе «Продуктивность – устойчивость – видовое разнообразие лесных фитоценозов». Благодаря информации, которая получена на опытных объектах более чем за 40-летний период, становится возможным по-новому оценить сложившуюся систему рубок ухода и комплексного ухода и скорректировать программы формирования и выращивания высокопродуктивных сосновых и еловых насаждений разного целевого назначения с учетом их биолого-экологических особенностей (Атрохин, 1967).

Программа исследования включает следующие вопросы:

1) Дать сравнительную оценку влияния рубок ухода и комплексного ухода на рост и продуктивность сосновых и еловых древостоев.

2) Выявить параметры устойчивости насаждений под влиянием рубок ухода и комплексного ухода.

3) Выявить структурные и функциональные изменения в сосняках и ельниках под воздействием рубок ухода и комплексного ухода.

4) Оценить воздействие рубок ухода и комплексного ухода на видовое разнообразие напочвенной растительности в сосновых и еловых древостоях.

5) Выявить закономерности изменений в системе «Продуктивность – устойчивость – видовое разнообразие лесных фитоценозов» под влиянием рубок ухода и комплексного ухода за лесом.

6) Установить зависимость таксационных показателей от погодных условий.

7) Изучить структурные изменения в строении древесины хвойных пород на объектах рубок ухода и комплексного ухода за лесом.

8) Изучить показатели плотности и анатомического строения древесины хвойных пород на объектах ухода за лесом.

9) Дать рекомендации по оптимизации режима рубок ухода и комплексного ухода в сосновых, еловых и сосново-еловых древостоях.

Блок-схема научного исследования приведена на рис.1.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Выявление закономерностей функционирования под воздействием регулярных рубок ухода и комплексного ухода, установление общих тенденций и различий в реакции

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Изучение реакции сосновых и еловых древостоев на регулярные рубки ухода и комплексный

РЕЗУЛЬТАТ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Рис.1. Блок-схема научного исследования Исследования осуществлялись на постоянных пробных площадях.

Применялся сравнительный анализ данных, полученных в разных вариантах опыта (Давыдов, 1971; Сеннов, 1978).

1. Влияние рубок ухода и комплексного ухода на рост и продуктивность сосновых и еловых древостоев.

Древостой играет основную, эдификаторную роль в формировании внутренней среды и структуры лесного биогеоценоза. От реакции древостоя на рубки ухода и комплексный уход во многом зависит характер развития других ярусов растительности и биогеоценоза в целом. Анализ структурных и функциональных изменений, вызванных в древостое разреживаниями и действием удобрений, позволяет изучить восстановительные реакции, особенности распределения дополнительных ресурсов в фитоценозе и во многом объяснить реакцию на уход со стороны других его компонентов. Непосредственное наблюдение за ходом роста древостоя дает возможность прогнозировать изменение его продуктивности и товарной структуры, что является необходимым условием для расчета программ рубок ухода и комплексного ухода за лесом.

В рамках данного вопроса изучались: величина дополнительного прироста древостоев; общая производительность и продуктивность древостоев.

1.1. Расчету величины дополнительного прироста древостоя предшествовало определение его текущего прироста. Применялся метод сплошных перечетов на постоянных пробных площадях, традиционный для исследовательских работ на данных объектах (Давыдов, 1971; Сеннов, 1977).

Период повторности таксации – 5 лет. Замер диаметров деревьев осуществлялся с точностью до 1 мм металлической мерной вилкой в двух взаимоперпендикулярных направлениях на высоте 1,3 м от шейки корня. В каждой ступени толщины (по породам) с помощью высотомера измеряли высоту не менее 5 деревьев. Полученные данные выравнивались графически и использовались для определения разрядов высот по ступеням толщины.

Запасы вычисляли по таблицам высот и объемов стволов (в коре) для древостоев Ленинградской, Архангельской и Вологодской областей (Третьяков, Горский, Самойлович, 1952). Точность определения запасов – около 3% (Сеннов, 1977). Расчет текущего прироста выполнялся в соответствии с ГОСТ 18264-72.

1.2. Дополнительный прирост при одинаковых исходных запасах определялся как разница между накопленными запасами древостоев после комплексного ухода за лесом и разреженного без применения удобрений.

1.3. Общая производительность древостоев определялась как суммарный запас стволовой древесины с учетом отпада и древесины, вырубленной при рубках ухода.

1.4. Продуктивность древостоя определялась как суммарный запас стволовой древесины с учетом древесины от рубок ухода.

2. Для выявления параметров устойчивости сосновых и еловых насаждений под воздействием рубок ухода и комплексного ухода анализировались:

интенсивность восстановления текущего прироста после рубок ухода и комплексного ухода за лесом;

величина и структура отпада;

соотношение величин текущего прироста и отпада.

Эти данные дают возможность судить о характере и напряженности конкурентных отношений в древостое, его устойчивости и, соответственно, успешности того или иного хозяйственного воздействия. Точность определения величины отпада не превышает +3%.

3. Выявление структурных и функциональных изменений в сосняках и ельниках под воздействием рубок ухода и комплексного ухода.

3.1. Структурные изменения в древостое.

Выявление структурных изменений в сосновых и еловых древостоях под воздействием рубок ухода и комплексного ухода осуществлялось при анализе рядов распределения деревьев по ступеням толщины. Эти данные позволяют определить пути реализации дополнительных ресурсов (удобрений) в древостое, выявить механизмы их закрепления и вовлечения в биокруговорот, уточнить исчисляемый обычным (таксационным) методом эффект от рубок ухода и комплексного ухода, а также выявить внутриструктурные изменения в древостое, являющиеся результатом восстановительных реакций и реализации ресурсосберегающей функции в ценозе.

3.2. Изменения в структуре нижних ярусов растительности и воздействие рубок ухода и комплексного ухода на видовое разнообразие лесных фитоценозов.

Наблюдение за развитием подлеска и живого напочвенного покрова, а также ходом естественного лесовозобновления под пологом разреженных и удобренных древостоев позволяет глубже понять роль этих компонентов в восстановительных реакциях фитоценоза, сохранении его устойчивости и повышении продуктивности, интенсификации биокруговорота.

Появляется возможность проследить пути реализации дополнительных ресурсов (удобрений) в фитоценозе, наблюдать, как изменяется характер сукцессии. Все это позволяет получить информацию, необходимую для прогнозирования результатов рубок ухода и комплексного ухода, включая заключительные этапы лесовыращивания. В результате расширяется база объективных данных, которые должны приниматься во внимание при корректировке режима ухода за лесом.

3.2.1. При изучении влияния рубок ухода и комплексного ухода на видовой состав и структуру живого напочвенного покрова основное внимание уделялось определению видового разнообразия и проективного покрытия. Применялась общепринятая методика учета растений на однометровых учетных площадках (Гришина, Самойлова, 1971; Базилевич, Титлянова, Смирнов и др., 1978; Карпачевский, Воронин, Дмитриев и др., 1984). Площадки закладывались на трансектах с расчетом их максимально равномерного размещения на пробной площади. На каждой площади учетные работы производили на 20 площадках. Определяли степень проективного покрытия по видам на средней площадке и пробной площади в целом.

Простым суммированием показателей по всем видам (отдельно для травяно-кустарничкового и мохового ярусов) определяли суммарное проективное покрытие растительности живого напочвенного покрова.

3.2.2. Учет подроста осуществлялся на 10-метровых круговых площадках, закладываемых на трансектах равномерно по площади. Количество площадок варьировало от 40 до 60 штук в зависимости от размера пробной площади (Грязькин, 2001). Вычислялись средние показатели густоты подроста на учетную площадку с последующим переводом на всю пробную площадь.

3.2.3. Подлесок учитывался на тех же учетных круговых площадках, что и подрост.

4. Выявление закономерностей изменений в системе «Продуктивность – устойчивость – видовое разнообразие лесных фитоценозов» под влиянием рубок ухода и комплексного ухода за лесом. Информация, полученная в ходе проработки предыдущих программных вопросов, явилась фактической основой для теоретических обобщений по данному вопросу.

5. Уточнение режима комплексного ухода в сосновых и еловых древостоях.

5.1. При рассмотрении данного вопроса основная задача заключалась в корректировке ранее составленных целевых программ комплексного ухода за лесом с учетом биолого-экологических различий в реакции сосны и ели на комплексный уход.

В процессе исследования выполнен следующий объем работ: периодически проводилась повторная таксация на 13 пробных площадях; выполнен учет живого напочвенного покрова на 5 пробных площадях; выполнен учет подроста и подлеска на 14 пробных площадях; проведена камеральная обработка данных; получены математические модели, отражающие зависимость таксационных показателей от погодных условий;

изучены структурные изменения в строении древесины, показатели плотности и анатомического строения хвойных пород на 10 пробных площадях.

Объектами исследования являются чистые средневозрастные сосновые и еловые насаждения разных классов бонитета и типов леса (табл.1).

Краткая характеристика постоянных пробных площадей (1974, трехкратно е удобрение (1974, 1979, 1986 гг.) 1993 гг. ) удобрение 1983 гг.) Примечание. Наименование почвы приводится по отчетам лаборатории почвоведения ЛенНИИЛХа (1985 г.).

рубка гг.) + дву- 0, 1982 гг.) двукратная (1971, (1971, кратное удобрение (1971 г.) (1971 г.) + удобрение 1982 гг.) (1973 г.) + двукратное 0, удобрение (1974, 1977 гг.) Р/N (1984;

(рубка – Р/N (1984;

1986 гг.) Примечания:

1. Сосновые пробные площади: ПП серии 5 – Дивенское участковое лесничество Гатчинского лесничества, кв.103; ПП серии 6 – Орлинское участковое лесничество Гатчинского лесничества, кв.20 (ПП 6-5, 6-6, 6-9), кв.33 (ПП 6-2, 6-3); ПП серии 12 – Дружносельское участковое лесничество Гатчинского лесничества, кв.8.

2. Еловые пробные площади: ПП серии 10 – Онцевское участковое лесничество Гатчинского лесничества, кв.19; ПП серии 11 – Карташевское участковое лесничество Гатчинского лесничества, кв.23.

3. Сосново-еловые пробные площади: ПП серии 18 – Онцевское участковое лесничество Гатчинского лесничества, кв.6; в числителе – показатели сосновой части древостоя; в знаменателе – показатели еловой части древостоя, возраст на 2009 г. - сосна – 90 лет, ель – 80 лет.

Постоянные пробные площади, заложенные в 1970-х гг. сотрудниками лаборатории лесоводства СПбНИИЛХа (быв. ЛенНИИЛХ) под руководством проф. Сеннова С.Н., расположены на территории опытного лесного хозяйства «Сиверский лес» в Ленинградской области. Во всех случаях выделялись контрольные, разреженные рубками ухода, разреженные и удобренные варианты пробных площадей. Динамика их таксационных показателей приводится в приложениях 1-5.

Территория лесной станции располагается на рубеже Ордовикского (Ижорского) плато и Ильменско-Ладожской низменности в 70 км к югу от Санкт-Петербурга, относится к подзоне средней тайги и характеризуется равнинным рельефом со слабо выраженными повышениями и понижениями местности. Наибольшая высота над уровнем моря достигает 90 м.

Основные лесообразующие породы – ель, сосна, береза и осина.

Средний класс бонитета по хозяйству II, что положительно характеризует природные условия территории. Опытные объекты представлены высокопродуктивными насаждениями Iа-I класса бонитета, произрастающими на дренированных слабоподзолистых почвах. Исключением являются пробные площади серии 10, заложенные в менее производительном ельнике черничном II-III класса бонитета. В отличие от других объектов эта площадь выделяется тяжелым механическим составом почвы, худшими условиями ее дренированности, что является причиной формирования грубого гумуса и сильной оподзоленности. Для некоторых сосняков характерны признаки периодического переувлажнения почв (ПП серий 5 и 12).

Основными почвообразующими породами являются четвертичные моренные, водно-ледниковые и озерно-ледниковые осадки, подстилаемые девонскими песчаниками и песками.

Как правило, почвы характеризуются кислой реакцией. Содержание валового азота в почве находится на низком или среднем уровне обеспеченности, резкое содержание азота в дренированных лесных почвах оказывается тем фактором, который в первую очередь лимитирует рост древостоев. Все это создает предпосылки для обоснованного применения азотных удобрений в лесу. На слабодренированных почвах внесению удобрений должно обязательно предшествовать осушение. Нет оснований, бояться прогрессирующего закисления почвы в результате регулярного применения азотных удобрений, которого в лесу обычно не наблюдается (Мельников, 1999; Мельников, Люлькович, 2004; Люлькович, 2005). Часть почв испытала в прошлом заметное воздействие со стороны человека и вышла из сельскохозяйственного пользования, что, в целом, характерно для многих кисличников Северо-Запада (Лебедев, 1977).

На территории Ленинградской области формируется климат, переходящий от континентального к морскому, с умеренно-теплым летом, довольно продолжительной умеренно-холодной зимой и неустойчивым режимом погоды. Среднесуточная температура за год – +3,5°С. Средняя годовая облачность равна 75%. Число ясных дней в году колеблется от 60 до 75 дней. Пасмурных дней около 180. Продолжительность вегетационного периода – 120-130 дней. Среднее годовое количество осадков – 616 мм.

Число дней с осадками колеблется от 180 до 205 дней. Среднее количество дней со снежным покровом от начала его появления до окончательного схода около 150 дней. Глубина промерзания почвы колеблется от 0,5 до 1, м. Господствующими ветрами являются ветры юго-западного, западного и южного направлений.

Исследования лаборатории почвоведения ЛенНИИЛХа (Чертов и др., 1981) показали, что в условиях Сиверского лесхоза на дренированных почвах уже в июне уровень грунтовых вод опускается ниже 40 см. В этом же месяце в недостаточно дренированных почвах верховодка держится на уровне 20-30 см (серия 10), что ограничивает развитие корневых систем. В дренированных почвах запас влаги в 18-сантиметровем слое составляет 61мм. Минимальное содержание влаги отмечается в июле-августе и составляет 40-50 мм. В засушливый летний период дефицит влаги в почве может лимитировать развитие и продуктивность растений. В целом же, район, в пределах которого расположены опытные объекты, характеризуется благоприятными для внесения удобрений почвенно-климатическими условиями. Считается, что в западных районах нечерноземной зоны повышенная эффективность азотных удобрений отмечается 7-8 лет из 10 (в сельском хозяйстве). Невысокая эффективность удобрений наблюдается только в 5% случаев, что связывают с крайне неблагоприятными погодными условиями – засухой или избыточным выпадением осадков в течение вегетационного периода (Федосеев, 1985).

При определении типов леса пользовались лесотипологической схемой, применяющейся в лесоустройстве и основанной на эдафофитоценотической классификации В.Н. Сукачева. Указанная классификация применяется для идентификации типов леса на пробных площадях на протяжении длительного периода.

Рубки ухода – поздние прореживания или ранние проходные, проводили по соответствующим правилам. Рубка с интенсивностью по запасу до 10% считается очень слабой; 11-20% слабой, 21-30% - умеренной, 31-40% умеренно-сильной, 41-50% - сильной и свыше 50% - очень сильной (Наставление по рубкам ухода, 1994). В качестве удобрения применяли гранулированную мочевину (карбамид), которую разбрасывали вручную по поверхности почвы в ближайший вегетационный период после разреживания древостоя в мае-начале июня в дозе 150 кг/га азота по д.в. за один прием.

Повторяемость внесения удобрения – двух- или трехкратная с интервалом в 5 и 10 лет.

На пробной площади серии 18 после проходной рубки небольшой интенсивности (15%) вносили суперфосфат с помощью МВУ-1 в дозе кг/га по действующему веществу (д.в.), а спустя два года вручную разбрасывали аммиачную селитру в дозе 150 кг/га азота по д.в.

ГЛАВА 4 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ

РУБОК УХОДА И КОМПЛЕКСНОГО УХОДА ЗА ЛЕСОМ

НА ПРОДУКТИВНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ

СОСНОВЫХ И ЕЛОВЫХ ДРЕВОСТОЕВ

Для сосняков и ельников разного возраста и лесотипологической принадлежности характерны как общие тенденции, так и различия в реакции на регулярный комплексный уход. Общие тенденции позволяют установить закономерности функционирования хвойных лесных фитоценозов, выработать требования к режиму и определить задачи данной системы ухода. В то же время различия, выявленные в процессе экспериментов и обусловленные разнообразием лесорастительных условий, таксационных характеристик и биолого-экологическими свойствами пород, дают возможность более корректного назначения ухода за лесом, при котором учитывается специфика объекта.

Древостой является основным компонентом, продуцентом, доминантом и эдификатором фитоценоза. В соответствии с этим он выполняет следующие функции:

1) Транспорт ресурсов.

2) Распределение ресурсов в лесной экосистеме, включая и те из них, которые поступают туда в виде удобрений.

3) Накопление ресурсов (древостоем синтезируется основная масса органического вещества).

Два первых аспекта позволяют дать экологическое обоснование использования комплексного ухода за лесом и касаются такой важной проблемы, какой является устойчивость лесных фитоценозов.

Изучение последнего аспекта дает выход на экономическую оценку эффективности данного мероприятия, связанную, прежде всего, с определением дополнительного прироста и общей производительности и позволяет ответить на вопросы:

1) Повышает ли комплексный уход продуктивность древостоя, и является ли дополнительный прирост адекватным показателем такого повышения?

2) За счет чего формируется и от каких факторов зависит дополнительный прирост?

величина, динамика, время формирования В соответствии с программой исследований на опытных объектах детально анализировалась динамика дополнительного прироста древостоев (табл.2).

Дополнительный прирост в еловых и сосновых древостоях 1973 г. – Р (24%)+У, 1993 г.- Р (16%) 1971 г. – Р (32%)+У Примечание: Р – рубка ухода; У – внесение удобрения.

Проанализируем реакцию ельников на комплексный уход (рис.2). В первое пятилетие величина дополнительного прироста, определенная путем сравнения изменения запасов разреженных с удобрением и без удобрения древостоев, составила в ельнике черничном и кисличном соответственно 2,8 и 6,0 м3/га в год или 26,9 и 50,0% от величины текущего прироста (табл.2). Объясняется это тем, что азотные удобрения в первые годы после внесения стимулируют биологическую активность почвы (Мельников, 1999; Мельников, Люлькович, 2004; Люлькович, 2005). Благодаря этому происходит активное высвобождение почвенных ресурсов, прирост древостоя быстро повышается, интенсивно развивается напочвенная растительность (см. раздел 5.1.2).

Дополнительный прирост Текущий прирост Рис.2. Дополнительный и текущий прирост в сосняках и ельниках В последующем пятилетии и в ельнике черничном, и в кисличном на фоне повышенного дополнительного прироста наблюдалось постепенное его снижение (в 2 и в 1,4 раза соответственно). Снижение прироста отмечалось как в черничнике, где удобрения вносились повторно, так и в кисличнике, где удобрения не вносили. Подобная реакция древостоя указывает на замедленное пользование доступными ресурсами и объясняется следующими причинами:

1) В почве происходит «связывание» подвижного азота микроорганизмами (Мельников, 1999; Мельников, Люлькович, 2004; Люлькович, 2005), и соответственно – «консервация» элементов питания.

2) Внесенное удобрение способствует развитию живого напочвенного покрова (ЖНП) и повышению его продуктивности. За счёт напочвенной растительности активизируется малый биокруговорот, связывающий часть высвобождающихся ресурсов (см. раздел 5.1.2).

3) Важную ресурсосберегающую роль выполняет сам древостой, в котором происходят соответствующие изменения в соотношении между кроновой, подземной и стволовой фитомассой (Мельников, 1999). В результате действия удобрения усиленно развивается ассимиляционный аппарат (кроновая фитомасса) (Мельников, 1999) и масса активных корней (подземная фитомасса) (Банева, 1985). Такая структурная перестройка в древостое сопровождается неизбежными энергетическими и ресурсными затратами.

4) Структурные перестройки затрагивают и сам древостой, где происходит перераспределение прироста между деревьями разных ранговых групп, а в смешанных насаждениях – и пород (Синькевич, 1993; Мельников, 1999).

Таким образом, затраты на структурные перестройки в древостое, усиленное развитие напочвенной растительности и резервирование части ресурсов в ризосфере приводят к снижению дополнительного прироста. Но именно таким путем реализуется ресурсосберегающая функция лесной экосистемы.

Однако, реакция биогеоценоза, в свою очередь, направлена не только на удержание и резервирование этих ресурсов, но и на дальнейшее их использование в биокруговороте. Благодаря этому со временем происходит постепенное вовлечение сохраненных ресурсов в продукционный процесс с последующим увеличением дополнительного прироста, что и наблюдается в следующем пятилетии. После того, как удобрения были внесены в последний раз, дополнительный прирост составил в ельнике черничном 3, м3/га в год (27,1%), в ельнике кисличном – 9,4 м3/га (37,3%), т.е. повысился в 2,2 раза и в первом, и во втором случае. Таким образом, повторное внесение удобрения усиливает и закрепляет эффект предыдущих приемов.

Далее происходит постепенное ослабление действия удобрения, хотя продуктивность древостоя остается повышенной. Срок эффективного действия удобрения определяется примерно в 10-15 лет, затем начинается период затухания действия удобрения, что подтверждается при анализе прироста, содержания подвижного азота в почве и интенсивности разложения почвенной органики (Мельников, 1999; Мельников, Люлькович, 2004;

Люлькович, 2005). Начинает снижаться прирост и разница с разреженным без удобрения вариантом становится все менее заметной. Этот период достаточно длителен: положительное влияние удобрения на прирост фиксируются даже спустя 15 лет после их последнего внесения. Важно отметить, что в конце данного периода прирост не снижался ниже уровня сопоставимого контроля (разреженного без удобрения древостоя). Это позволяет нам говорить о том, что удобрения значительно повышают продуктивность разреженных еловых древостоев.

Для сосняков характерны сходные с ельниками закономерности в реакции на комплексный уход. Вместе с тем, специфические особенности экологии сосны, её светолюбие, невысокая потребность в элементах питания и малая требовательность к почвам, обусловливают характерные отличия ее реакции от реакции удобренных ельников (рис.2).

В первые годы после внесения удобрения активно стимулируют рост разреженных сосняков. Об этом свидетельствует и дополнительный прирост. В сосняках черничных влажных он составил в год 4,8 м3/га (ПП 5и 1,0 м3/га (ПП 12-3), а в брусничных – 3,4 м3/га (ПП 6-6) и 5,0 м3/га (ПП 6-5) или соответственно 38,7; 9,8; 26,2 и 35,7% от текущего прироста.

Таким образом, величина дополнительного прироста в первом пятилетии в ельниках варьирует от 2,8 до 6,0 м3/га в год, а в сосняках от 1,0 до 5,0 м3/га в год. Эти данные не позволяют говорить о более высокой эффективности комплексного ухода в ельниках, но подтверждают несомненный стимулирующий эффект удобрений.