Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ВЛИЯНИЕ ОСУШЕНИЯ И ВЫБОРОЧНЫХ РУБОК В ЕЛОВО-ЛИСТВЕННЫХ ДРЕВОСТОЯХ НА СОСТОЯНИЕ И РОСТ ПОДРОСТА ЕЛИ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕГО УРАЛА

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ОСУШЕНИЯ И ВЫБОРОЧНЫХ РУБОК В ЕЛОВО-ЛИСТВЕННЫХ ДРЕВОСТОЯХ НА СОСТОЯНИЕ И РОСТ ПОДРОСТА ЕЛИ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕГО УРАЛА"

с

На правах рукописи

Грозин Андрей Николаевич

ВЛИЯНИЕ ОСУШЕНИЯ И ВЫБОРОЧНЫХ РУБОК В ЕЛОБО-ЛИСГВЕННЫХ ДРЕВОСТОЯХ НА СОСТОЯНИЕ И РОСТ ПОДРОСТА ЕЛИ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕГО УРАЛА

Специальность 06.03.03 - Лесоведение и лесоводство; лесные пожары и

борьба с ними

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург 2003

Работа выполнена в Уральском государственном лесотехническом университете

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор,

А.С.Чиндяев

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

С.Г.Шиятов

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Н.А.Кряжевских

Ведущее предприятие'. Главное управление природных ресурсов

и охрана окружающей среды по Свердловской области

Защита состоится « 25 » декабря 2003 г. в « 10 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.01 Уральского государственного лесотехнического университета по адресу; 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37. Диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного лесотехнического университета.

Автореферат разослан « ZH » Мо-О^А. 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, J

профессор С.В.Залесоз

Введение

Актуальность темы обусловлена большой заболоченностью лесов гослесфонда Среднего Урала (более 40 %) и отсутствием практического опыта осушения и ведения лесного хозяйства в мелиорируемых лесах.

Лесоболотные биогеоценозы на сегодня едва ли не единственные природные ландшафты, представленные девственными лесами, сохранившими в полной мере свою лесоводственно-таксационную структуру.

Однако в эпоху технического прогресса полностью исключить их из хозяйственного оборота не представляется возможным, особенно в зоне больших лромышленно развитых городов, к которым с полным основанием можно отнести и Екатеринбург. Это и кислородопродуцирующая их роль, н места охоты, сбора ягод и грибов, и увеличение рекреационной емкости территории.

Изучение влияния только двух антропогенных факторов на лесоболотный биогеоценоз - осушения и выборочных рубок показало, что даже только этими факторами можно управлять антропогенными биогеоценозами и вести хозяйство в них в нужном направлении,

И еще один немаловажный аспект данной проблемы - осуществление рационального, неистощительного лесопользования с постоянным естественным лесовозобновлением коренных хвойных пород за счет подроста предварительной и последующей генераций.

В связи с этим изучение устойчивости лесоболотных биогеоценозов и выявление закономерностей трансформации их компонентов под влиянием осушения и выборочных рубок является весьма актуальным и в теоретическом плане, и в практическом отношении.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось изучение лесовозобновительных процессов н влияние на них выборочных рубок в хвой но-лиственных осушаемых древостоях, а также выявление особенностей формирования корневых систем подроста на осушаемых площадях. Для выполнения поставленных задач исследован широкий круг вопросов, связанных с трансформацией компонентов фитоценозов, их количественных и качественных характеристик.

Научная новизна. Впервые на Среднем Урале комплексно изучено влияние осушения и выборочных рубок на состояние и рост подроста ели, а также вопросы формирования корневых систем подроста ели. Исследована динамика роста н численности подроста ели предварительной и последующей генераций на низинных болотах и его реакция на осушение и выборочные рубки. Дана характеристика травяно-кустарничкового яруса и изменение его биологической продуктивности под влиянием осущения и выборочных рубок. Все перечисленное создает опытную базу для дальнейших исследований в этом напрамднии.______

| Г/СХ^ |

и <¿-¿№0? :

Практическая ценность работы. Обоснованы оптимальные полноты для роста н развития подроста ели после выборочных рубок в елово-лнственных осушаемых древостоях. Проведенные исследования строения и структуры корневых систем подроста ели позволяют заменить описательную характеристику их соответствующим математическим выражением, что дает возможность более оперативного и точного выявления не только принципиальных особенностей в строении корневых систем подроста в динамике его развития, но также позволяет обеспечить направленное влияние на их формирование определенными лесокультурными и лесохозяйственными мероприятиями.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит та введения, б глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 193 работы, в том числе 8 на иностранных языках. Основной материал изложен на 130 страницах машинописного текста, имеет 24 таблицы и 15 рисунков.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Положительное влияние осушения на естественное лесовозобновление отмечал еще Е.В.Оппоков (1911) и Ш.Э.Шабак (1915). Исследованиями как в нашей стране (Смоляк, 1954, 1955; Рубцов, 1955, 1961; Пятецкий, 1962; ВомперскиЙ, 1968; Ефремов, 1967, 1972; Медведева, 1971а, 1978; Фехлистов, Байдина, 1979; А.ИАртемьев и др., 1980; Сабо и др, 1981; Шведов, 1981; Тимофеев, 1982; Ипатьев и др„ 1984; Гаврилов, 1994; Чиндяев, 1988, 1995; Чнндяев и др., 1990; Матвеева, Чиндяев, 1996; Матвеева, 1998), так и за рубежом (Шкигшпеп, 1971; Кустаа Сеппяля, 1980; 8ерро Кашш1о, 1985) установлено, что в результате осушения численность подроста увеличивается от 0.5 до 5—14 тыс. шт. на 1 га. Отмечается также, что наиболее успешно лесовозобновление идёт в первые 10 лет осушения, в дальнейшем оно резко снижается (Федотов, 1973; Ефремов и др., 1976; Медведева, 1978; Медведева, Вайнблзт, 1981; Вайнблат, 1982; Тимофеев, 1982).

Известно, что подрост, особенно в раннем возрасте, нуждается в защите со стороны материнского полога от неблагоприятных экологических факторов, в частности низких и высоких температур. Проведение же выборочных рубок с сохранением до 50-70 % материнского полога служит содействием естественному возобновлению. К тому же несплошные рубки улучшают микроклимат, что в целом положительно отражается на лесной экосистеме, в отличие от сплощнолесосечных, которые ведут к отрицательным последствиям (Луганский и др., 1996).

После рубок увеличивается приток солнечной радиации, трансформируется тепловой режим приземных слоев воздуха и почвы.

гидрологический режим территории. Улучшение экологической обстановки под пологом леса активизирует рост подроста ели (Матвеева, 1998; Матвеева, Чиндяев, 2000; Чиндяев, Грози н, 2002).

В отечественной литературе корневым системам древесных пород на осушаемых торфяных почвах отведено скромное место. Имеющиеся работы (Елпатъевский, 1949; Юркевич, Смоляк, 1955; Вомперский, 1968) посвящены главным образом особенностям строения скелетной части корневых систем. Между тем, не говоря о большом научном интересе исследования специфичных корневых систем, формирующихся в особых почвенных условиях, изучение подземной части древостоев на осушаемых торфяниках необходимо для обоснования таких фундаментальных вопросов теории лесоосушения как, например, норма осушения. Следует отметить, что изучению насыщенности почвы корнями в связи со степенью осушения и сезонной динамики почвенно-грунтовых вод, а также условиям жизнедеятельности корней при избытке влаги придается важное значение в работах финских авторов (Ншкап, 1959; Не1кигатеп, 1960). На Среднем Урале эти вопросы остаются практически не изученными. Это и определило программу и методику исследований по данной проблеме.

ГЛАВА 2 ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Свердловская область расположена в глубине материка в пределах Среднего и Северного Урала и на равнинах Западной Сибири, примыкающих к Уралу с востока. Согласно лесорастите л ьному районированию Б .П. Коле сн н кова (1969) район исследований расположен в южно-таежной подзоне тайги Зауральской холмисто-предгорной провинции. По районированию торфяных ресурсов район относится к западной окраине Тагильско-Реже всхог о болотного района Восточного склона Уральского хребта.

Болота и заболоченные земли в Свердловской области занимают второе, после леса, ландшафтообразующие значение. По учету госземфонда и гослесфонда в области числится не менее 2 млн. га болот к более 3,6 млн. га заболоченных лесов, а заболоченность составляет 40, 5 % (Сабо и др., 1981).

В главе приводится описание рельефа, климата, почв и растительности, а также дается характеристика лесных ресурсов и гидролесомелиоративного фовда области.

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ, ОБЪЕМ СОБРАННОГО МАТЕРИАЛА. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1.Программа и методика работ, объем собранного материала.

Программа исследований предусматривала изучение следующих

вопросов:

1. Гидрологический режим осушаемой территории;

2. Влияние осушения на:

- структуру корневых систем подроста ели;

- интенсивность разветвления и количество корней различных порядков, их протяженность;

- пространственное размещение корней, площадь проекции корней, объем почвы, занимаемой корневой системой, глубина ее проникновения;

- влияние осушения на соотношение массы корневой системы и надземной части подроста.

3. Влияние осушения и выборочных рубок на:

- уровень ПГВ;

- динамику роста подроста;

- развитие травяно-кустарничкового покрова;

В основу исследований положены методические разработки ряда авторов: изучение динамики УПГВ - по С.Э.Вомперскому (1964); снегомерные съемки - по Наставлению (1985); наблюдения за глубиной промерзания и оттаивания почвы - по И.М.Нестеренко; закладка 111111 - по В.Г.Рубцову, А.А.Кннзе (1977); продуктивность трявяно-кустарничкового яруса - по ЛЛ. Гришиной, Е.М.Самойловой (1971); изучение подроста — по Кармановой (1970). Подрост на всех ППП учитывался сплошь с разделением его по высоте на 4 группы: 1-я группа высоты - до 0,5; 2-я -0,51-1,00; 3-я - 1,01-1,50; 4-я - 1,51-2,00 м. Раскопка корневых систем подроста - по Колесникову (1972); стереометрический анализ корневых систем подроста-по Калинину (1978,1983). ■

В период исследований (2000-2003гг.) была дополнительно заложена 1 ППП. На 10-ти ППП выполнено 1826 измерений деревьев. Выполнен сплошной перечет подроста на площади 1,97 га. Также выполнено 5908 измерений высоты подроста, прироста по высоте - у 400 экземпляров. Взято (выкопано) 84 модели подроста ели для определения его биометрических и стереометрических характеристик. Произведено более 8000 измерений длинны корней, около 1000 взвешиваний корней и около 300 взвешиваний морфологических частей деревьев (стволиков, ветвей, хвои) в воздушно-сухом состоянии. Для определения продуктивности травяно-кустарничкового яруса заложено 140 площадок размером 0,25x0,25 м, произведено 140 взвешиваний травы в воздушно-сухом состоянии. Наблюдения за гидрологическим режимом территории за вегетационные периоды осуществлялся на протяжении 3-х лет; выполнено 1500замеров уровней почвенно-грунтовых вод; взято более 100 проб снега для определения мощности снежного покрова, его плотности и запаса воды; около 1900 раз определялась мощность промерзшего слоя почвы.

3.2 Характеристика объекта исследований.

Полевые исследования выполнены на опытно-промышленном участке осушения - стационаре «Мостовое» площадью более 190 га, расположенном в кв.5 В ерхяе-Пышм ин ского лесничества

Свердловского опытного лесхоза и в кв. 28 Шитовского лесничества Уралмашевского лесхоза.

Основная часть его представляет собой низинное осоково-сфагновое болото с мощностью торфа до 2,5 м, со смешанными одно и двухъярусными хвойно-лиственными древостоями (Чиидяев и др., 1995).

Осушительные работы проведены зимой 1988-89 гг. под руководством профессора А.С.Чиндяева, Осушители выполнены через 140-160 м в хвойных и 120 м в березовых древостоях. Опытные рубки проведены в зимние периоды 1994-96 гг на площади 7,6 га. Сложные по составу древостой характеризуются V классом бонитета, полнотой от 0,45 до 1,34. С запасами от 90 до 263 м3/га. В этих древостоях достаточно хорошо идет процесс естественного возобновления. Численность подроста еля превышает 3 тыс. шт. га.

ГЛАВА 4 ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Гидрологический режим.

Основной характеристикой водного режима заболоченных, и избыточно увлажненных лесных земель и главным критерием эффективности гидролесомелиорации, как известно, является динамика уровня ПГВ, поскольку она определяет режим влажности вышележащих горизонтов почвы, влияет на изменение всего комплекса экологических условий, а также на производительность древостоев (Вомперский, 1968; Залитис, 1983; Чиндяев, 1989 и др.; Вабиков, 1992; Чиндяев, 1995).

По данным трехлетних наблюдений менее влажным был 2003 г., несмотря на то, что в июне выпало большое количество осадков и уровни ПГВ располагались достаточно высоко. Самым влажным был 2001 г., уровни ПГВ в сентябре поднялись до 30 см, что связано, вероятно, с тем, что максимум осадков пришлось на август-сентябрь. В целом же весь период наблюдения за гидрологическим режимом осушаемой территории характеризуется тем, что после весеннего максимума уровни ПГВ уже к концу июня опускались до 0,3 м (табл. 1).

Средневегетационная величина уровня ПГВ обычно недостаточно характеризует условия водного режима так как не отражает сезонную динамику, однако она считается весьма важной если сопровождается указанием пределов ее колебаний (Вомперский, 1968). Наибольшие колебания уровня ПГВ, равные 64 см, отмечены в 2003 г. вследствие более сухой и теплой погоды, чем в предыдущих годах. Большим колебаниям уровень ПГВ подвержен в июле, и составил 45 см в 2001 г.,

Таблица 1

Динамика уровня ПГ8 на середине между осушительными каналами по ■ • _месяцам, см___

Гол Май Июнь Июль АВГУСТ Сентябрь Средний

2001 13 10-16 20 9-30 46. 23-68 §1 39-71 20 25-35 33 21-44

2002 12 6-18 20 11-30 51 23-78 59 44-74 69 58-80 £ 28-56

2003 16 12-20 18 8-28 58 26-90 63 48-78 58 42-74 43 27-58

Среднее И 9-18 12 9-29 §2 24-79 59 44-74 52 42-63 39 25-53

Контроль 8 5-9 2 6-11 12 9-24 19 15-25 JJB 18-22 И 11-18

Примечание. В числителе — средние значения уровня ПГВ, в знаменателе - пределы их колебаний.

55 см - в 2002 г. и 64 см в 2003 г. Средневегетадионный уровень ПГВ составил по годам соответственно 33,42 и 43 см.

Таким образом, осушительная cert, расположенная через 140 и 160 м в полной мере обеспечивает сброс талых весенних и почвенно-грунтовых вод. Средневегетационный уровень ПГВ за период исследований составил 39 см, то есть корнеобитаемый горизонт почвы был свободен от избытка воды. Иначе говоря, на 15 год осушения каналы продолжают эффективно работать без осуществления их ремонта.

4.2. Глубина промерзания почвы.

Проведенные нами исследования показали, что разреженные древостой существенно влияют на глубину промерзания торфяных почв. Установлено, что глубина промерзания следует за уровнями ПГВ (Чиндяев, 1995). Так в разреженных древостоях зимой 2001-2003 г. мощность снежного покрова колебалась в пределах от 60 до 80 см, а мерзлоты — от 22 до 25 см. В древостоях не подвергавшихся разреживанию мощность снежного покрова составила 45-50 см, а мерзлоты 36 см. Сток с осушаемых площадей продолжается и в холодный период года, за счет чего увеличивается аккумулирующая емкость почвы и уровень ПГВ опускается глубже 100 см. Подобные результаты на Среднем Урале также были получены А.С.Чиндяевым.

Таким образом, в результате проведения выборочных рубок в осушаемых болотных древостоях достигается меньшее по сравнению с неподвергшимися рубке древостоями промерзание торфяной почвы, а следовательно и её более быстрое оттаивание и прогрев весной, что в свою очередь обеспечивает более благоприятный для леса температурный

режим почвы и режим увлажнения в течение мая-июня в период интенсивного роста.

ГЛАВА 5 РОСТ ПОДРОСТА ЕЛИ В БОЛОТНЫХ ДРЕВОСТОЯХ

5.1 Пред варительное лесовозобновление

В болотных древо стоях наибольшее влияние на лесо возобновительные процессы оказывает гидрологический режим территории и как его условие - высокое положение уровня ПГВ, либо длительное подтопление корневых систем в весенне-летний период.

Установлено, что на объекте исследований подрост ели по группам высот распределен неравномерно (табл. 2), Так подроста 1-й (Нср=0,35 м) и 2-й (Нср=0,71 м) групп высот соответственно 47 и 36 % от общего количества, а 3-й (Нср=1,22 м) и 4-й (НсР=],64 м) лншь 11 и 6 %, Такое распределение подроста по группам высот обусловлено тем, что в старшем возрасте подрост подвержен значительному отпаду из-за угнетения материнским пологом.

Таблица 2

Распределение подроста ели предварительной и последующей генераций по группам высот на 14-й год осушения

№ 11Ш1 Расстояние от канала, м Количество подроста по группам высот, шт/га/% Всего, шт/га Среднее, шт/га

1 2 3 . 4

15 10-20 1458/41 1547/44 332/9 184/6 3520/100 3367

21 981/41 957/40 309/13 157/6 2410/100

24 2395/57 1319/32 319/8 133/3 4170/100

12 40-50 2300/59 1064/26 492/13 74/2 3930/100 2643

14 424/23 871/47 295/16 267/14 1860/100

22 1084/51 711/33 237/11 100/5 2140/100

13 65-80 640/36 807/46 193/11 120/7 1760/100 2800

23 1867/49 1289/34 483/13 194/4 3840/100

Сред! шт/га 1389 1064 325 177 2955

% 47 36 11 6 100

Контроль шт/га 1143 587 124 66 1920

% 60 31 6 3 100

С точки зрения возможности формирования нового поколения леса из подроста предварительной генерации очень важен такой показатель, как энергия роста. На высокую жизнеспособность подроста ели в условиях осушения указывает процент прироста в высоту (Ананьев и др., 1989). У

подроста 3-й группы высот он составляет после осушения 123 %, у 4-й -125 %. Подрост ели увеличивает прирост'в высоту и под влиянием выборочных рубок, причем, чем выше подрост (группа высоты), тем большие приросты он формирует. Процент прироста в высоту у подроста

3-й группы высот после проведения выборочных рубок составил 172 %, у

4-й - 198 %, Успешность роста подроста ели обусловлена полнотой древостоя после рубок. Так численность подроста предварительной генерации с возрастом имеет тенденцию увеличиваться с уменьшением полноты древостоя. И действительно, если подрост ели в молодом возрасте нуждается в защите со стороны материнского полога от неблагоприятных экологических факторов, в частности низких и высоких температур, заглушения травяной растительностью, то с увеличением возраста подроста материнский полог начинает его угнетать. Так например, если подрост ели 3-й группы высот при полнотах от 0,6 до 1,3 имеет близкие значения густоты (309-338 шт7га), то подрост 4-й группы высот имеет наибольшую густоту (182 штУга) при полноте 0,5 и постепенно снижает ее до 50 штУга при полноте 1,3.

Ряс. 1 Динамика роста по высоте подроста ели предварительной генерации после осушения н выборочных рубок: 3; 4 - группы высот подроста на осушаемых площадях ЗК; 4К - группы высот подроста на Контроле

По группам высот подрост предварительной генерации характеризуется следующими показателями: возраст подроста 3 и 4 группы высот составляет соответственно 19 и 23 года, высота 122 и 164 см.

Прирост по высоте подроста 3 к 4 группы высот после осушения увеличился в 1,2 раза, а после проведения выборочных рубок-в 1,7-2 раза. Абсолютная среднегодичная величина прироста за четырнадцатилетний период осушения и проведения выборочных рубок увеличилась с 4,9 до 8,5 см в 3-й группе высот и с 5,5 до 10,8 см в 4-й (рис. 1). Причем в 1999 к 2000 годах прирост по высоте подроста 4-й группы высот составил соответственно 14,6 а 16,6 см. Важным является и то, что с каждым годом после осушения и проведения выборочных рубок прирост по высоте продолжает увеличиваться. На контрольном {неосушенном участке) за этот же период прирост по высоте подроста ели 3 и 4-й групп высот уменьшился соответственно в 1,5 и 1,6 раза, абсолютная среднегодичная величина прироста снизилась с 5,4-5,7 до 3,5-3,7 см.

Таким образом, осушение и выборочные рубки способствуют ежегодному увеличению темпов прироста по высоте подроста ели.

5.2 Последующее возобновление. На интенсивное возобновление после осушения , особенно в первое десятилетие, указывают многие авторы (Сабо и др., 1981; Ипатьев и др., 1984; Чиндяев, 19886; Гаврилов, 1994; Матвеева, Чиндяев, 1996). Так, на объекте исследований под пологом хвойно-лиственных древостоев численность подроста ели последующей генерации в среднем составляет 2,5 тыс. шт/га или 79 % от общей его численности. Нами не обнаружено явной связи между численностью подроста и расстоянием от осушителей.

Численность подроста последующей генерации в основном представлена I и 2 группами высот и характеризуется следующими средними показателями: высота - 35 и 71 см, возраст - 10 и 13 лет, среднегодичный прирост по высоте - 4,5 и 6,5 см соответственно. У подроста 1 и 2-й групп высот растущего на контрольном (неосушенном) участке наблюдается постоянное снижение приростов по высоте (рис.2).

Известно (Чиндяев, 1995), что любое вторжение в природу нарушает существующие связи между компонентами лесоболотного биогеоценоза. В связи с этим нами изучено влияние снижения полноты древостоев в результате выборочных рубок на численность и рост подроста ели разной высоты. Исследования показали, что наибольшее количество подроста последующей генерации (1 и 2-й групп высот) формируется при полноте древостоя 0,6 и 0,9. При полноте древостоя 0,6 густота подроста составляет 1214-1321 штУга, а при полноте 0,9 - 1319-2395 штУга. Наименьшее количество подроста последующей генерации формируется при полноте 0,5 и составляет754-751 штУга.

Таким образом, в результате осушения и проведения выборочных рубок численность подроста ели всех групп высот на ППП увеличилась в 1,2-1,8 раза и составила в среднем по исследуемому участку 3,0 тыс. шт/га {1760-4170 шт/га). Такое количество подроста хвойных пород по существующим шкалам (Руководство..., 1986; Основные положения...,

1995) соответствует нижней границе удовлетворительного возобновления на осушенных болотах и не требует создания лесных культур. Наряду с подростом ели под пологом древостоев имеется подрост сосны высотой до 30 см и около 1 тыс. шт/га возобновления березы высотой 40-50 см, расположенного группами.

Периоды роста

2

и

2 н а с

I

о. С

- После

После выборочных рубок

осушения

...-----•• ......-'*'*

"""""•-к

т-1-1-1-1-1-1- Год

,2К 1К

% % % % % \ ч X X % % X X

Рис. 2 Динамика роста по высоте подроста ели последующей генерации на осушаемых площадях после выборочных рубок: 1; 2 - группы высот подроста на осушаемых площадях; 1К; 2К - группы высот полроста на Контроле

Таким образом, после адаптации подроста к изменившимся экологическим условиям наблюдается резкое увеличение приростов, отражающее сложившиеся благоприятные экологические условия среды. Поэтому для болотных биогеоценозов и осушение, и выборочные рубки в них следует рассматривать как положительно воздействующие на подрост факторы.

5.3 Травяно-кустарничковый ярус.

Биологическая продуктивность травяно-кустарничкового яруса чаще всего обусловлена условиями освещения и полнотой древостоя. Так в опытных осушаемых елово-лиственных древостоях фитомасса травяного покрова составляет в среднем 25 г/м2. В изреженных рубками древостоях эта величина в 4-12 раз больше и составляет 80-310 г/м2. В составе травяно-кустарничкового яруса преобладают осоковые, злаки, а также лесное мелкотравье (линнея и подмаренник северный, грушанка круглолистная и средняя, и др.). Кустарнички представлены, в основном, малиной обыкновенной, княженикой и костяникой хмелелистной. На контрольном (неосушенном) участке фитомасса травяно-кустарничкового яруса составляет 95 г/м1, здесь преобладают осоковые, хвощи и папоротники.

Таким образом, на 14 год осушения продуктивность трааяно-кустарничкого яруса снизилась на 74% в основном за счет уменьшения в составе травостоя осоковых, хвощей н папоротников. В видовом составе травостоя существенно возросла доля кустарничков и лесного разнотравья. После проведения выборочных рубок образуется богатый травяной покров (более 25 видов), продуктивность его увеличивается в 4-12 раз, как за счет лесного разнотравья и кустарничков, так и за счёт осоковых и злаковых видов. Имеет место прямая зависимость продуктивности травяно-кустарничкового яруса с оставленной после рубки полнотой древостоя, чем она ниже, тем выше продуктивность травостоя, а ока в свою очередь смещается в сторону наиболее нежелательных злаковых видов растений.

ГЛАВА 6 ФОРМИРОВАНИЕ КОРНЕВЫХ СИСТЕМ

ПОДРОСТА ЕЛИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ОСУШЕНИЯ

6.1 Ветвление корней подроста как условие их формирования

Процесс формирования корневых систем возможен лишь в результате интегрированного проявления следующих взаимосвязанных яаченнй: роста стержневого корня; роста горизонтальных корней 1-го порядка; появления и роста вертикальных ответвлений от горизонтальных корней; ветвления стержневого корня, а также горизонтальных корней и их вертикальных ответвлений. Известно (Калинин, 1983), что ветвление корней происходит на протяжении всего периода их роста. По своему морфологическому характеру эффект ветвления проявляется в двух существенно различных результатах: в образовании корней более высоких порядков ветвления и в образовании корней более низких порядков ветвления по отношению к ранее сформировавшимся корням. В результате образования корней более высоких порядков ветвления увеличивается интенсивность разветвленности корней.

При анализе боковых ответвлений и участков материнского корня в месте их расположения у подроста ели нами были зафиксированы только единичные случаи одновозрастности этих корней. Основная масса боковых ответвлений имела возраст, значительно меньший возраста данного участка материнского корня. Отсутствие на материнском корне большого количества ответвлений, вышедших наружу в год образования зародыша в зоне ростового окончания, может быть объяснено фактом массового их отпада к концу вегетационного периода, в котором они образовались (Калинин, 1983).

Данные о количестве скелетных ответвлений у подроста ели показывают, что с увеличением возраста происходит накопление корней второго и последующего порядков. Интенсивность разветвленности корневой системы подроста на осушенном участке выше в 1,5-2,5 раза, чем на контрольном участке. Кроме того у подроста на осушенном участке количество корней высоких порядков ветвления больше, чем у подроста на

контроле. Корневые мочки - самые важные в процессе питания растения участки корневой системы, располагаются в основной своей массе именно на скелетных корнях самых высоких порядко.в ветвления. Таким образом, подрост ели на осушенном участке имеет более мочковатую корневую систему, а следовательно интенсивнее питается, чем подрост ели на контроле.

В табл. 3 приведены данные, характеризующие коэффициент ветвистости скелетных горизонтальных корней подроста ели на уровне корней 4-го порядка. Коэффициент ветвистости корня Кв представляет отношение суммарной длины материнского корня и его скелетных ответвлений 1-го, 2-го, 3-го и т.д. порядков Ъ к длине материнского корня I, т.е. Кв=ЕА Из приведенных данных видно, что корневая система подроста ели не обладая свойством глубоко проникать в почву (табл. 4), способна интенсивно разветвляться. Наибольшее количество корней у

Таблица 3

Интенсивность ветвления скелетных корней подроста ели

ё ............ 1 II 1 ■!-! ■ ..... ^ 1 Коэффициенты ветвистости £ =

Группа вые подросте о о гГ 1 * <ч 3,1-4,0 4,1-5,0 5,1-6,0 6,1-7,0 00 * о оС * оо о о * о>" о «л" 1 о 15,1-20,0 о 1Г1 (М О с» ® 5 В г 1 -в* I и 8 §

Вблизи канала

1 1 3 6 3 2 2,71

2 - 4 12 5 3 1 2,95

3 - 2 5 10 б 4 2 1 2 1 1 1 5,09

4 - 2 6 13 9 6 2 2 1 1 1 1 1 5,28

По середине межканавной полосы

1 2 4 8 1 2,14

2 1 б 14 2 2 2,49

3 - 4 8 12 4 2 2 1 1 1 3,92

4 - 3 9 14 7 5 3 2 1 1 4,22

Контроль

1 4 6 5 1,39

2 3 12 8 2 1,96

3 1 10 13 3 2 1 2,65

4 - 11 12 10 7 2 2 1 3,26

Таблица 4

Средняя глубина проникновения корней подроста ели (см) на осушаемых площадях при разном удалении от каналов

Группа высот подроста Местоположение деревьев

вблизи канала по середине между каналами неосушенный участок

1 12 (7-15)* 10(6-13) 4(2-5)

2 17(10-22) 15(8-19) 8 (5-10)

3 24 (18-27) 21 (14-25) 13(9-15)

4 30 (22-33) 26(18-29) 16(11-19)

* Пределы колебаний глубины проникновения корней.

подроста на осушенном участке имеют коэффициент ветвистости 2,1-4,0 , в то время как на контроле лишь 1,1-3,0. Исследования показали, что в динамике развития корневых систем подроста ели относительное число корней 2-го, 3-го и 4-го порядков значительно увеличивается с возрастом и не зависит от условий местопроизрастания. Основное участие составляют корни 2-го порядка ветвления.

В целом же осушение способствует более интенсивному ветвлению корней подроста ели как предварительной так и последующей генераций. Это в совокупности с благоприятными почвенно-пидрологическими условиями дает возможность корневым системам подроста интенсивнее осваивать занимаемый ими объем почвы.

6.2 Насыщенность цочвы корнями подроста

Известно, что глубина проникновения корней дает представление о максимальном объеме почвы, доступном подросту. Но вследствие неравномерной загруженности этого объема почвы корнями, степень извлечения питательных веществ из разных слоев почвы неодинакова Значение того или иного горизонта почвы в питании подроста пропорционально корненасыщениости этого горизонта почвы, особенно мелкими (сосущими) корнями.

При обсуждении причин разной загруженности почвы корнями приходится учитывать и степень осушения. Степень осушения оценивается по средневегетационным уровням ПГВ (табл. 1), хотя в ряде случаев необходимо учитывать и сезонную их динамику. Чем выше ПГВ, тем большая масса корней подроста ели концентрируется в самом верхнем слое почвы, резко снижаясь с глубиной (табл. 5), То есть различия в загруженности корнями верхних горизонтов по сравнению с нижними оказываются в пользу менее осушенного насаждения, хотя эти различия не так существенны, как различия в водном режиме. С увеличением возраста подроста не происходит углубление зоны размещения мелких корней, напротив с возрастом насыщенность мелких корней в почве у подроста

имеет сдвиг к поверхности. Из табл. 5 видно, что поверхностный слой почвы (0-10 см) особенно важен для подроста ели, здесь располагается от

Таблица 5

Общий вес живых корней подроста ели в зависимости от степени

осушения, %

Глубина слоя, см Группа высот подроста ели

1 2 3 4

Вблизи канала

0-10 74 73 69 68

10-20 26 25 • 20 25

20-30 - 2 И 5

30-40 - - - 2

По середине между каналами

0-10 79 82 81 79

10-20 21 18 10 14

20-30 - - 9 7

30-40 - - - -

Контроль (неосушенный) участок

0-10 100 100 90 88

10-20 - - 10 12

20-30 - ■ -

30-40 - - - -

68 до 100% всех его корней. С возрастом уменьшается доля сосущих корней и увеличивается доля проводящих в общей массе корневой системы, а также с возрастом увеличивается доля мертвых корней, причем она тем больше, чем выше уровень почвенно-грунтовых вод. б.З Строение и структура корневых систем подроста Исследования характера вертикальных проекций корневых систем подроста ели показали, что корневую систему, условно можно считать конусовидной. Анализируя особенности формирования объема почвенного питания подроста ели, было выявлено, что корневые системы в разных почвенно-гидрологических условиях занимают одинаковый или близкий по размерам объем почвенного пространства, но это не означает, что они находятся в одинаковых условиях почвенного питания. Указанная неравнозначность определяется различиями в морфологическом строении корневых систем сформировавшихся в различных почвенно-гидрологических условиях, в результате чего в одном и том же почвенном пространстве у деревьев может быть размещено различное число корней. Для сопоставления и анализа этого важного качественного показателя

обычно применяют коэффициент напряженности использования занятого почвенного пространства, представляющего отношение общей длины скелетных корней дерева Ь, м, к объему почвы, освоенному его корневой системой Уд, т.е. Кн = Ь / "Уд м/м3 (Калинин, 1978). Анализ этого показателя позволил установить следующие особенности строения и формирования корневых систем подроста ели на осушаемом низинном болоте. Оказалось, что коэффициент напряженности, как на осушаемом, так и на неосушенном участке (контроле), уменьшается с увеличением возраста подроста (табл. б). Однако коэффициент напряженности на контрольном участке, по сравнению с осушаемыми в 1,1-1,9 раза больше. Подрост ели на осушаемых площадях достигает прироста объема почвенного питания как за счет увеличения площади питания, так и за счет углубления корневой системы и осваивания более глубоких слоев почвы (глубже 10 см). Подрост ели на контрольном участке достигает прироста объема почвенного питания в основном только за счет увеличения площади питания. Это значит, что резерв жизнеобеспеченности у подроста на осушаемых площадях значительно выше. Высокая напряженность использования почвенного пространства корнями подроста ели, на контроле усиливается еще и в результате пространственного взаимопроникновения корневых систем, когда данный почвенный объем

Таблица б

Характеристика компактности строения корневых систем подроста ели

Группа Модельные Объем Суммарная Коэф-

высот экземпляры почвенного длинна фициент

подрос- высота, возраст, питания Уд, скелетных напряжен-

та см лет м* корней Ц, м ности Кн,

м/м1

Вблизи канала

1 36 9 0,01 1,2 120

2 71 12 0,07 8,3 119

3 123 18 0,20 15,9 80

4 170 22 0,48 27,1 56

По середине между каналами

1 34 10 0,01 1,4 140

2 70 13 0,08 9,6 120

3 120 20 0,20 17,8 89

4 157 24 0,50 32,2 64

Контроль

1 27 15 0,01 1,7 170

2 63 23 0,09 12,1 134

3 111 28 0,23 25,5 110

4 145 34 0,43 44,9 104

и

используется не одним, а несколькими экземплярами. Усиленное использование почвенного пространства корневыми системами нескольких деревьев сопровождается усилением угнетенности отстающих в росте и является одной из причин самоизреживания древостоев.

Для структуры всех исследованных экземпляров подроста ели характерно абсолютное преобладание относительного участия корней горизонтальной ориентации, приуроченных к верхним горизонтам почвы. Это относится, как к подросту растущему на контроле, так и к подросту растущему на осушаемых площадях. Одной из биологических особенностей ели является эфемерность ее стержневого корня, так как отмечено его полное отсутствие на всех взятых модельных экземплярах подроста. Приведенный анализ показывает, что подрост ели на осушаемых площадях имеет более развитое строение корневых систем, чем подрост ели на контроле, образуя по сравнению с ним менее мощную по длине корневую систему, подрост на осушаемых площадях занимает практически такое же, а подрост 4-й группы высот большее жизненное пространство. Подрост ели на осушаемых площадях' имея более интенсивно разветвленную, чем подрост на контроле, корневую систему отличается ее компактностью. Характеризующий это положение показатель корненаселенности ЬЛ/к составляет для подроста растущего вблизи канала от 120 м/м1 у 1-й группы высот до 56 м/м3 у 4-й, для подроста растущего по середине межканальной полосы от 140 до 64 м/м1, у подроста на контроле значения этого показателя составляют соответственно от 170 до 104 м/м1.

6.4 Подтопление корневых систем подроста

Под термином степень подтопления или интенсивность затопления понимается длительность затопления (в днях) того или иного относительного количества корней (в процентах от всех или от какой-нибудь одной из фракций) (Вомперский, 1968), Расчет подтопления основывается на данных распределения корней по профилю почвы и сезонной динамики глубины почвенно-грунтовых вод. На осушенных торфяных почвах периодическое частичное подтопление корней — типичное явление не только для слабо мелиорированных, но и (правда, в меньших размерах) для удовлетворительно осушенных территорий, занятых производительными насаждениями.

Из наших данных следует, что подтопление корней подроста ели всех групп высот растущего вблизи канала отсутствует. Исключение составляет лишь подрост 4-й группы высот, у которого отмечалось затопление 5-10% корней в течение 16 дней. У подроста 1-Й и 2-й групп высот растущего между каналами затоплению подверглось 5-10% корней в течение 42 дней, а у подроста 3-й и 4-й групп в течение 64 дней. На неосушенном участке у подроста ели 1-й и 2-й групп высот было отмечено затопление 45-50% корней в течение 26 дней, 25-30% корней - 37 дней, 5-10% корней - 48 дней. Корни подроста 3-й и 4-й групп высот были подвержены затоплению

в течение 136 дней, из которых 37 дней было затоплено 85-90% корней, 53 дня - 65-70% корней, 74 дня - 45-50% корней, 100 дней - 25-30% корней.

Такнм образом, осушение приводит не только к увеличению глубины корнеобнтаемого слоя, но и способствует его менее продолжительному затоплению в течение вегетационного периода по сравнению с неосушенным участком.

6.5 Распределение фитомассы подроста

Соотношение массы корневой древесины и массы надземной части подроста изменяется как по группам высот, так и в зависимости от расположения относительно осушительной сети. Относительная масса древесины корневых систем довольно существенна и в зависимости от группы высот подроста и расстояния до канала составляет от 19 до 38 %. Выявлена общая особенность в изменении соотношения массы корней и массы надземной части дерева с возрастом. Так при переходе подроста ели из одной группы высот в другую происходит уменьшение относительной массы надземных органов и увеличение относительной массы корней. Данное явление отмечается как на осушенном так и на неосушенном участке. Так у подроста 1-й группы высот надземная часть составляет 7681%, а корни 19-24%, у подроста 2-й группы соответственно 68-74 и 2632%, у подроста 3-й группы 69-72 н 28-31%, н у подроста 4-й группы высот 62-66 и 34-38%.

Наличие описанных особенностей в распределении органической массы по частям дерева позволяет по массе ствола установить массу других частей дерева, что особенно интересно по отношению к корневым системам как х органам, труднодоступным для непосредственных наблюдений и измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Наши исследования затрагивают срединный этап роста мелиорированных древостоев - период формирования (Рубцов, Книзе, 1981). Оптимальные условия для появления и успешного роста подроста ели на осушенных низинных болотах создаются в древостоях с полнотой 0,6-0,9. Еловый подрост положительно реагирует на осушение и увеличивает прирост по высоте в 1,2 раза, а после проведения выборочных рубок приросты увеличиваются в 1,7-2 раза. Кроме того, численность подроста ели после осушения и выборочных рубок увеличилась в 1,2-1,8 раза и составляет 1,8-4,1 тыс. цггУга. Подрост ели под влиянием выборочных рубок увеличивает прирост в высоту, причем, чем выше подрост (группа высот), тем более высокие приросты он формирует. Снижение полноты при рубках возможно до 0,5 в древостоях с преобладанием в напочвенном покрове мелкотравья и до 0,6 — с преобладанием злаковых и осок.

Под влиянием осушения интенсивность разветвленности корневой системы подроста ели увеличилась в 1,5-2,5 раза. Наибольшее количество корней у подроста на осушенном участке имеют коэффициент ветвистости 2,1-4,0, в то время как на контроле лишь 1,1-3,0. Подрост гораздо реже подвергается подтоплению в вегетационный период чем до осушения и доля мертвых корней в общей массе его корневой системы меньше в 7-19 раз чем у подроста на неосушенных площадях. Осушение способствовало углублению корнеобитаемого слоя до 30 см и более. Резерв жюнеобеспеченности у подроста на осушаемых площадях значительно увеличился. Характеризующий это положение такой показатель как коэффициент напряженности использования почвенного пространства, на осушаемых площадях в 1,1-1,9 раза меньше чем на неосушенных. За счет осушения подрост достигает прироста объема почвенного питания не только за счет увеличения площади питания, но и за счет углубления корневой системы и осваивания более глубоких слоев почвы (глубже 10 см).

Проведение осушительной мелиорации и выборочных рубок позволяет улучшить условия произрастания фитоценозов и в конечном итоге формирование древостоев оптимального состава и возрастной структуры позволяет повысить продуктивность древостоев. Наряду с этим, обеспечивается сокращение срока выращивания новых древостоев, и сохранение лесопокрытых площадей со всеми свойствами и признаками леса,

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Чиндяев A.C., Грозин А.Н. Влияние выборочных рубок на рост подроста ели в осушаемых болотных дре^остоях Н Теоретические и практические проблемы лесовоостановления на Урале. Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. С. 27-29.

2. Чиндяев А,С,, Грозин А.Н. Влияния разреживания осушаемых елово-лиственных древостоев на уровни ПГВ // Материалы научно-технкческой конференции студентов и аспирантов: Материалы научн.-техн. конф.- Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. С. 7-9.

3. Чиндяев A.C., Грозин А.Н. Влияние выборочных рубок на устойчивость болотных ельников // Материалы научно-технической конференции студентов и аспирантов: Материалы научн.-техн. конф.-Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. С.9-11.

4. Грозин А.Н. Особенности роста осушенных и изреженных ельников И Материалы научно-технической конференции студентов и аспирантов: Материалы научн.-техн, конф.- Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. С. 11-12.

5. Чиндяев А.С., Грозин А.Н. Влияние выборочных рубок на рост подроста ели в осушаемых болотных древостоях // Леса Урала и хозяйство в них: Вып. 22. Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. С. 9-18.

6. Грозин А.Н. Особенности распределения фитомассы подроста ели на осушаемом низинном болоте // Леса Урала и хозяйство в них. Вып. 23. Екатеринбург: УГЛТУ, 2003. С. 284-287.

7. Чиндяев А.С., Грозин А.Н. Насыщенность почвы корнями подроста ели на осушаемом низинном болоте // Леса Урала и хозяйство в них. Вып. 23. Екатеринбург: УГЛТУ, 2003. С. 276-284.

8. Грозин А.Н. Динамика уровней грунтовых вод в еловых древостоях на осушаемых низинных болотах Среднего Урала // Леса Урала и хозяйство в них. Вып. 23. Екатеринбург; УГЛТУ, 2003. С. 263-275.

620100 Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, Уральский государственный лесотехнический университет, Отдел оперативной полиграфии Подписано в печать 10.11.2003 г. Объем 1 п. л.; Заказ 690. Тираж 100.