Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОСТЕПЕННЫХ РУБОК В БЕРЕЗНЯКАХ ЧЕРНИЧНЫХ СЕВЕРНОЙ ПОДЗОНЫ ТАЙГИ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

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

Автореферат диссертации по теме "ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОСТЕПЕННЫХ РУБОК В БЕРЕЗНЯКАХ ЧЕРНИЧНЫХ СЕВЕРНОЙ ПОДЗОНЫ ТАЙГИ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ"

о9~ ъ

На правах ру кописи

Зарубина Лилия Валерьевна

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОСТЕПЕННЫХ РУБОК В БЕРЕЗНЯКАХ ЧЕРНИЧНЫХ СЕВЕРНОЙ ПОДЗОНЫ ТАЙГИ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

06,03.03 - Лесоведение и лесоводство; лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Брянск - 2004

Работа выполнена в лаборатории лесоводства Всероссийского научно-исследовательского института лесоводства и механизации лесного хозяйства

Научный руководитель; кандидат сельскохозяйственных наук,

старший научный сотрудник Желдак Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Васильев Михаил Емельянович

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Ерохин Александр Владимирович

Ведущая организация: Институт экологических проблем Севера УрО РАН (г, Архангельск)

Защита состоится «<£$ » г^г&Л„ 2004 г, в часов на заседании диссертационного совета Д 212.019.01 в Брянской государственной инженерно-технологической академии по адресу: 241037 г. Брянск, пр. Станке Димитрова, 3

Факс 0832746744, email-bgitanis@ on line gebiyansk.ru.

Автореферат разослан » 2004 года

Ученый секретарь диссертационного совета

т™°А-

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Широкомасштабное вовлечение хвойных лесов в прошлом столетии в промышленную эксплуатацию сплошными хонцетрирова иными рубками на Севере привело к формированию на больших площадях производных мел код ист-пег ¡ных лесов с наличием под их пологом большого количества (до 16 тыс, экз. на I га) подроста ели (Мелехов, Чертовской, Моисеев, 1966; Чибисов, Ипатов, 1971; Моисеев, 1972; Вялых, 2000). В Архангельской области к 2000 г. мелколиственными лесами было занято 3,9 млн, га (Трубил и др., 2000), В результате истощения лесосырьсвой базы по хвойному хозяйству для удовлетворения потребности страны в древесине лиственные леса стали широко вовлекаться к промышленную рубку, размер которой с каждым годом постоянно возрастает (Победннскяй, 1973, 1986, Чупров, 1999, 2000),

Увеличение объемов лесопользования в листвешшх лесах* вызывает необходимость расширения теоретических и прикладных исследований в области рубок с целью разработки научно обоснованных приемов лесопользования и лесовосстановления. Однако многие стороны этой важной проблемы в условиях обширного северного региона остаются неизученным и. До последнего времени недостаточно полно исследовано состояние естественного возобновления и его изменения под влиянием постепенных рубок, отсутствует информация о важнейших эколошческнх факторах и динамике фшиолого-биохимических показателей ели при развитии лиственного полога. Не разработаны и не обоснованы микроклиматические и физиояого-биохимические показатели предела допустимого изреживания лиственного полога црн первом приеме постепенных рубок, обеспечивающих ускоренный вывод ели из-под лиственного полога и восстановление коренных ельников. В то же время решение перечисленных вопросов обеспечит возможность выявить влияние их на лесовозобпови-телыше процессы, жизнеспособность подиалоговой ели, разработать -> кол ого-бнолопгчееки обоеноваш!ую систему рубок в мелколиственных лесах, более дифференцированно подойти к разработке новых научно обоснованных приемов и рекомендаций по ускорению восстановления коренных ельников.

Работа выполнялась в соответствии с заданием МГТР России по теме 3.1 ВНИ-ИЛМ "Разработка экологически безопасных И экономически эффективных региональных систем ведения лесного хозяйства и технологий, обеспечивающих повышение продуктивности и устойчивости лесов».

Цель исследования - обоснование режима освобождения елового подроста из-под полога лиственных насаждений постепенными рубками в условиях северной подзоны тайги.

Основные задачи исследования.

1 Оценить жизненное состояние елового подроста в процессе онтогенеза лиственного полога в березняках черш1чных со вторым ярусом ели.

2 Изучить влияшге постепенных рубок на состояние естественно!« возобновления и динамику экологических факторов (освеп(енноеть, температуру воздуха и почвы, водонасыщенносгь корнеобт-аемого горизонта почвы) и физиолого-б но химические показатели подроста ели, р- ■ ___________

3 Обосновать предел возможного переживания лисгвешлщу/рцд^и^при первом приеме постепенных рубок. 1(ч^-мой лятарату •

и. Л'Шод " \

Научная ковш на. Впервые для северной подзоны тайги европейской части России в наиболее распространи шой черничной группе мел кол иственн ых лесов получены данные о динамике основных средообразующих факторов (освещенности, температуры, влажности и влагозапасов почвы), жизненном состоянии и росте ели; оценено состояние естественного возобновления при развитии лиственного полога и влиянии постепенных рубок; обоснованы пределы возможного изреживания лиственного полога при первом приеме рубок. По результатам эколого-лесоводетвенных и физиологе-биохимических исследований определены предельные сроки (по березе) прихода в спелые северотаежные березняки черничные с постепенными рубками (первый в 50... 60 лет, второй-через 8... 10 лет при возрасте ели под пологом не более 70 лет).

Обоснованность и достоверность рсгультатов исследовании подтверждается достаточным объемом собранных за период 1993...2003 гг, экспериментальных данных и их статистической обработкой с использованием компьютерной техники.

Практическая значимость. Результаты исследований имеют важное практическое значение для объяснения происходящих изменений в состоянии средообразующих факторов, процессов естественного лесовозобновления, жизненном состоянии, фшиолопгческих и ростовых процессах подпологовой ели в березняках черничных под влиянием специфики онтогенеза верхнего яруса и постепенных рубок в условиях ссверстаежной зоны. Полученные материалы могут быть использованы для обоснования возрастов и степени изреживания при постепенных рубках, регионального мониторинга средообразующих факторов, естествезшого возобновления и состояния елового подроста в березняках черничных при рубках главного пользования.

Личный вклад- Составление программы и методики исследования, закладка пробных площадей, таксация насаждений, изучение состояния возобновления, динамики средообразующих факторов, жизненного состояния ели, камеральная и статистическая обработка экспериментальных данных, их анализ, подготовка текста диссертации. Фнзиолого-биохимические исследования с использованием радиоуглерода-14 проводились совместно с зав. лабораторией экологии и физиологии растений Сев-НИИЛХ В Н. Коноваловым. Работа выполнялась во ВНИИЛМе и СевПИИЛХе.

Положения, выносимые на защиту:

1 Экспериментальные данные о динамике экологических факторов, жизненном состоянии и росте подроста ели в ,северстаеж1шх березняках черничных при возрастной смене лиственного полога.

2 Эколого-бнологическое обоснова1ше эффективности первого приема постепенных рубок разной интенсивности и научно обосновашгый оптимальный уровень разреживания лиственного полога, обеспечивающий высокую биологическую и ростовую активность подроста ели в березняках черничных.

3 Научно обоснованные практические рекомендации по ускоренному выводу ели из-под полога березняков черничных и переформированию их в еловые насаждения.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на отчетной сессии АИЛиЛХ (СевНИИЛХ, Архангельск, 1993), Всероссийском рабочем совещании «Проблемы динамической типологии лесов» (Архангельск, 1995), Международном совещании «Стационарные лесоэкологические исследования» (Сыктывкар, 2003), Международных конференциях: «Экология таежных лесов» (Сыктывкар, 1998), «Коренные леса таежной зоны Европы» (Петрозаводск, 1999), V и VI Молодежных

конференциях (Сыктывкар, 1998, 1999), вошли к учебник для вузов (Н.А. Луганский, С.З. Залесов, В.Н. Щавровский «Лесоводство», - Екатеринбург, 1996. - С. 319).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ общим объемом 2,8 п.л.

Объем к структура диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 5 глав, заключения, выводов и предложений производству, списка литературы из 198 наименований. Работа изложена на 161 странице И включает 40 таблиц и 19 рисунков

Глава 1 Состояние вопроса

На Европейском Севере России в результате бессистемного лесопользовзнш, пожаров И сшюшнолесосечных рубок произошла смена кореш [их ельников малоценными мелколиственными лесами на обширных территориях. Только в Архангельской обл. к 2000 г, мелколиственными лисами было занято около 4,0 млн, га лесопокрытых земель лесного фонда, из шк березняками черничными - 2,7 млн. га (Трубим и Др., 2000). В настоящее время эти леса становятся одним из основных объектов лесоэксплуатации (Моисеев, 1972; Побединский, 1973, 1983, 1986, 2002; Орлов, 1983; Чупров, 1986,2000).

Многие исследователи, изучавшие состояние естественного возобновления в мел -колиственных лесах Севера, отмечают успешное возобновление ели под их пологом (Декатов, 1936; Ткачекко, [949; Мелехов, 1954, 1960, 1980; Моисеев, 1972; Побединский, 1961, 1973, 1980, 2002; Чибисов, Ипатов, 1971; Тарасенко, 1972; Тихонов, 1977, 1979; Тихонов, Зябченко, 1990; Орлов, Серя ков, 1991; Вялых, 2000; Чибисов, 2000). Однако из-за недостатка света и тепла многие растения угнетены и часто нежизнеспособны.

Для улучшения состояния ели и вывода ее из-под лиственного полога нужна ра-шюналыия система рубок, которая позйолила бы не только сохранить ель, как глак-»510 лееообразующую породу Севера, но и ускорила бы восстановление коренных ельников. Считается (Побединский, 2002; Тихонов, 1977; Вялых 2000), что сохранение ели при рз'бках лиственных лесов является одним из наиболее выгодных и эффективных мероприятий по ускорению восстановления коренных ельников. Сохранение подроста ели не только уменьшает затраты на лесовозобновление, но и на 20... 30 лет позволяет сократить период выращивания еловых древостое в (Побединский, 1961, 1973, 1983). Поэтому совершенствование системы рубок в мелколиственных лесах является первоочередной задачей лесоводства (Побединский, 1973, 1983; Тихонов, 1979; Желдак, Калиничешсо, Рожин, 1988).

Однако для успешного решения этой проблемы необходимо иметь количественные показатели о динамике средообразующнх факторов, физиолого-биохимических процессах подроста ели при развитии лиственною полога, способности его после рубки дреьостоев адаптироваться к новым условиям, установить предел изреживания лиственного полога при первом приеме постепенных рубок. Особенно это важно знать для обширного северного региона, где частые поздневесенние и летнеранние заморозки на открытых вырубках приводят к побиванию молодых неокрепших побе-

гов ели. Знание этих данных необходимо также с точки зрения сохранения ели, совершенствования системы рубок в лиственных лесах.

К сожалению, имеющиеся к настоящему времени дашиле по рубкам в мелколиственных лесах Севера не дают целостного представления о состояшш лесовозобновления, характере и направленности физиолого-биохимических процессов у подроста ели, микроклиматических условиях при развитии лиственного полога после первого приема постепенных рубок. В то же время получение таких данных позволит более дифференцированно подойти к разработке рациональной системы рубок в мелколиственных лесах по ускорению восстановления коренных ельников.

Глава 2 Природные особенности района, объекты и методика исследования

Исследования проводились в 1993...2003 гг, на территории Архангельской обл., в Плесецком районе.

Особенностью климата Архангельской обл. является частая смена воздушных масс различного происхождения (Агроклиматический справочник,,., 1967). Воздушные массы, вторгающиеся со стороны Северного Ледовитого океана и Карского моря, даже в летний период на территории района исследований сопровождаются ночными заморозками и установлением (в июне) времедшого снежного покрова продолжительностью 2...5 дней.

Продолжительность вегетационного периода со среднесуточными температурами воздуха выше +5°С в районе исследований не превышает 120,,,125 дней, период с температурами выше +10°С - 90... 100 дней, а сумма эффективных температур составляет 1300°. Устойчивая температура выше +15° наблюдается в течение 40 дней. Безморозный период составляет 100.., 105 дней, годовая сумма осадков - 500 мм, зима длится 160 дней.

Основным и типами лесов являются ельники и редкие сосновые боры, Лесовос-становление на вырубках в основном происходит со сменой пород на лиственные. Сохраненный при рубках подрост сосны и ели в лссовозобггов лешш существенную роль играет лишь в первые 2 года. В последующие годы большая часть его отмирает, а оставшаяся подавляется лиственными породами. В последующем формировании лиственных насаждений активно участвуют хвойные породы, в основном ель. Доля чисто лиственных насаждений без хвойного подроста в области составляет менее 4%,

Исследования проводились в березняках черничных разного возраста (от 8 до 65 лет). Основными объектами явились 53- и 59- летние березняки черничные, расположенные В Плесецком районе Архангельской области.

В соответствии с целью и основными задачами исследований было подобрано 2 группы березово-еловых насаждений, относящихся к черничной группе типов леса, В Левашском лесничестве Архангельской обл., в которых заложено 6 пробных площадей (till) с разной интенсивностью рубки.

Опытный участок 1 представляет двухъярусное березово-еловое насаждение VI класса возраста, IV класса бонитета, полнота 0,89, Состав древостоя: 1 ярус - 7БЗОс, второй - 10Е, Высота березы — 14,8 м, диаметр- 12,1 см. Количество подроста ели-3,6 тыс, шт./га, высота - 1,6 м. ели второго яруса — около 2 тыс. шт./га.

На участке заложено 4 ПП с разной интенсивностью рубки (по запасу): 35, 50, 70% и контрольная. Равномерно-постепенная рубка проведена в осенне-зимний период 1992 г. по среднепасечной технологии с трелевкой хлыстов за вершину на базе трелевочною трактора (ГДТ-55) и мотопилы «Урал», Ширина пасек - 39...44 м, технологических полос - 35 .. 38 м, ширина трелевочных волоков - 4,0...4,5 м. Минерализация почвы не выражена. Сомкнутость полога до рубки - 0,9.,, 1,0, после рубки -от 0,3 до ОД. Состояние подроста ели после рубки хорошее.

Опытным участок 2 - березняк черничный (65 га) послепожарпого происхождения со вторым ярусом ели VI класса возраста, III класса бонитета, полнота 0,92, Состав I яруса: 7БЗОс, второго яруса - 10Е. Высота березы - 16,1 м, диаметр - 14,2 см. Количество подроста ели - 4,2 тыс. шт./га, высота - 1,6 м.

На участке заложено 2 ПП: с интенсивностью рубки 52% по запасу и контрольная, Разработка лесосеки (20 га) промышленным способом проведена в осенне-зимпии период 1998... 1999 гг. по узкопасечной технологии с применением многооперащюн-ных машин фирмы «Софит». Ширина пасек - 24,..28 м, технологических полос -20.,, 23 м, волоков - 3,8.,,4,2 м, интенсивность рубки но запасу - 52%, по количеству деревьев - 37%, минерализация почвы отсутствует. Состав древостоя после рубки -8Б20с, средняя высота березы — 14,9 м, средний диаметр — 13,4 см. Сомкнутость полога до рубки - 1,0, после рубки - 0,5. Количество деревьев листвеиных пород после рубки — 864 шт./га, полнота - 0,46, количество сохраненного подроста ели — 3,2 тыс. экз./га, ели второго яруса - 494 шт./га. Состояние подроста ели - хорошее.

Закладку ПП, учет, выбор, распределение по группам высот, определение фито-маесъг и прироста моделей подроста ели проводили но общепринятым в лесоводстве методикам (Молчанов, Смирнов, 1967; Родин, 1967; Молчанов, 1971; Гусев. 198S, ОСТ 56-69-83; «Правила рубок главного пользования, 1994; «Программа НИР по теме 3.1/1 «Разработка экологически безопасных к экономически эффективных региональных систем ведения лесною хозяйства и технологий, обеспечивающих повышение продуктивности и устойчивости лесов», 2001), напряженность эколопгческих факторов - по методикам М.Н.Овчинникова, Г.М.Кудрящева (1958), A.A.Роде (1960, 1963).

Освещенность местообитания подроста ели определялась по 35,, 40 постоянным точкам на высоте 1,5 м в 13 ч дня с помощью двух люксметров Ю - П6 одновременно в лесу и на открытом месте (Алексеев, 1975),

Функциональное состояние ели изучено с учетом ряда методических разработок: Л.Л. Иванов и др.(1950), О.В.Вальтер и др. (1957), В.Л.Вознесенский и др. (1965), А.Я.Орлов, С.П.Кошельков (1971), А.А.Шлык (1971), К.С. Еобкова (1972, 1974), В. Лархер (I97S).

Оценку еже!одного стока атмосферного углерода проводили по хлорофиллового индексу (ХИ) с перемножением на коэффициент для ели - 111: EO.JI. Цельникср, И.С.Малхша (1994), П.Ю.Воронин и др. (1995, 1997), В.В. Тужил юта и др. (I99S), А, И Уткин и др. (1998), А.З. Швиденко (2000), В.В. Тужилкина, К.С. Бобкова (2001),

Достоверность выводов обоснована большим экспериментальным материалом. Заложено 6 ПП, да которых проведен детальный учет подроста и самосева древесных пород. Срублено и проанализировано по разным показателям 362 модельных дерева подроста ели, проведено около 5 тыс, замеров освещенности, температуры в разных горизонтах почвы и приземных слоях воздуха; в 900 образцах определена полевая

влажность почвы И влагозапасы, выполнена более 1,2 тыс. определений фотосинтеза с использованием углерода-14, 700 определений транспирации, 438 определений дыхания корней и хвои; в 450 образцах хвои установлен состав различных пигментов, поставлено 8 опытов по изучению скорости передвижения углерода-14 по тканям и органам ели

Глава 3 Динамика экологических фшпоров под влиянием постепенных рубок

Среда факторов внешней среды свет является ведущим, напрямую воздействующим на биолошяеские системы (Sirois. Cooper, 1964; Алексеев, 1975; Чибисов, Нефедова, 1971, 2003), Из всех изученных нами древоотоев наибольшее количество света к кронам подроста ели проникает в 8-лстшк насаждениях: 81% от открытого места (рис. I).

60 '

g 50

0

1 40

А

0 30

X

ф

1 20

и

о

0

1 23456739

Рисунок 1 - Освещенность в березняках черничных и осинниках.

Условные обозначения: 1 - открытое место; березняки: 2 - насаждение 8 лет, 3 -13 лет; 4-23 лет; 5-33 лет; 6-53 лет; 7-53 лет с вырубкой 50% запаса; осинники: 8 - 53 лет; 9-53 лет с вырубкой 45% запаса.

При дальнейшем увеличении возраста древостоя количество проникающей под полог солнечной энергии снижается. Уже в 23-летний березняк проникает не более 10... 12% солнечной радиации. В то же время дтя формирования перспективного елового подроста требуется, чтобы освещенность была не менее 25... 40% от полной, а ддя достижения положительного баланса кроны - не менее 15... 20% (Алексеев, 1975). Постепенные рубки интенсивностью 52% увеличивают поступление солнечного света до 50% (табл. !).

Уменьшение сомкнутости полога (до 0,46) в результате вырубки части лиственного запаса увеличило поступление солнечной радиации под полог до 50% от полной и соответствовало значениям, считающимся оптимальными лая успешного роста ели.

На Севере накопление тепла почвой в мелколиственных лесах происходит в течение всего лета и лить в конце августа почва начинает отдавать накопленное тепло в атмосферу. Постепенные рубки усиливают прогреваемость корнеобитасмого горизонта и тем самым способствуют активизации работы корневых систем ели. Уже в мае почва на участках с рубкой на 2('С теплее, чем в ко1ггроле, где в этот период продолжают встречаться многочисленные линзы мерзлотной почвы. Температуры, соответствующие активному росту корней (+9.,,+10йС). на разреженных участках* древостосв наступают на 2 недели раньше, чем в контроле. Значительно раньше наступает здесь и период активных температур для фотосинтеза.

Таблица 1 - Сезонная динамика экологических факторов в 59-летнем берез; и к с

Интенсивность рубки, Уо Глубина, см 2001 г. 2002 г. i

12, V 4. VI 23,VI 7, VI 1 19, VI 1 28. VI II 1.V11 18. VIH

Температура почвы V

0 0 10,1 21,6 19,6 13,9 20,0 ( 12,8 15,7 | 10,3

5-15 2,1 4,9 8,5 9,6 12,7 | 11,4 10,9 9,7

2030 1,8 4,8 8,0 9,3 12,1 11,5 10,2 9,7 [

52 0 13,7 27,5 27,0 18,1 24,0 15,0 19,3 | 12,2

5-15 3,7 V 9,9 10,1 13,5 11,6 П,5 I 10,1

2030 3,5 6,1 8,9 9,7 12,7 11,9 11,1 10,1

Запас влаги, мм

0 0-5 2,2 1.9 1,6 1.2 1,8 1,8 2,0 1,9

5-20 38,8 34,4 25,5 19,2 13,5 26,0 31,5 24,8

2030 17,8 17,7 16,8 12,9 11,1 19,7 21,0 18,0

0-30 58,8 54,0 43,9 33,3 26,4 47.5 54,4 44,7

52 0-5 2.1 1,8 U5 1,1 1,5 1,8 2,1 2,0

5-20 32,4 30,8 24,5 17,1 12,9 20,4 34,5 29,6

2030 13,2 13,0 16,3 13,0 12,5 16,5 28,6 19,4

0-30 47,7 45,6 42,1 31,2 26,9 29,1 65,2 51,0

Освещенность, тыс. лк

0 38,7 23,6 3,8 10,1 14,3 20,1 9,0 Ю,6

52 48,9 45,0 8,3 34,0 36,2 i 40,6 35,7 38,1

Открытое место 72,0 75,4 11,6 67,2 70,2 71,4 63,1 58,7

Обеспеченность корнеобитаемого слоя почвы доступной влагой в мелколиственных лесах в течение вегетационного периода высокая (15,3...41,0 мм). Постепенные рубки, увеличивая влагозапасы в почве (26,9... 65,2 мм), не приводят к пере лаж нению корнеобтаемогто слоя. В периоды с длительным отсутствием осадков иссушения верхних слоев почвы до влажности устойчивого за падания на участках с рубкой не происходит. Увеличение плотности И объемной массы верхних слоев почвы гфи постепенных рубках во время осенне-зимних лесозаготовок также не отмечено.

Таким образом, постепенные рубки в березняках черничных улучшают экологические условия, которые наиболее полно соответствуют потребностям подпологовой ели, благоприятно воздействуют на ее жизненное состояние и ростовую активность.

Глава 4 Влияние постепенных рубок на фшнолого-бно \ н ми ч сскне параметры подроста ели

Недостаток тепла и света служит главной причиной низкой биологической активности подпологовой ели п мягко лиственных лесах. После постепенных рубок биологические процессы у нее заметно активизируются (табл. 2),

Таблица 2 - Дыхание корней и фотосинтез подроста ели в 53-летнем березняке

Интенсив- Дыхание корней, мг СО? на Фотосинтез, мг СОг на

ность рубки, % 1 г абсолютно сухой массы I г абсолютно сухой массы хвои, Ч

корней, ч

М±ш % М±т %

0 0,39 ±0,03 100 - 10,6 ±1,8 100 -

35 0,4 8 ±0,02 123 2,3 15,1 ±1,7 143 2,9

50 0,67±0,04 172 4,9 17,2 ±1,9 162 3,4

70 0,72 ±0,03 185 5,7 18,0 ± 1,0 170 4,0

Через 2 года после постепенной рубки корни ели ст&ад дышать в 1,2... 1,9 раза интенсивнее, чем в К01ггр0ле. В результате в дерево стало поступать больше минеральных веществ и воды, в корнях активизировались процессы метабол иза ¡дай поступающих из хвои органических соединений. Наибольшая интенсивность дыхания корней была на участках с интенсивностью рубки 50 и 70%, однако разница между этими вариантами оказалась несущественной: менее 7% 0 < 3,0). На участке с интенсивностью рубки 35% дыхаиие корней также активизировалось, но менее существенно: различия с контролем даже при Р = 0,95 не доказано.

Активному дыханию корней ели соответствовала и высокая интенсивность фотосинтеза.

Неоднородность светового режима в формирующихся березняках соответствующим образом проявилась и в шггенсивиостн фотосинтеза ели (рис. 2)

жь-*'

1 2 Э 4 5 6 7 8

Рисунок 2 - Интенсивность потенциального фотосинтеза в возрасте подроста ели в березняках •черничных и осинниках разного возраста.

Условные обозначения: березняки: в возрасте 1 - 6-8 лет, 2-13 лет, 3-23 лет, 4- 33 лет, 5-53 лет, 6-53 лет с вырубкой 50% запаса; осинники: 7-53 лет, 8-53 лет с вырубкой 45% запаса.

70 г'Г

0 35 50 70

Интенсивность руШи. %

Рис, 3 - Скорость оттока углеродистых соединений (С-14) из однолетней хвои ели в 53-летнем березняке черничном после постепенной рубки. Условные обозначения: 1- через 0,5 ч; 2 - 1 сут; 3-8 суг; 4-70 сут.

Самый высокий потенциальный фотосинтез у подроста ели (35,6 мг СОг/ на 1г, ч) отмечен в 6..8-летних насаждениях. В 23-летнем древостое интенсивность процесса в 3...4 раза ниже, чем в 6...8-лених насаждениях и в 2...3 раза слабее, чем в 13-летних.

Постепенные рубки оказали существенное влияние на фатосшггез ели. Повышение фотосшггеза происходило в большей степени там, где была наибольшая выборка деревьев, однако разница между вариантами с вырубкой 50 я 70% была мало заметной (5%) и не достигала статислгчески различимых значений (1=0,9). Вырубка 35% запаса

мало способствовала наращиванию фотосинтеза. В то же время рядом авторов <2^е] 11сЬ, 1982; Вознесенский, 1986, Бузыкин и др., 1990) показана высокая положительная связь у древесных растений между интенсивностью фотосинтеза, накоплением биомассы и приростом.

Наряду с фотосинтезом рубхн значительно ускоряют отток из хвои его продзтггов Опыты с радиоуглеродом показали (рис. 3), что через 8 сут, после его введения в хвое контрольных деревьев остается не менее 65% первоначальной радиоактивности, а па участке с вырубкой 50% запаса - пшш> 38% и при более высокой исходной радиоактивности. Вырубка 35% запаса слабо повлияла на отток ассимилятов. За 8 суток здесь перешло из хвои в другие органы 55% радиоуглерода, а на участке с вырубкой 70% запаса радиоактивность хвои за этот период уменьшилась на 57%,

Рисунок 4 - Интенсивность трапепирации подроста ели в 53-летнем березняке черничном. Условные обозначения: 1 - средний подрост (1,5 м); 2-мелкий подрост (до 0,5 м).

После разреживания верхнею полога активизировался водный режим ели (рис 4).

Наиболее заметно транспирация возросла на участках со средней (50%) и максимальной (70%) выборкой деревьев - на 34.,.39% и 42,..62 соответственно. Вырубка 35% запаса оказалась мало эффективной для этого процесса.

Несмотря на усиление транспиращш, водный дефицит хвои подроста ели на участках с рубкой - невысокий (7,2...9,3%; в контроле 6,4...9,5%) и был значительно ниже тех значений (27,5%), которые угнетают физиологические процессы у древесных растений.

Проективное содержание хлорофилла (ХИ) у подроста ели В березовых фнтоце-нозах колеблется в широком диапазоне значешй. В расчете на среднее модельное дерево высотой 1,7... 1,8 м наибольшее значение ХИ у ели в 8-летнем насаждении -0,765 г, наименьшее - в 65-летнем древостое - 0,229 г (табл. 3).

В молодых насаждениях (8 и 13 лет) значительный вклад в формирование хлорофиллового индекса вносит 1... 2-летняя хвоя (около 40%), в древостоях (50, ,,70 лет) - хвоя прошлых лет (более 85 %). Постепенные рубки в 53-летлем древостое за 8 лет

0 35 50 70

Ишемсивность рубки, %

увеличили ХИ подроста ели почти в 3 раза, при этом значительно возросла доля вклада вХИ 1 ...2-летней хвои (с 15 до 35%) за счет увеличения ее массы.

Таблица 3 - Хлорофилловый индекс и оценка ежегодного атмосферного стока углерода у подроста ели (высота 1,7.,. (,8 м) в березняках черничных в зависимости от их возраста и интенсивности рубки

Березняки Хлорофилловый индекс, г Сток углерода, гС/деревце

возраст хвои

1 года 2 года прочих лет итого 1 года 2 года прочих лет итого

8 лет 0,160 0,146 0,459 0,765 17,76 16,21 50,95 84,92

13 лет 0,102 0,073 0,280 0,455 11,32 8,10 31,08 50,50

33 года 0,094 0,055 0,180 0,329 10,43 6,11 19,98 36,52

53 года 0,024 0,019 0,250 0,293 2,66 2,И 27,75 32,52

65 лет 0,029 0.024 0,176 0,229 3,22 2.66 19.54 25,42

53 года с вырубкой 50% запаса 0,155 0,149 0,570 0,874 17,21 16,54 63,27 97,02

Расчет фотосинтегического стока углерода, рассчитанного по ХИ, показывает на уменьшение его величины у подроста ели в спелых березняках. Постепенные рубки усиливают ежегодный сток углерода в расчете на среднее дерево в 3 раза и тем самым улучшают газовый состав атмосферного воздуха. Однако в расчете на всю площадь (1 га) эта величши менее значительна (2,2 раза) из-за меньшего количества деревьев.

Глава 5 Состояние естественного возобновления, рост и структура

биомассы

Детальный )гчет естественного возобновления проведен в 59-летнем березняке черничном (табл. 4).

Согласно учетам, в изучаемом древостое на 1 га имеется 6,7 тыс. экз. жизнеспособного подроста разных пород Доминирует популяция ели (4,2 тыс, экз./га). Подрост сосны составляет 2% от общего количества. Участие в подросте листвешсых пород высокое - около 35%. Основной представитель - береза (91%). Формула подроста -7ЕЗБ+С+Ос.

Распределение ели по территории участка относительно равномерное. Уровень встречаемости высокий - 93%. Участие в возобновлении самосева невысокое. На 1 га встречено около 130 экз. самосева ели И столько же березы. Средний возраст подроста ели колеблется от 26 до 62 лет. Преобладающим (59%) является возраст 35,., 55 лет, В группах высот возрастные различия ели достигают 1...2 классов. Средняя высота подроста -1,8 м. Наиболее представлен (61%) крупный подрост.

Таблица 4 - Характеристика естественного возобновления в 59-летнем березняке черничном носче первого приема постепенной рубки

Группа Количество подроста по породам, тыс, экз. на 1 га Средний воз-

высот, м ель сосна береза осина итого раст ели, лет

До 0,5 0,33 0,03 0,10 - 0,46 26

0,23 1,10 0,23 1,56 18

0,6-1,0 0,53 0,10 0,67 0,17 1,47 35

0,40 - 0,43 0,17 1,00 28

1.1-1,5 0,78 - 0,50 0,07 0,35 46

0,50 0,03 0,50 0,07 1,10 42

1,6-2,0 0,60 - 0,30 - 0.90 50

0,46 - 0,10 - 0,56 47

2,1-2,5 1,10 - 0,30 - 1,40 55

0,90 - 0,10 - 1,00 53

2,5-3,0 0,90 - 0,17 - 1.07 62

0.64 - - 0,64 60

Примечание, Количество подроста: числитель - в контроле, знаменатель - на участке постепенной рубки, знак - означает, что подрост отсутствует.

Средняя категория жизнеспособности подроста ели - 3,6. Доминируют деревья 4 категории (57%), Усохший подрост составляет менее 2% (табл. 5), Подрост сосны характеризуется 3 категорией жизнеспособности Основное количество подроста березы (79%) отнесено к 4 категории жизнеспособности.

Анализ свидетельствует О замедленном росте подроста ели под пологом мелколиственных лесов (рис. 5),

г о

ь"

о а. з; о.

с:

12 -, 10 -8 -6 ■ 4 2 О

25

¡■-«"1 -д-г]

35

45

Возраст ели, лет

55

65

Рисунок 5 - Динамика средаепериодического текущего прироста подроста ели в высоту в 59-летнем березняке черничном (1) И на участке постепенной рубки (2).

После постепенных рубок жизненное состояние подроста ели значительно улучшилось. Большую часть его (74,8%) составляет физиологически благонадежный подрост (категории 4...6). Количество ослабленных растений заметно уменьшилось. Через 5 лет жизненное состояние подроста оценивалось категорией 4,4. В основном это был крупный подрост. Большая часть мелкого подроста продолжала соответствовать 3 и 4 категориям жизнеспособности.

Таблица 5 - Распределение подроста ели по категориям жизнеспособности

(тыс. экз. на 1 га).

Грушха Категории жизнеспособности подроста ели

высот, м 6 5 4 3 2 1 ОД итого

До 0,5 -* 0,07 0,13 0,10 0,03 - - 0,33

- - 0,13 0,10 - - - 0,23

0,6-1,0 - - 0,27 0.20 0,03 0,03 - 053

- 0,20 0,10 0,07 0.03 - - 0,40

1,1-1.5 - 0,03 0,27 0,17 0,17 0,07 0,07 0.78

- 0,10 0Д7 0,10 0,07 0,03 0,03 0,50

1,6-2,0 - „ 0,47 ОДО 0ЛЗ - - 0,60

0,10 0,20 0,10 0,03 0,03 - - 0,46

аоз 0,10 0,70 0,13 0,07 0,07 - МО

2,1-2,5 0,13 0,57 0,10 0,03 0,07 — — 0,90

2,5-3,0 0,03 0,10 0,60 0,10 0,07 - - 0,90

0,20 0,27 0,07 0,10 - - - 0,64

Всего: 0,06 0,30 2,44 0.80 0,40 0,17 0,07 4,24

0,43 1,34 0,67 0,43 0,20 0,03 0,03 3,13

Самосев 0,13 19,37 0,13 19,37

Примечание, Количество подроста: числитель - в контроле, знаменатель - на участке постепенной рубки, знак - означает, что подрост отсутствует.

Из рисунка 5 видно, что в древостое наиболее слабо растет молодой низкорослый (до 0,5 м) подрост. Его среднепериодический прирост в высоту не превышает 1,9... 2,1 см. С увеличением возраста и высоты рост ели усиливается (табл. 6),

После постепенной рубки рост подроста ели в высоту заметно усилился. Однако в первые 2 года рубка оказала слабое действие на его ростовую активность. У всех групп высот разшща с контролем была статистически недостоверной.

Через 3.,,5 лет рост верхушечных побегов заметно усилился. Увеличение прироста оказалось статистически достоверным (1 >0,95 $1,=3,8..,6,5), Наиболее заметна реакция у мелких категорий подроста (высота менее 1,5 м).

Таблица 6 - СреднепериодическиЙ прирост ели (см ) на участке постепенной рубки

Группа высот, м 1999... 2000 гг. 2001,,, 2003 гг.

ко1гтроль опыт контроль опыт

М±ш М±т М±ш М±ш 3,8 ±0,41 _ ^факг 5,06

До 0,5 2,0±0,П 1,8 ±0,23 0,29 1,9±0,13

0,6-1,0 2,8 + 0,19 2,4 + 0,39 1,44 2,9±0,22 5,9 ±0,74 3,83

1,1-1,5 3,5 ±0,20 3,7 ±0,24 | 0,96 3,9±0,34 8,2 ±0,84 6,11

1,6-2,0 4,6±0,37 4,9 ±0,17 0,32 4,6 ±0,52 9,3 ±1,04 5,48

2,1-2,5 5,4±0,29 5,6±0,22 1,14 6,0±0,4б П,5±0,80 6,51

2,5-3,0 7,9±0,38 7,8±0,35 | 0,20 8,3 ±0,44 13,7 ±0,82 5,53

Их прирост в высоту за период после рубки (5 лет) увеличился в 1,9..,2,1 раза. У более крупных категорий подроста разница с контролем и периодом до рубки достигала 1,6... 1,9 раза.

Под влиянием рубки заметно улучшилась морфоструюура кроны и побегов ели, увеличились биометрические показатели побегов, возросло количество ежегодно депонируемого из атмосферы углерода и обогащение атмосферы кислородом.

Выводы и предложении

1 Естественное возобновление под пологом изученных северотаежных березняков черничных протекает удовлетворительно. В 59-лстних березняках на 1 га имеется не менее 4,2 тыс. экз. жизнеспособного подроста ели, способного после удаления лиственных пород обеспечить восстановление коренных ельников. В спелых березняках преобладает крупный подрост ели (более 1,0 м). Средняя категория жизнеспособности - 3,6, у 59% растеши"! преобладает возраст 35...55 лет. Согласно физиолого-биохимическим показателям, высокая жизнеспособность подроста ели в северотаежных березняках сохраняется до 70 лет и выше,

2 Освещенность подроста ели в высокополнотных березняках черничных И осинниках невысокая (10 .. 15% от полной) и не соответствует биологической норме (25.., 40%). Из-за недостатка света уже в 13 -летних насаждениях ель подвергается интенсивному биологическому угнетению со стороны лиственных пород,

3 Почвьг в высокополнотных березняках черничных холодные. Даже в июне температура в верхнем (5,,, 20 см) слое не выше +4,9,..8,5°С. Прогревание корнеобитае-мого слоя до температур, соответствующих началу роста и активной жизнедеятельности корней (+ЗпС), запаздывает по сравнению с разреженными древостоями на 2...3 недел к.

4 Запас влаги в кор необитаем ом слое почвы (26,4... 58,8 мм) в течение вегетационного периода вполне достаточный для успешной деятельности корней ели. Иссушения верхних слоев почвы в период засух до уровня устойчивого завядания в течение 2...3 летне наблюдалось.

5 Постепенные рубки в березняках черничных и осинниках увеличивают в 3...5 раз поступление солнечной энергии под полог. Необходимый уровень освещен]гости, о бес печивающиЙ успешный рост ели, достигается при вырубке 45...52% березы по запасу.

6 После постепенных рубок усиливается до 25,,.35 тыс. лк поступление под полог солнечной энергии и почти на 2 недели сокращается период прогревания корце-обитаемого слоя почвы до активных для корней температур (+7..,+8 ОС), а также приземных слоев воздуха. Уже в мае температура почвы в слое 0...20 см на разреженных участках древостоя на 2°С выше, чем в контроле. Это обеспечивает подросту более раннее и интенсивное поглощение корнями из почвы питательных веществ и воды.

7 В разреженных постепенными рубками древостоях запасы продуктивной влаги в корнеобигаемом слое в течете вегетациошгого периода вполне достаточные (26,9...62,5 мм) для успешного роста корней. В засушливые периоды они в наших опытах не опускались ниже недоступного для корней уровня (1,6.,.2,2 мм), во влажные периоды не приводили к переувлажнению почвы.

8 Постепенные рубки в березняках черничных с применением комплекса многооперационных машин фирмы «Софит» при зимних лесозаготовках приводят к значительной гибели елового подроста (до 28%). В 59-летних березняках через 5 лет после рубки на 1 га лесосеки сохраняется до 3,2 тыс. шт. жизнеспособного подроста ели разной высоты. Сохранность подроста по группам высот составляет от 84 до 63% при средней высоте 1,6 м. Состояние подроста после рубки хорошее и оценивается 4,4 балла по шкале жизнеспособности. За 5 лет после рубки средний возраст ели в группах высот уменьшается на 2. ..8 лет за счет пополнения более молодым поколением.

9 Последующее возобновление хвойных пород на технологических полосах пасек неудовлетворительное. За первые 5 лет после рубки на 1 га пасек без волоков вновь появляется не более 0,8 тыс. шт. ели и 2,8 тыс. шт. лиственных пород. На трелевочных волоках последующее возобновление хвойных протекает успешно: за период после рубки на 1 га на них появляется до 20,5 тыс. всходов хвойных пород (в т. Ч. ели 18,6 тыс.) и 13,7 тыс. всходов лиственных. Состояние самосева в наших опытах хорошее.

10 В процессе онтогенеза березняков черничных максимальное значение прироста (22,4 см) и высокая интенсивность физиологических процессов у сохраненной при рубке ели достигнуты в 6.., 8-летних насаждениях при начальных этапах заселения березы и благоприятных условиях внешней среды,

11 После смыкания лиственного полога и ухудшения условий среды важная роль в формировании еловой популяции принадлежит межвидовой конкуренции, в результате которой крупные лиственные деревья подавляют рост более мелких хвойных. Так, в 13-летних насаждениях интенсивность физиологических процессов и прирост ели в высоту в 1,3 раза ниже, чем в 6...8-летних. Для улучшения состояния ели и ускорения смены березняков черничных ельниками рекомендуется изреживание березового яруса путем своевременного проведения постепенных рубок, причем в подзоне

северной тайги рубки целесообразно начинать при возрасте березы не выше 50 ,.60 лет (первый прием), второй - через 8,,, 10 лет при возрасте ели под пологом не выше 70 лет.

12 После постепенных рубок улучшаются факторы среды, у ели значительно активизируются физиологаческие процессы. В березняках, пройдещщх 5...8 дет назад постепенными рубками, в 1,4... 1,9 раза возрастает интенсивность дыхания корней, что способствует усилению поступления в дерево питательных веществ и воды. 13 2...3 раза повышается интенсивность фотосинтеза и на 2...Э ч увеличивается его дневная продолжительность Активизируется водный режим и постфотосшгтетиче-сшй отток продуктов фотосинтеза. В результате усиливаются донорно-акцепторные взаимодействия между органами дерева и улучшается снабжение их важнейшими продуктами обмена,

13 В результате активизации физиологической деятельности в 1,5,,.2,1 раза увеличивается пр1грост ели В высоту и по диаметру, улучшаются биометрические и мор-(¡юлогические показатели кроны и побегов, возрастает объем ассимилир)тощей массы И депонирование из атмосферы углерода (в 2...3 раза).

14 При постепенных рубках в мелколистветшх лесах физиологическая и ростовая активность подлологовой ели напрямую зависит от степени разреживания лиственного полога. Первый прием постепенных рубок создает наиболее благоприятные условия среды для роста ели при вырубке 45... 52% запаса (полнота 0,45,..0,50). Разреживание лиственных древостоев до полноты 0,2 (после вырубки 70% запаса) увеличивает расход деревом продуктов фотосинтеза на поддержание жизнедеятельности и мало способствует наращиванию ростовой и биологической активности.

Предложения производству.

Дня улучщишя состояешя ели, ускорения восстановления коренных ельников на месте березняков черничных и осшшиков рекомендуется проведение следующих мероприятий.

1 Своевременное проведение в мелколиственных лесах постепенных рубок: запоздалое их проведение может не дать положительного эффекта, привести к гибели значительной части ели и не обеспечить появление нового поколения хвойных пород. Постепенные рубки в спелых березняках черничных и осинниках целесообразно начинать с возраста не более 50,, ,60 лет первый прием, второй - через 8... 10 лег (при возрасте ели под пологом не выше 70 лет),

2 Постепенные рубки в мелколиственных лесах подзоны северной тайш при наличии подроста хвойных пород рекомендуется проводить в 2 приема. Интенсивность рубки при первом приеме не должна превышать 45...50% по запасу и 37...45% по числу стволов (изреживание до полноты 0,45...0,50).

3 Постепенные рубки следует проводить в зимний период: это позволит сохранить значительную часть мелкого и среднего подроста ели.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Коновалов В.Н., Зарубина Л.В. К динамике физиологических процессов у подроста сосны и ели на разных стадиях формирования производных лесов на Севере //Коренные леса таежной зоны Европы: современное состояние и перспективы сохранения /Материалы мевдунар. научн.-практ, конф. - Петрозаводск, 1999 - С.140-141,2. Зарубина Л.В. Фотосинтез, отток и распределение 14С - ассимилэтов у ели в лиственно-еловых насаждениях при комплексных уходах //Актуальные проблемы биологии: материалы VI молодежи, научн. конф. - Сыктывкар, 1999. - С.77.

3. Зарубина Л.В., Коновалов В.Н. Структура фитомассыи физиологические процессы ели в мягколиственных лесах в связи с рубками //Экологические проблемы Севера: межвузовский сб. научн. тр. - Архангельск, 2001.- Вып. 4. - С.80-82.

4. Коновалов В.Н-, Зарубина Л.В. Эколого-биологические особенности подроста ели в мягколиственных лесах в связи с рубками //Наука - северному региону: сб. научн. гр. /АГТУ. -Архангельск, 2002,- С.91-96.

5. Зарубина Л,В., Коновалов В.Н. Структура биомассы и сток углерода подроста ели в мягколиственных лесах таежной зоны //Стационарные лесоокологические исследования: методы, итоги, перспективы /Материалы и тезисы докл. Между нар, конф. - Сыктывкар, 2003. - С.67.

6. Желдак В.И., Зарубина Л.В, Лесоводственно-биологическое обоснование режима рубок главного пользования в сложных лиственно-хвойных насаждениях северной подзоны тайги. В печати. Сб. научн. тр. - Пушкино: ВНИИЛМ, 2004.

7. Зарубина Л.В. Эколого-физиологическое обоснование постепенных рубок в березняках северной подзоны европейской тайги. В печати. Сб. научн. тр. - Пушкино: ВНИИЛМ, 2004,

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 241037 г.Брянск, пр. Станке Димитрова, 3, Брянская государственная инженерно-технологическая академия

Лицензия ИД№ 14185 от 06.03.2001 Формат 60*84 1/16 Тираж 100 экз. Объем 1.0 п.л. Брянская государственная инженерно-технологическая академия 241037, г. Брянск, пр-т Станке Димитрова, 3 Отпечатано в типографии лесохозяйственного факультета

p - 9 1 9 1