Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ЭРОЗИЯ ПОЧВ В БУКОВО-ПИХТОВЫХ ЛЕСАХ, ПРОЙДЕННЫХ РУБКАМИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ НА СЕВЕРО-ЗАПАДНОМ КАВКАЗЕ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ЭРОЗИЯ ПОЧВ В БУКОВО-ПИХТОВЫХ ЛЕСАХ, ПРОЙДЕННЫХ РУБКАМИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ НА СЕВЕРО-ЗАПАДНОМ КАВКАЗЕ"

На правах рукописи

Жарков Павел Анатольевич

ЭРОЗИЯ ПОЧВ В БУ КОВО-ПИХТОВЫХ ЛЕСАХ, ПРОЙДЕННЫХ РУБКАМИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ НА СЕВЕРО-ЗАПАДНОМ КАВКАЗЕ

Специальности: 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» 03.00.16 - «Экология»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Новочеркасск - 2004

Работа выполнена на кафедре экологии и лесных мелиорации в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Новочеркасская государственная мелиоративная академия".

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ Ивоннм Владимир Михайлович Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Зыков Иван Григорьевич,

Ведущая организация - ГУ "Сочинский национальный парк"

Защгта состоится " 10 " декабря 2004 г. в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д 220,049.01 в ФГОУ ВПО "Новочеркасская государственная мелиоративная академия" по адресу 346428, г. Новочеркасск, Ростовской области, ул. Пушки некая, Ш, а. 339.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Новочеркасская государственная мелиоративная академия".

Отзыв из автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью предприятия, просим направить ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан ' 10 " ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, профессор, Заслуженный мапноратор

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Полуэктов Евгений Валерьянович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется заицгшой ролью горных лесов, являющихся одновременно источником древесины, получаемой при славном и промежуточном пользовании, что ведет к эрозии почв и до. экологическим последствиям.

В научной литературе негативные последствия рубок главного пользования широко освещены (Д.Ф. Кравчннскнй, 1901; Г.Ф. Морозов, 1927; М.Е. Ткачепко, 1952; В.П Нестеров, 1954; A.B. ПобединскиЙ, 1964; И.С. Мелехов, 1966; Л.Ф. Поляков, 1965; В.Г. Атрохин, 1976; В.Н. Дьяков, 1972; Н.М. Горшенин, 1974; Р.Г. Чагелншвили, 1979; И.Г. Зыков, 1997; В.А. Гор-дненко, 1999; И.П. Коваль и H.A. Биткжов, 2000; В.М. Ивонин и др., 2001; В. Zeide, 2001 и др.).

Результаты изучения эрозии почв на вырубках горных склонов и разработки мероприятий по охране земель, представлены в трудах лаборатории лесоведения РАН, ВНИИЛМ, НИИгорлесэкол, институтов горного лесоводства Украины, Грузии и др. НИИ, а также высших учебных заведений России и зарубежья. Промежуточное пользование предполагает получение древесины при формировании разновозрастных сомкнутых насаждений с сохранением водоохранио-защитных функций.

На Северном Кавказе к 100-летнему возрасту насаждения в зависимости от породного состава и условий местопроизрастания подвергаются 8-12 циклам рубок промежуточного пользования различной интенсивности (Т.К. Солнцев и др., 2002), когда прорубаются технологические коридоры и трелевочные волока, повреждается подрост и молодняк, частично или полностью нарушается подстилка и живой напочвенный покров, повреждаются земли.

Э ко лого-лесоводстве m i ы е требования к промежуточному пользова-

нию в лесах Северного Кавказа регламентиров; ны Hacr^giji^^no руб-

кам ухода (1993). Соответственно разработаны

УИОПустимьри Bffj-

ко tf- 35QO

действий лесосечных работ на лесную среду при рубках ухода (И.П, Коваль, H.A. Битюков, 2000) с соблюдением критериев и индикаторов устойчивого управления лесами.

Однако при промежуточном пользовании (прореживание, проходные и выборочно-санитарные рубки, переформирование и обновление насаждений) эрозионные процессы исследованы недостаточно, особенно в буково-пихтовых лесах.

Поэтому является актуальным тучен не эрозии почв в таких лесах, а также уточнение технологии рубок промежуточного пользования для охраны лесопо крытых земель.

Это определило направление наших исследований, которые выполнялись в 2001-2003 г.г. на кафедре экологии и лесных мелнорацнй ФГОУ ВПО "НГМА". Эксперименты проводили на землях Псебайского лесхоза Краснодарского края. *

Цели и задачи исследований. Цель исследований - установить связи, определяющие показатели поверхностного стока и эрозии почв в буко-во-пихтовых лесах, пройденных промежуточными рубками, а так же уточнить их технологии для охраны лесолокрытых земель.

Для достижения постановленной цели решались следующие задачи:

- проанализировать опыт промежуточного пользования в лесах Г1се-байского лесхоза;

- охарактеризовать буково-пихтовые лесные экосистемы в местах проведения промежуточных рубок;

- исследовать условия формирования л палевого стока и проявления эрозии почв в лесах, пройденных промежуточными рубками;

- изучить особенности формирования стока и проявления эрозии на тракторных волоках;

- уточнить технологии промежуточных рубок для охраны земель

На защиту выносится:

- уравнения связи показателей стока и эрозии с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова, плотностью слоя почв 0-20 см в буково-пихтовых лесах, пройденных рубками промежуточного пользования;

- зависимость продолжительности времени между циклами проходных рубок от коэффициентов ливневого стока, определяющая периодичность нзреживания буково-пихтовых древостоев;

- цикличность протекания эрозионных процессов на тракторных волоках, заключающаяся в периодической самоотмостке (при ливнях) поверхности защитным слоем щебня и уничтожении этого слоя »о время эксплуатации волоков.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- установлено, что периодическое изреживание буково-пихтовых насаждений старше 50 лег с выборкой приспевающих и спелых деревьев и использовании при трелевке гусеничных тракторов приводит к деградации лесных экосистем: доминированию в составе малоценных видов, подавлению подлеска, угнетению подроста бука и пихты, активизации эрозионных процессов;

- определены свози плотности верхнего слоя почв и воздушно-сухой массы живого напочвенного покрова и лесной подстилки с коэффициентами стока и эрозией почв в буково-пихтовых лесах, пройденных промежуточными рубками;

- обнаружена цикличность протекзния эрозионных процессов на эксплуатируемых тракторных волоках.

Практическая значимость работы определяется:

- характеристиками эксплуатируемых буково-пихтовых лесов (нормальное распределение площадей по бонитетам и полнотам с преимуществом насаждений Ь-Ш классов бонитета и полнотой 0,5-4),6);

- уточненными технологиями промежуточного пользования (прореживание и изрежнвание бу ково- п и хтовы х древостоев необходимо проводить с цикличностью не менее 20 лет и выборкой не более 10 % запаса за каждый цикл);

- предложениями по укреплению лесовозных дорог неликвидом и порубочными остатками при норме 20 т/га и более на периоды прореживания и проходных рубок.

Лнчный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, составлении методики и выборе мест исследований, изготовлении экспериментальной дождевальной установки, проведении экспериментов, отборе образцов, выводах и предложениях производству.

Апробация работы проводилась на Межвузовском научно-координационном Совете по' проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Курск, 2003 г.); Международной конференции "Защита народнохозяйственных объектов от воздействия селевых потоков" (Пятигорск, 2003 г.); расширенном заседании кафедры экологии и лесных мелиорации ФГОУ ВПО "НГМА" (Новочеркасск, 2004 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано четыре печатных работы.

Реализация результатов исследований проведена в Псебайском лесхозе Краснодарского края и в учебном процессе лесохозяйстве иного факультета ФГОУ ВПО "НГМА".

Структура работы: введение, семь глав, общие выводы и предложения производству, список использованной литературы и приложения.

Объем диссертации включает 168 страниц, в т.ч. 96 страниц машинописного текста, 37 таблиц, 54 рисунка и 18 таблиц трех приложений. Список использованной литературы включает 148 источников, в т.ч. 18 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор литературы ло эрозии почв в лесах, в связи с рубками главного и промежуточного пользования. В результате отмечено, что эрозия почв на водосборах сильно проявляется в результате главного и некоторых видов промежуточного пользования. Если при главном пользовании эрозионные процессов изучены довольно детально, то при промежуточном - данных таких исследований не достаточно, особенно в горных лесах. Особенное внимание следует обратить на исследование эрозии почв в связи с нарезкой и эксплуатацией тракторных волоков.

Во второй главе характеризуется место проведения (Псебайский лесхоз Краснодарского края площадью 44740 га, расположенный в районе бу-ково-пихтовых лесов), условия и методика исследований.

Рельеф представлен среднегорьем и низкогорьем. Абсолютные отметки вершин водосборов изменяются от 600 до 2800 м над уровнем моря. На территории распространены бурые лесные среднемощпые и мощные сугли-иистые и глинистые почвы.

Климат района исследований - умеренно-континентальный, горный с суточными колебаниями температур воздуха, усиленной солнечной радиацией, теплой зимой и относительно прохладным летом, высотным микроклиматом.

По изолннейной карте (Л.Ф. Литвин, 2002) в районе наших исследований эрозионный потенциал осадков достигает Российского максимума (57,6 ед.). В этом регионе тридцатиминутная максимальная интенсивность ливня (20 %-ой обеспеченности) составляет 2,45, а пятиминутная - 3,8 мм/мин (М.С. Кузнецов, Г.ГТ. Глазунов, 1996).

Главными породами буково-пихтовых лесов являются бук восточный (Fagus orientals) и пнхта кавказская (Abies nordmanniana). В составе насаждений также участвуют граб кавказский (Carpinus caucasica), сосна крючко-

s

ватая (Pinиз pityusa), береза повислая (öetula pendula), ясень обыкновенный (Fraxinus execelsior) и др.

При исследованиях: использовал» материалы лесоустройства Псебай-ского лесхоза (Тамбовская экспедиция Воронежлеспроект, 1998). Пробные площади закладывали с учетом требований ОСТ 56-69-83.

Исследования проводили в Мало-Лабинском лесничестве на пяти ключевых участках:

1) Дорога на урочище "Голая поляна" - квартал 60 (высота -1010 м над у.м., склон северной экспозиции крутизной от 5 до 25°), насаждение (выдел 7) пройдено рубками промежуточного пользования с последними выборочно-санитарными рубками в 2002 г., контрольный вариант (выдел 8) характеризует участок, где промежуточные рубки не проводились. Проба 1.1 характеризует насаждение 4БКЗОЛЧЮС2ПК, ед. БК, возрастом 45 лет (отдельные деревья бука имеют возраст 150 лет с запасом 10 м3/га). Средний диаметр стволов бука равен 16 см, средняя высота 17 м, класс бонитета -1, полнота - 0,8, запас - 220 м3/га. Тип леса - СВБК, тонкий слой подстилки местами нарушен или уплотнен, возобновление - 10ПК (возраст 2 гола, средняя высота 0,3 м, количество - 2 тыс. шт/га), Проба 1.2 - контрольное насаждение 5ПК2БК1КЛБ2ПК, возрастом 120 лет (второе поколение пихты имеет возраст 190 лет). Средняя высота пихты равна 25 м, средний диаметр - 52 см (второе поколение - соответственно 29 м и 48 см), средняя высота бука - 23 м, диаметр - 28 см. Класс бонитета - III, полнота - 0,5, запас - 370 м3/га, подстилка рыхлая, возобновление - 6ПК4БК (возраст 25 лет, средняя высота 2,5 м, количество - 2,5 тыс. шт/га). Проба 1,3 - свежий след троссо-вой подтрелевки в насаждении (проба 1.1), где содрана лесная подстилка. Проба 1.4 - магистральный волок с выраженной тракторной колеей.

2) Верхний склад и выходящий на него магистральный волок в квартале 60, выделе 7. Проба 2.1 ~ верхняя часть магистрального волока, шириной 5,5 м с выраженной колеей на склоне северо-западной экспозиции кру-

тизной 22°. Проба 2.2 — верхний склад на поляне, где нарушенная почва перемешена с порубочными остатками и уплотнена (склон северной экспозиции крутизной 12°), Проба 2.3 - нижняя (аккумулятивная) часть волока шириной 3,7 м с выраженной колеей на склоне южной экспозиции крутизной 16°.

3) Урочище "Нижняя Борисенка" - квартал 13, выдел 15 и 16; квартал 29, выдел 3 (высота 650 м над у.м., склон западной экспозиции, крутизной 10-25°). Проба 3.1 представляет насаждение 6БК2Г2БК+ОС+Б+ЧШ, в котором проведены проходные рубки в 1971 и 2000 г. Возраст первого поколения бука 45, второго — 80 лет. Средние диаметры соответственно равны 18 и 26 см, высоты - 18 и 23 м. Тип леса - ВДБК, первый класс бонитета, полнота - 0,7, запас - 200 м3/га, подстилка сильно нарушена. Проба 3.2 заложена на днище оврага, возникшего на месте магистрального всшока, нарезанного в 1971 г. Поперечный профиль оврага - трапециевый (ширина по верху 5-^-5,5, по низу - 2.5+-3 м), глубина вреза достигает 2,5 м, крутизна откосов - 70°, На днище обнажены слои мергеля. Проба 3.3 представляет след тракторной полтрелевки с выраженной колеёй (подстилка содрана, живой напочвенный покров уничтожен). Проба 3.4 заложена в насаждении 5БК1Г2БК2Г, возрастом 80 лет, где последние проходные рубки проведены в 1970 г. (тип леса - СВБК, средняя высота бука 23 м, средний диаметр - 28 см, полнота - 0,7, запас - 260 м3/га). Подстилка уплотнена. Проба 3.5 характеризует насаждение 9БК1Г, возрастом 50 лет, где последний цикл проходных рубок проведен в 1995 г. (тип - ВЛБК). Подстилка уплотнена и частично нарушена. Проба 3.6 - магистральный волок вдаль склона юго-восточной экспозиции, крутизной 8° (гумусовый слой уничтожен, пятна подстилки, тракторная колея выражена слабо).

4) Урочище "Капустино" (квартал 51, выдел 11 и квартал 55, выдел 7, высота 1600 м над у.м., склон северо-восточный, западной и восточной экспозиции крутизной от 15 до 30°), Проба 4.1 Характеризует вторичный лес на вырубке 1989 г., восстановившийся из подроста пихты - 10ПК (16 лет),

ед. БК (90 лет). Средние высоты и диаметр пихты соответственно равны 5 м и 6 см; полнота - 0,4; запас - 20 м'/га. Кроме этого порос ле-семенное насаждение 50С2БК2ИВД1Б (возраст 15 лет) имеет среднюю высоту 8 м и диаметр - 8 см, полноту - 0,4 и запас - 30 м^/га. Истонченная лесная подстилка местами уничтожена. Последний цикл рубок проведён в 1993 г. Проба 4.2 представляет не эксплуатируемый волок с пятнами подстилки на щебне с глинистым заполнителем и деревцами граба на склоне западной экспозиции крутизной 23°. Проба 4.3 - фрагмент первичного леса, не затронутого рубками; состава 4БК2ПК2БК2ПК (возраст первого поколения 90 лет, второго - 150+200 лет, высота соответственно 23 м и 29+32 м, диаметр-26 и 50+64 см), полнотой - 0,5 и запасом - 1500 м3/га.

5) Урочище "Голая поляна" (квартал 67, высота около 1700 м над у.м., склоны различных экспозиций крутизной 15+27°). Проба S.1 представляет свежую вырубку (рубки переформирования) на склоне юго-западной экспозиции крутизной (24°) с нарушенной подстилкой и поврежденным подростом пихты (30 Уо).'Проба 5,2 - след троссовой трелевки с уничтоженным подростом и содранной подстилкой на склоне юго-западной экспозиции крутизной около 27°, Проба S.3 - лесовозная дорога, укрепленная порубочными остатками пихты втоптанными в колею и заиленными мелкоземом, на склоне северо-западной экспозиции крутизной 15°. Проба S.4 - первичный лес, где рубки не проводились, составом 5ПК1Б1С20С2Б (возраст 110 лет) при средней высоте и диаметре пихты 25 м и 32 см, полноте - 0,6, запасе -420 мэ/га (тип леса - СВП) на склоне юго-восточной экспозиции (25°).

На пробах закладывали по две стоковых площадки-близнеца (размером 1,43x0,7 м каждая), одна из которых дождевалась, а на другой - отбирали образцы живого напочвенного покрова (жил), лесной подстилки (лп) и почв (из слоя 0-20 см). Дождевание проводили по методике В.М. Ивонина и Н.Д. Пеньковского (2003) с помощью мобильной капельно-струйной уста-

новки. При дождевании выдерживали условие Wl3o = idem {при средней интенсивности дождевания 3 мм/мин).

Почвенные образцы отбирали, перевозили и хранили в соответствии с требованиями ГОСТ 12071. Мутность сточной воды, как на площадках дождевания, так и в естественных ручьях определяли при отборе проб объемом 0,25-Ю,5 л. В почвенных образцах с ненарушенным строением в грунтовой лаборатории института "Сочигражданпроект" определяли: влажность (ГОСТ 5180-79), пределы и числа пластичности (ГОСТ 5183-77), водно-физические характеристики (ГОСТ 5180-84). Прочностные характеристики почв и грунтов (коэффициенты внутреннего трения и сцепление) определяли на приборе ПСГ-2М по схеме быстрого сдвига в условиях незавершенной консолидации.

При изучении эрозии почв на тракторных волоках использовали методику WEPP-Water Erosion Prediction Project (D. С. Flangan at al., 1995), модернизированную следующим образом; на опытном волоке оборудовали каскад створов, где наблюдали за гидравлическими характеристиками ручьев (при естественных ливнях) в нюне 2002 г. При этом определяли (после прохождения пика интенсивности ливня): ширину , глубину и форму поперечного сечения потока, уклоны тальвегов, скорости течения и мутность. После обработки данных рассчитывали расходы стока и взвешенных наносов, числа Рейнольдса и Фруда.

В третьей главе проведен анализ промежуточного пользования в лесах Псебайского лесхоза. Было определено, что в горных эксплуатируемых лесах соответствует нормальному распределение площадей по классам бонитета и полнотам для групп хвойных и тверделиственных пород, а также для основных пород в группах (пихта кавказская и бук восточный).

Основные площади заняты насаждениями I-III класса бонитета с полнотой 0,5-4),б. Приспевающие насаждения занимают около 10 % площади, что в будущем скажется на снижении расчетной лесосеки, которая в на-

стоящее время определяется промежуточными рубками (прореживания, проходные, выборочные санитарные к обновления).

В четвертой главе исследованы буково-пнхтовые леса на охраняемых природных территориях (ОПТ), на местах вырубок и в лесах, пройденных промежуточными рубками. Было определено, что в свежих и влажных условиях местопроизрастания с достаточно мощными и богатыми почвами в возрасте до 270 лет буково-лнхтовыс леса ОПТ образованы несколькими поколениями с общими запасами древесины достигающими 570-^630 м3/га, и жизнеспособным подростом ценных пород. На местах вырубок возникли вторичные леса с участием в составе (кроме бука и пихты) березы, ольхи, граба и ивы.

Периодическое изреживание буково-пихтовых насаждений старше 50 лет с выборкой приспевающих и спелых деревьев и использованием при трелевке гусеничных тракторов приводит к деградации лесных экосистем: доминирование в составе малоценных видов, подавление подлеска и угнетение подроста бука и пихты, активизация эрозионных процессов.

В пятой главе анализируется сток, эрозия и прочностные характеристики почв в связи с промежуточными рубками в буково-пихтовых лесах. Известно, что интегральными показателями эрозии почв в лесных экосистемах служат воздушно-сухая масса живого напочвенного покрова (жнп) и лесной подстилки (лп), а также водно-физические характеристики верхнего слоя почв. Значения этих показателей на пробах представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Характеристики воздушно-сухой массы жни, лп и физические свойства слоя почв 0-20 см

№ пробы Масса жнп и лп, т/га Пределы пластичности, доли ед. Удельная масса ПОЧВЫ, г/см5 Плотность, г/см1 Пористость, % Коэффициент пористости

верхний нижний влажной почвы сухой почвы

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Ключевой участок 1 - дорога на "Голую поляну"

1.1 5,55 0,407 0,226 2,60 1,81 1,67 35,9 0,560

12 10,10 0,411 0,224 2,60 1,93 1.58 39,2 0,645

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1.3 7,55 0,404 0,210 2,59 1,63 1,32 49,0 0,966

1.4 0 0,297 0,180 2,64 2,01 1,65 37,6 0,602

Ключевой участок 2 - верхний склад и выходящий на него волок

2.) 0 0,398 0,232 2,60 1,97 1,70 34,5 0,527

2.2 0 0,300 0.176 2,65 2,05 1,70 35,7 0,555

2.3 0 0,517 0,336 2,65 2.06 1,80 27,8 0,469

Ключевой участок 3 - \ рочише "Нижняя Борисе« на"

3.1 6,50 0,674 0,568 2,43 1,54 0.96 60,7 1,544

3.2 0 0,377 0,214 2,61 1,97 1,58 39,5 0,653

3.3 5,90 0,445 0.255 2,23 1,76 1,41 36,7 0,569

3.4 13,90 0,527 0,310 2,50 1.99 _1169_ 32,3 0,476

3.5 6,50 0,550 0,330 2,55 1,63 1,17 54,1 1,178

3.6 1,55 0,534 _0,344 2,55 1,92 1,48 42,0 0,721

Ключевой участок 4 — урочище "Капустино"

4.1 5.25 0,943 0,217 2,23 1,13 0,64 71,2 2,465

4,2 1,40 0,300 0,220 2,60 1,66 1,32 49,3 0,972

4,3 24,50 0,563 0,442 2,43 1,54 1,12 53,9 1.168

Ключевой участок 5 - урочище "Голая поляна*

5.1 15,05 0,654 0,544 2,23 1,17 0,75 66,4 1,971

5.2 8,30 0,635 0,512 2,23 1,17 0,76 66,1 1,950

5.3 0 0,423 0,239 2.34 1.61 1,41 40,0 0,661

5.4 17.0 0,617 0,430 2,23 1,27 0,88 60,7 1,548

По данным таблицы 1 видно, что общая воздушно-сухая масса жнп и лп на пробах варьирует от 0 до 24,5 т/га. Существует обратная связь между массой жнп и лп на вариантах (пробах), за исключением волоков и лесовозных дорог. При этом на контрольных участках лесов (пробы 1.2; 3.4 и 5.4) масса лп варьирует в пределах от 10 до 24,5 т/га, а масса жнп от 0 до 1 т/га; на вариантах с проходными рубками масса лп может уменьшаться до 5,5 ■*■ 6,0 т/га, а масса жнп увеличиваться до 0,5 1 т/га (пробы 3.1 и 3.5).

По характеристикам пластичности к данным гранулометрических описаний заключаем, что пробы 1,1 1.3; 2.3; 3,3 ^ 3,6» 5,3 характеризуют глины с дресвой или мелкозернистым песком; пробы 1.4; 2,1 -¡- 2,2; 3.1+ 3.2; 4,2+4,3 - суглинки со щебнем; пробы 3.1; 4.1; 5,1 и 5,4 - суглинки и глины с содержанием органики 10+ 15 % (наблюдается заторфованность). Это сказалось на уменьшении плотности верхнего слоя абсолютно-сухой почвы

до 0,64 + 0,96 г/см 3. Заметно влияние промежуточных рубок и волоков на уплотнение почв (см. таблицу 1).

В целом, под влиянием нарезки волоков и лесовозных дорог, периодического нзреживання древесного полога при промежуточных рубках нарушаются лесная подстилка и живой напочвенный покров и ухудшаются водно-физические свойства бурых лесных почв, что ведет к деградации лесных экосистем, интегральным показателем которой служат поверхностный слой и эрозия почв (таблица 2).

Регрессионный анализ экспериментальных данных привел к соотношению:

S = 0,081 - 0,025 m + 0,26 у при R - 0,786 ± 0,085, (I) где S - коэффициент стока; R — коэффициент множественной корреляции.

По соотношению'(1) заключаем: на неуплотненных почвах (у < 1 г/см1) в насаждениях, где промежуточные рубки не проводили, сток отсутствует при m > 13 т/га, максимальное уменьшение этой массы (ш = 0) ведет к возрастанию S до 0,3; на уплотненных почвах (уср = 1,35 г/см3) в местах падения срубленных деревьев, их подтрелевки сток может отсутствовать при m > 17 т/га, с максимальным уменьшением этой массы (ш = 0) коэффициенты стока возрастают до 0,44; на переуплотненных почвах (у^ = 1,7 г/см3) волоков, погрузочных площадках, лесовозных дорогах гипотетически стока может не быть при m > 20 т/га (на практике этого не наблюдается во всех случаях, кроме укрепления поверхности лесовозных дорог порубочными остатками), а при ш = 0 коэффициенты стока увеличиваются до 0,5 и более. Связи эрозии почв (Э, т/га) с показателями ш и у характеризует равенство: Э = 2,46 у-0,18 т- 0,385 при R = 0,571 ±0,150 (2) По равенству (2), па неуплотненных почвах (у < 1 г/см3) эрозия отсутствует при ш > 11 т/га. Уменьшение этой массы до нуля приводит к увеличению эрозии до 2 т/га. На уплотненных почвах (у = 1,35 г/см3) эрозии нет при m > 16 т/га, а при максимальном уменьшении массы (ш = 0) эрозия

Таблица 2 - Характеристики поверхностного стока и эрозии почв (сдой дождя 90 мм, интенсивность - 3 мм/мин)

№ пробы

Период от последней рубки, лет

Влажность слоя почв 0-20 см, %

Слой

инфильтрации

Коэффициент стока

Время, мип

стока

добегання

Интенсивность впитывания, мм/мин

Средняя мутпость стока, г/л

Эрозия, т/га

Участок 1 — дорога на "Голую поляну"

1.1

1.2

1.3_ \А

Не учитывали

1

Не учитывали

8,6

22,1

23,7

22,0

87,7

90,0

70,8

30£_

2,3

0

Ш.

60,0

0,0255

0,2133

24,0

25,0

0,6667

29,0

0,5

1.0

1,5

А875_

3,000 1

0,10

2,284 "] 0,20

0,952

Участок 2 - верхний склад и выходящий на него волок

0,40

0,002

0,038

0,240

2.1

2.2

2.3

Не \гчитываля

То же

-/-

15,7

33,3

20,3

27,6

14/2

32,9

56,7

62,4

57,1

0,6300

0,6933

0,6340

29,5

30,0

29,5

2,0

2,1

1,353

0,860

3,0

0,997

13,30

10,75

16,00

7,541

6,703

9,136

3.1

61,2

88,2

Участок 3 ~ урочише "Нижняя Борисевка

1,8

0,0200 " | 5,0

0,5 1 2,892

2,10

0.038

3.3

3.4

Не учитывали I _1

24.8

57,0 _

33.0

0,3667

28,0

1,0

1,839

24.6

56.8

33,2

0,3669

25.0

31

17,5

90,0

0,009

0,0001

2,0_ 0

1,775

3.000

1,30

0,60

0,429

0.199

3.5

39,2

89,8

0.2

0,0022

2,0

2,940

следы

0,035

3.6

Не учитывали 1 29,6

22,1

67,9

0,7544 | 30,0

1,0 | 0,713

2.20

1,424

4.1

4.2 { Не учитывали

43 I

То же

75,6

25,9

37,4

89,6

67,3

90,0

Участок 4 - урочише "Капустмго"

0.4

22,7

0

0.0044

0.2522

0

23^0_ "28,5

1,0

2,987

2Д71_

3,000

Участок 5 - урочище "Голая поляна'

1,55

0,75

■0

0,006

0,170

5.1

55,9

89,7

0,3

0,0033

4.0

2.990

£

5.2

1

54.8

85,5_

4,5

0,0500

5.3 I Не учлтыва-ш

5.4

х.

Тоже

45.1

33,0 90,0

57,0

0,6333

30.0 0

1,0

2,758

1,0

. 1,258 3,000

6,40

0,288

14,75

8,407

увеличивается до 3 т/га. На переуплотненных почвах (у1р = 1,7 г/см3) гипотетически эрозия может отсутствовать при ш > 20 т/га.

Таким образом, укрепление лесовозных дорог порубочными остатками массой более 20 т/га можно предупредить эрозию почв на время транспортировки древесины при промежуточных рубках. При отсутствии такого укрепления на переуплотненных почвах магистральных волоков и лесовозных дорог эрозия может увеличиваться до 3,8 т/га.

Следует отметить, что кроме плотности почвы и массы жнп и лп на эрозию влияет еще и бронирующая роль щебня, отмываемого на поверхности почвы при ЛИВНЯХ.

Следовательно, после каждого цикла промежуточных рубок в лесах старше 50 лет масса лесной подстилки уменьшается, а платность верхнего слоя буроземов возрастает. С течением времени лесные экосистемы восстанавливают свою структуру, когда масса лесной подстилки увеличивается, а плотность почвы - уменьшается. При этом для формирования капельного, а затем и ручейкового стока требуется все большая продолжительность интенсивных ливней. Полагаем, что продолжительность периода относительного восстановления структуры лесной экосистемы после очередного цикла рубок может служить обоснованием периодичности изреживания насаждений.

Обработка экспериментальных данных привела к уравнению связи коэффициентов стока с периодичностью проходных рубок (Т, лет):

3 = 1/ 12,76 Т1'7 при г = -0,830 ±0,103. (3)

В процессе экспериментов было установлено, что капельный сток характеризуется коэффициентами стока менее 0,0008. По уравнению (3), такие значения коэффициентов стока определяют Т = 15^20 лет. При умен ь-шении Т до 10 лет коэффициенты стока заметно возрастают, а при дальнейшем уменьшении - резко увеличиваются и сток из капельного переходит в ручей ковы й.

Поэтому относительная устойчивость буково-пихтовых лесов достигается при 15^20-летннх периодах между циклами проходных рубок (с интенсивностью не более 10 % запаса).

Известно (М,Н. Гольштейн, 1962), что при насыщении почв и грунтов водой равновесие склонов нарушается, если уклон (¡) составит более половины коэффициента внутреннего трения 0 ц ф).

Соответственно, по уравнению Кулона, сопротивление бурых лесных почв оползанию (т, МПа) определяется не только коэффициентами внутреннего трения, но и сцеплением между частицами (С. МПа). Результаты исследований устойчивости склонов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты исследований устойчивости склонов

№ пробы Уклон, 1 Коэффициент внутреннего трения, Цф Коэффициент устойчивости, К = ¡Лрч> Сцепление, (С), МПа

Участок 1 -дорога на "Голую поляну"

1.1 0,0875 0,225 0,39 0,076

1.2 0,3640 0,400 0,91 0,050

1,3 0,2126 0,487 0,44 0,021

1.4 0,1051 0,512 0,21 ! 0,027

Участок 2 - верхний склад и выходящий на него волок

2.1 0,4040 0,375 1,08 I 0,037

2.2 0,2126 0,200 1,06 ] 0,070

I 2 3 4 1 5

2.3 0,2679 0,275 0,97 ) 0,046

Участок 3 - урочище 'Нижняя Борисенка"

3.1 0,24« 0,450 1 0,55 0,020

3,2 0,1405 0,325 0,43 0,057

3,3 0,1051 0,375 0,28 0,063

3.4 0,0349 0,475 0,07 0,016

3.5 0,1763 0,325 0,54 0,035

3,6 0,1405 0,325 | 0,43 0,045

Участок 4 - урочище "Капустино*

4.1 0,5774 0,350 1.65 0,032

4.2 0,4245 .0,250 1,70 0,052

4.3 0,2679 0,325 0,85 0,037

Участок 5 - урочише "Голая поляна"

5,1 0,4452 0,350 1,27, 0,030

5.2 0,5095 0,350 1.46 0,097

5.3 0,2679 0,250 1.07 0,070

5.4 0,4663 0,325 1,43 0,023

Из данных таблицы 3 видно, что коэффициенты трения определяют

коэффициенты устойчивости склонов. При увеличении К = 1 / ф > 0,5 с водонасыщением верхних слоев почвы во время ливней устойчивость склонов подрезанных волоками и лесовозными дорогами нарушается, что приводит к эрозионно-оползевым явлениям. Опасность этих явлений особенно проявлена на пробах 2.1+2.3; 4,1+4.2 и 5,1+5,4.

Обнаружена прямая линейная связь сцепления с плотностью слоя 0-20 см абсолютно-сухой почвы (г— 0,429 ± 0,183), т.е. сцепление увеличивается с уплотнением почв. Кроме этого, связь сцепления с эрозией почв отражается полиномом второго порядка (11 = 0,437 ± 0,180), т.е. до определенного значения плотности почвы сцепление прямо связано с эрозией, а при переуплотнении (когда интенсивность впитывания приближается к нулю) эти показатели обратно связаны между собой.

Следует помнить, что сцепление лесных почв определяется еще и корненасыщеиностью. Влиянием этого фактора можно объяснить недостаточную тесноту связей между сцеплением, плотностью почвы и эрозией,

В шестой главе приведены данные исследований эрозии почв на трелевочных волоках. Исследования вели во время ливней 12,VI, 15.VI и 20. VI.02 г. на 2-х {приточном и транзитно-аккумулятивном) участках опытного волока (квартал 13 Мало-Лабинского лесничества), которые были разделены на отрезки, оборудованные створами наблюдателей. Ширина волока изменялась от 3,3 до 5,5 м, крутизна по отрезкам — от 16 до 32°, (сток на приточный участок волока поступал с верхнего склада (погрузочной площадки) и с нагорного склона в виде ручьев.

При обработке данных наблюдений была обнаружена связь мутности сточной воды (М, г/л) с числами Фруда (Гг): -на приточном участке волока

М = 0,76 Рг + 6,2 при г = 0,765 ±0,107; (4)

-на транзитно-аккумулятивном участке

М = 5,65 Рг+ 1,67 при т = 0,847 ±0,052. (5)

Анализ уравнения (4) показывает, что на приточном участке мутность изменяется незначительно, определяясь эрозией разбрызгивания почвы на межколейном массиве почвогрунта. Спокойный режим течения потоков обеспечивал постепенную отмывку щебня, "бронирующего" поверхность тракторной колеи.

По уравнению (5), на транзитно-аккумулятивном участке проходило нарастание мутности ливневых потоков с увеличением чисел Фруда за счет возникновения порожистых русел и попятной разработки щебенистой от-мостки, слагающей тракторную колею. При эгом происходило расчленение межколейного массива почвогрунта сетью ручьев при переполнении колеи, когда глинистые частицы взвешивались в потоке при его бурном режиме течения (Рг> 1).

Уничтожение защитного щебенистого слоя, отмытого на поверхности колеи, может активизировать эрозионный врез волока при последующих ливнях. Это предположение было проверено при искусственном дождевании поверхности магистральных волоков в разной степени врезанных в почву (таблица 4).

Таблица 4 - Физические характеристики, прочностные характеристики и эрозия поверхностного слоя почв (0-20 см) на волоках, с разной степенью эрозионного вреза

Характеристика поверхностного слоя почв Врез волока В почву, м Плотность почвы, г/см1 Коэффициент трения Сцепление, МПа Эрозия, т/га

влажно ¡3 Сухой

] 2 3 4 5 6 7

Горизоет В], техногенно уплотнен 0.4 2,01 1.65 0,5)2 0,027 0,240

Горюонт Вз, техногенно уплотнен 0,6 1,97 1,70 0.375 0,037 7,541

Толща аккумуляции уплотнена 0,5 2,06 1,80 0,275 0,046 9,136

Горизонт А1, подстилка со- .. драна нет 1.54 0,96 0,450 0,020 0,038

ГоризонтС, слой мергеля с глинистым заполнителем 2,2 1,97 1,58 0,325 0,057 0,429

Горюонт Вз, уплотнен 0.7 1,92 1.48 0.325 0,045 1,424

Продолжение таблицы 4

1 2 3 4 5 6 7

Горизонт С, слои мергеля с глинистым заполнителем 0,9 1,61 1,41 0,250 0,070 8,407

По данным таблицы 4, углубление волока в почву при её эксплуатационном уплотнении привадит к возрастанию эрозии почв за счет увеличения расходов воды. Эрозия почв может увеличиваться незначительно на участках малой крутизны. Коэффициенты трения и сцепление могут увеличиваться за счет нагрузок, вызванных проходами трелевочной техники.

Углубление волока до материнской породы не усиливает эрозии, т.к. противоэрозионная стойкость полускальных пород достаточно высока, а их трещи новатость обеспечивает впитывание воды.

Процесс оврагообразования на магистральных волоках сдерживается защитным слоем щебня, отмытым на поверхности волоков. Однако этот слой может уничтожаться при повышении бурности ручьев в порожистых руслах или сдираться при трелевке древесины. При неоднократном прохождении трелевочных тракторов формируется корытообразная форма поперечного сечения волока, с крутыми откосами и выпуклым днищем. Здесь накапливается грунтово-шебенистая масса, у которой при водонасыщении резко уменьшаются коэффициенты внутреннего трения. Это приводит к усилению эрозии и передвижению накопленной массы к основанию склона или серпантинному "колену" волока. Связь между эрозией и коэффициентами внутреннего трения имеет вид:

Э = 1 / 569 {Щ при г = -0,748 ±0,166 (6)

На крутых склонах при этом могут возникать эрозионно-оползневые образования. Эрозия в сопровождении поточных оползней продолжается до удаления материала содранного с днища и откосов волока и отмывки, а на его поверхности нового защитного слоя щебня. Уничтожение этого слоя в процессе эксплуатации волока приводит к повторению очередного цикла эрозии, пока днище не достигнет породы, ограничивающей эрозионный

врез. Постепенно днище волока приобретает поперечный профиль, выпуклый в середине и вогнутый по краям (в местах перетирания мергеля гусеницами трактора).

В седьмой главе представлена экономика промежуточного пользования. По предлагаемой технологии промежуточных рубок (цикл между промежуточными рубками - 20 лет, выборка по запасу за одни цикл - 10 %) доход равен 297250 руб/га. По базовой технологии (никл - 10 лет, выборка-10-5-15 %) доход составляет 217731 руб/га. Эффективность предлагаемой технологии равна 79519 руб/га. При этом в результате сокращения количества циклов промежуточных рубок к возрасту 100 лет формируется двухярусное буково-пихтовое насаждение с высокими защитными свойствами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ I. В горных эксплуатируемых лесах Псебайского лесохозяйственного района Северного Кавказа соответствует нормальному распределение площадей по классам бонитета и полнотам для групп хвойных и твердолист-венных пород, а также для основных пород в группах (пихта кавказская и бук восточный). Основные площади заняты насаждениями 1-Ш классами бонитета с полнотой 0,5-Ю,6, Приспевающие насаждения занимают 10 % площади, что в будущем скажется на снижение расчетной лесосеки, которая в настоящее время определяется промежуточными рубками (прореживания, проходные, выборочные санитарные и обновления).

2. В свежих и влажных условиях местопроизрастания с достаточно мощными и богатыми почвами в возрасте до 270 лет буково-пихтовые насаждения образованы несколькими поколениями с общими запасами древесины достигающими 570-Н>30 мэ/га и жизнеспособным подростом ценных пород. На месте вырубок возникли вторичные леса с участием в составе (кроме бука и пихты) березы, ольхи, граба и ивы.

3. Периодическое изреживание буково-пихтовых насаждений старше 50 лет с выборкой приспевающих и спелых деревьев и использованием при

трелевке гусеничных тракторов приводит к деградации экосистем: доминирование в составе малоценных видов, подавление подлеска, угнетение подроста бука и пихты, активизация эрозионных процессов.

4, В буково-пихтовых лесах, после проведения всех циклов промежуточных рубок, формируется порослево-семенное насаждение 45+50-летненго возраста с участием в составе единичных деревьев бука или пихты (120-450 лет). На вырубках прошлых лег происходит куртинное (из подроста) возобновление пихты.

5. В буково-пихтовых лесах воздушно-сухая масса лесной подстилки (лп) изменяется от 10 до 25, а живого напочвенного покрова (жнп) от 0 до 0,1 т/га. После рубок масса лп уменьшается до 5-И 5, а жнп - увеличивается до 0,05+1,3 т/га. На магистральных эксплуатируемых волоках лп и жгп отсутствуют. Сохранность лп и жнп связана с водно-физическими свойствами почв.

6. Плотность верхних слоев почв иа вариантах исследований во влажном состоянии нзд1еняется от 1,13 до 2,06, а в абсолютно сухом состоянии -от 0,64 до 1,80 г/см3. Низкие значения плотности на отдельных вариантах объясняются заггорфованностью почв, а высокие - их приуроченностью к магистральным волокам и лесовозным дорогам.

7. Во время ливней поверхностный сток и эрозия почв обратно зависят от воздушно-сухой массы лп и жнп и прямо — от плотности слоя 0-20 см абсолютно сухой почвы, которые определяют интенсивность впитывания воды.

8. В буково-пихтовых экосистемах старше 50 лет после каждого цикла проходных рубок масса лесной подстилки уменьшается, а плотность верхнего слоя буроземов возрастает. С течением времени экосистема относительно восстанавливает свою структуру, увеличивая массу лесной подстилки и уменьшая плотность почв. Это определяет периодичность проходных рубок, которая связана логарифмической зависимостью с показателями местного стока при ливнях,

9. Уплотнение почвы и снижение пористости ведет к усилению сцепле-

ння между почвенными частицами. При этом эрозия почв усиливается за счет возрастания стока, а затем уменьшается (за счет усиления сцепления при коэффициентах стока близких к единице). Коэффициенты трения при уклонах более ОД 126 определяют устойчивость склонов при водонасышепни буроземов.

10. Нарезка и эксплуатация тракторных волоков приводит к переуплотнению нарушенных бурых лесных щебенистых почв, увеличению и сосредоточению стока ливневых вод, усилению эрозии, зависящей не столько от ударного воздействия капель, сколько от гидравлических характеристик потоков, формирующихся по колее. При этом эрозия сдерживается самоот-мосткой поверхности слоем щебня, который может быть уничтожен в процессе эксплуатации волоков. Самоотмостка и уничтожение этого защитного слоя определяет цикличность эрозионного вреза волоков.

11. При достижении днища волока материнской породы (пласты мергеля и др.) эрозионный врез проявляется лишь в местах перетирания гусеницами трактора поверхности обнаженных слоев полускальной породы, где она превращается в глинистую и выносится по уклону при очередных периодах стока. В результате днище волока принимает сложный поперечный профиль - выпуклый в середине и вогнутый - у оснований противоположных откосов.

12. Экономически выгодно и экологически приемлемо проведение промежуточных рубок с продолжительностью между циклами не менее 20 лет и выборкой по запасу не более 10 % за каждый цикл. Эффективность предлагаемой технологии рубок по отношению к базовой технологии, примерно равна 80 тыс. руб/га.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

I. В буково-пихтовых лесах периодичность проведения прореживаний и изреживаний древостоев должны быть не менее 20 лет с выборкой не более 10 % запаса за каждый цикл рубок.

2. На время проведения очередных промежуточных рубок полотно лесовозных дорог следует укреплять неликвидом и порубочными остатками, массой 20 т/га и более.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жарков П. А. Эрозия почв при промежуточных рубках в буково-пихтовых лесах // Научная мысль Кавказа. Приложение, 2003. N° 5. - С. 106-107,

2. Ивонин В.М., Жарков П.А. Эрозия почв на трелевочных волоках в горных лесах // Восемнадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Курск, 28-30 октября 2003 г. Доклады и сообщения. - Курск, 2003. - С. 133134 (автор 60%).

3, Ивонин В.М., Жарков П.А. Эрозия почв и селевые потоки на выру&-ках в горных лесах II Защита народохозяйственных объектов от воздействия селевых потоков (Материалы Международной конференции по селям. Пятигорск, 17-21 ноября 2003 г.) - Новочеркасск-Пятигорск, 2003. - С, 11-13 (автор 60 %).

4, Ивонин В.М., Жарков П.А. Эрозия почв в буково-пнхтовых лесах, пройденных промежуточными рубками // Лесное хозяйство. - 2004. № 2, С, 17-20 (автор 50%).

Подписано в печать ii.II.2u04 ТиражЮОэкз,

Заказ № 280

Типография НГМА, ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск.

'fp ~ <z¿¿que?casts'

<Я5■/SvS.JïS- V,

. -----------------------> /7/^ ✓ """ ......

-/W"'.........

£. Ш

f^ßiLUX, fy^ ___Л