Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Географическая изменчивость производительности еловых насаждений в европейской части лесной зоны

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

Автореферат диссертации по теме "Географическая изменчивость производительности еловых насаждений в европейской части лесной зоны"

На правах рукописи

КОСТИН Николай Васильевич

ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЕЛОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ В ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ ЛЕСНОЙ ЗОНЫ (математическая модель)

Специальность 06.03.03. Лесоведение,лесоводство; лесные пожары и борьба с ними

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербрг -1997

<Ъ «V

Райша выпймнбна и Ини-кща-е леса Карельского Научного Центра Российской Академии Наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАСХН,

д.с.-х.н. Казишров К.И.

Научный консультант: заслуженный деятель науки Карелии,.

заслуженный лесовод Карелии к. с> *"Ха На Волков А. Д.

Официальные оппоненты: д.б.н. Курец В.К.

К» с« ™х» н. Филиппов Г. В.

Ведлуее предприятие: Коштет по лесу Республики Карелия

Защита состоится " НСИ^РХ 1997 г. в 14 час. на заседании дассертационного Совета К 028.05.01 Санкт-Петербургского Научно-исследовательского Института лесного хозяйства по адресу: 194021, г.Санкт-Петербург, Институтский пр..21. зал ученого совета.

Автореферат разослан " Сйггпх-^Ш- 1997 г.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с заверенные подгася%и по адресу: 194021, г. Санкт-Петербург. Инстшугский пр. ,21.

Ученому секретарю Диссертационного Совета

Учены» секретарь Диссертационного Совета д.с.-х.н. Константинов В.К.

(

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работа. Повышение продуктивности лесов в целях удовлетворения возрастающей потребности народного хозяйства в древесине остается важнейшей задачей лесоводства. Одним из направлений в ее решении должна быть оптимизация размещения основных лесообразущих пород на территории гослесфонда на основе точного учета требовательности той или иной' древесной породы к условиям местообитания. Кроме того в условиях усиления антропогенной нагрузки на леса насущной задачей становится оптимизация экптюго-экономического лесопользования а также возможности предсказания последствий (особенно отрицательного характера) антропогенного воздействия на лесные экосистемы. Назрел такие вопрос о передаче лесных земель в аренду и другие форм владения, что немыслимо без экономической (котичественной) оценки их лесорзстительного потенциала.

Эти задачи могут успешно решаться на базе количественной экологии. способной давать количественную оценку реакции древесных пород на количественные изменения факторов внешней среды.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - разработка ьетематичвской [.щели зависимости производительности еловых насаждений в европейской территории страны от количественных показателей экологических факторов.

Исследованиши. направленными на достижение поставленной цели. предусматриваюсь решение следукщих задач:

1. В климатически однородном районе установить количественную

зависимость прсиэвсяительности ельников от параметров основных почвеню-пщзологических факторов:

1.1. Глубины залегания грунтовых вод,

1.2. Проточнссти почвенной влаги,

1.3. Механического состава почвы.

2. Установить изменчивость производительности еловых насаждении в зависимости от основных климатических факторов.

Научная новизна. Впервые для условий лесной зоны европейской части страны .установлена количественная связь между производительностью еловых древостоев и параметрами почвешо климатических и климатических факторов. Выявлена зависимость средней высоты еловых древостоев от количества приходящего тепла и влаги, механического состава почвы, глубины залегания и проточности грунтовых вод. Разработана математическая модель динамики производительности еловых древостоев для европейской территории страны.

Практическая ценность и реализация результатов. Результаты исследований использованы для составления экологических нормативов (наука-производству) "Производительность еловых насаэдении по типам леса" (Петрозаводск, 1991).

Обоснованность и достоверность выводов подгвервдается большом количеством о&ьектов (заложена и детально обследовано 107 пробных площадей). Работа выполнена при проработке плановой научно-исследовательской темы "Динамика структуры и функций лесных биогеоценозов в связи с изменением параметров основных экологических факторов" (номер государственной регистрации - 01860004762).

Апробация работы. По результата»! исследований представлены тезисы докладов на всесоюзных совещаниях "Математическое моделиро-

ваше в биогеоценсигагии" (Петрозаводск, 1985), "Проблемы лесоведения и лесной экологии" (Москва., 1990)"Теория лвсообрззовзтелького процесса" (Красноярск., 1991) а также сделано сообщение на семинаре "Использование математических методов в биологии" (Петрозаводск. 1993).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 публикациях.

Организация исследований и личный вклад автора заключается в в сборе экспериментальных данных, проведении их математического анализа и бюэкшогической интерпретации.

Автор искренне благодарен .участникам темы: члену-корреспон-

денту РАСХН д. с. -х. н. Н. И. Назимирову .. Т. М. Горбуновой, И. А. Дмит-

риевой. С.Л.Еройеевской, В. В. Шшотовстому, В.Ф.Иванову, А.Г.Ля-динскому, к.с.-х.н. Ю.В.Преснухину; а таюке зам. директора Института леса к. с. -х.н. А. Д. Волкову за внимание к данной работе и ряд ценных замечаний и сотруднику ОММАНИП Н. И. Куэьменко за практическую помощь в системна.) обеспечении и программировании.

Структура и объем работы. Содержание диссертации изложено на 194 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 269 наименований, в тал числе 6 на иностранных языках. Работа шлюстриро-вана 51. таблицей, 11 рисунками и 1 приложением.

- б -

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Математическое моделирование как метод познания и количественного выражения закономерностей в настоящее время все больше привлекает внимание специалистов в области естествознания. Развитие математического моделирования обусловлено, очевидно, тем, что наука .уже подошла к той черте, когда качественные (описательные) представления о явленияк природы или ее объектах уже недостаточны для понимания их сущности и экогого-экондатческой оптимизации природопользования. Кроме того, успешное применение данного метода стаю возможным благодаря широкому распространению быстродействующих ЭВМ, позволяющих осуществлять настройку модели (добавляя, исключая или изменяя ее параметры), приближая ее тем самым к реальным явлениям и объектам. Такие вдели весьма полезны как средства интеграции всего того, что известно о моделируемой ситуации. На важность количественной оценки лесорастжельных условии при изучении роста леса указывали В. В. Загреев (1969,1978), Ф. И.Плешиков (1977), Г. В. Филиппов, В. Р. Рубцов, 0. Г. Чертов (1980), Н. И. Казимиров (1982,1986), С. В.Зонн и Л. 0. Карпачевский (1987) и другие.

В последние годы в области лесоведения появились многочисленные работы, посвященные количественной экологии леса (Смирнов, 1955; Бобровник, 1965; Тимофеев, 1969; Родин, Мерзленко, 1974: Вайчис, 1976; Богашева, 1969; Зеликпв, 1971; Чертов, 1981; Горев, 1974; Баранов, 1983 и др.). Общей тенденцией проводимых исследований южно считать стремление авторов выявить параметры окружающей среды, наиболее тесно связанные с производительностью древостоев. Такого же

мнения придерживается Ф. Я. Гаврилок (1970) в отношении бонитировки земель в сельском хозяйстве, подчеркивая, что "только правильный выбор ведущих, хорошо различимых и устойчивых даагаэстическик признаков (показателей), коррелирующих с- урокзйностью, может служить научной основой бонитировки почв" (Гаврилок, 1970. с.55).

Известно, что расттрхтрзнение и рост видов- лесообрззователей зависит от климата того или иного района, а при одинаковом климате - от почвенных услоеий их местопроизрастания. Г. Ф. Морозов (1970) основными легосбразующиш факторами называл биологию древесных растений и географическую среду (климат и псзчвенно-грунтовые условия) . Разные древесные породы, как; известно, неодинаково требовательны к теплу, влзге и почвенному плэдорздао, поэтому возможность произрастания каждой древесной породы и ее продуктивность можно рассматривать как степень соответствия условий их роста биоэкологическим свойствам данной породы (Лхицкий, Чуенкга; 1980).

Влияние швта на лес изучаюсь Г. Н. Высоцким (1915) путем сравнения т.н. "изотопов" - участков леса, сходный по типу рельефа и материнской горной породе почвы, но произрастающих в разных растительных зонах; в результате чего автор приходит к выводу о необходимости ка-гаексного учета факторов теплз и влаги (осадков). На основе литературных данных К. Б, Лосицким и В. С. Чуенковым (. 1930) .установлено, что лучше климатические .условия в Европейской части СССР соответствуют величине индекса сухости М. И. Будыко (1946.) близким к 1, т.е. климату зоны смешанных лесов. В северном или южном направлении от этой зоны производительность и само существование лесов будет зависеть от т. н. "льготирующего" фактора: в таежной зоне, в частности, "датировано" тепло, а в лесостепи - вла-

га. ¿щное предположение подгвервдается результатами другим исследований (Горев.. 1974;Баранов. 1980;Казимиров и др,.. 1982 и др.) =

В водном питании древесных растений кроме атмосферной влаги немалая роль принадлежит грунтовым вода (Ахромейно, 1950; Молчанов, 1952: Писарьков, Давыдов, 1956; Кулик, 1960; Ильинский, 1979; Гаель, Судницин, 1971; СШляк, Петров, 1978 и др.); поэтому продуктивность лесных фитоценозов в связи уровнем грунтовых вод исследовалась многими автора!® (Дубах, 1946; Магтнов, 1953; Воронков, 1973; Побе-динский, 1979 игр.). Некоторые специалисты (Тимофеев, 1969;Лозну-хо, 1980; Григорьев, 1986, Преснухин,1990) предприняли попытку выразить зависимость роста насаждений от глубины залегания грунтовых вод в количественных показателях (в виде уравнений). Однако, единого мнения по вопросу оптимального значения уровня грунтовых вод (УГВ) для роста насаждений среди исследователей нет: он колеблется от 0.7 до 2 м.

В .условиях близкого зажгания водоносного горизонта рост леса во многом зависит от проточности почвенной влаги. Слабая проточ-ность затрудняет снабжение корневых систем деревьев элементами питания и кислородом, что соправождается ухудшением роста леса и заболачиванием территории (Веретенников, 1968; Смоляк.1969; Пьявчен-ко,1985; и др.). В настоящее время количественная характеристика данного параметра еще не разработана, поэтому в качестве показателя проточности нами применятся .уклэн зеркала грунтовых вод, успешно реализованный при изучении экологической производительности сосняков (Казимиров и др., 1986).

Вэжным моментом при опенке эдайичвских условий произрастания лесонасаждений является учет механического (гранулометрического)

состава почвы. Роль гранулометрического состава заключается в том. что ш во многом определяется водно- воздушный реши почвы а также содержание элементов питания в доступной для растений Форме. Впервые на этот признак обратил внимания основоположник отечественного почвоведения Б, В. Докучаев (1950), при бонитировке пахотных земель в Нижегородской губернии в 1882-1866 годах, принимая за основу содержание в почве глинистой фракции. Дальнейшие исследования (Пог-ребняк, 1968: Зеликов, 1971; Орлов, Лукьянов, 1972: Плешиков, 1977; Лосиц-кий, Чуенков, 1980; Мелехов, 1980: Чертов, 1981; Прокопьев, 1981; Казимиров 1986 и др.; и др.) неизменно подтверждают выводы В. В. Докучаева: изменение содержания в почве физической глины гоправождается повышением (или понижением) бонитета лесонасаждений на 2-3 класса, а иногда и более.

Таким образам, ведущими экологическими факторами, определяв шими производительности лесов, являются теплообесттеченность местности, количество приходящей атмосферной влаги (осадки), механической состав почвы, глубина залегания и проточность почвен-но- грунтовой влаги. Эти факторы обеспечивают, с одной стороны, жизненно необходимые для растений .условия и, с гругой стороны, могут оказывать угнетающее (лимитирующее) влияние на их рост. Связь их с производительностью древостоев имеет причинно-следственный характер, они достаточно устойчивы в пространстве и во времени и доступны для количественного измерения.

ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Программой исследований предусматривалось изучить:

а) зависимость производительности еловых древостоев на песчаных почвах от глубины залегания грунтовых вод.;

б) характер и меру влияния проточности грунтовых вод на интенсивность роста насаждений;

в) влияние механического состава почвы на рост ели:

г) зависимость производительности древостоев от количественных показателей основных климатических факторов.

Изучение .указанных вопросов проведено в лесной зоне европейской часта страны: в Мурманской области, северной и южной Карелии; в Ленинградской, Тверской, Московской и Калужской областях (Рис. 1). Исследования велись с применением метода структурно-экологических рядов насаждений (Казимиров, 1986). Подбор объектов проводился с расчета»! составления из ник однородных экологических рядов: 1) по .увлажнению почеы, 2) по проточности почвенной влаги, 3) по механическому составу почвы и 4) по гидро-тер.мческому режиму территории.

Для обеспечения сопоставимости таксационных показателей при Еыборе объектов соблюдаюсь требование об однородности древостоев по строению и структуре, В связи с этим для исследований выбирались чистые по породному составу или с небольшой (до 3 единиц) примесью, простые (одноярусные) , одшЕОзрастные ельники естественного происхождения.

В качестве производительности древостоев принята их средняя высота, приведенная к возрасту 50 лет по бонитировочной шкале (Загреев, 1974) путем редуцирования фактических данных. Обработка пробных площадей велась принятыми в лесной таксации методами (Тюрин, 145:Третьяков и др., 1965; Анучин, 1980). Диаметр среднего дерева

50" ЦТ

Рис. I. Район и географические пункты исследования.

1 - :::дзскз северной тайги г - подзона средней тайги

3 - подзона юля ой тайги

4 - зона смешанных лесов

устанавливался по сумме гащадей сечений стволов. Средняя высота древостоев определялись на основании среднего диаметра по кривой высот., построенной по данным модельный деревьев.

На пробных площадях замеряли уровень (глубину) грунтовых вод (УГВ). Степень прогочнссти грунтовой воды характеризовали показателем ее .ук/газ (в 7.), который определяли шструментальной нивелировкой. Для определения механического состава почвы отбирались почвенные образцы. Климатическая характеристика районов исследований устанавливалась по справочника!.! гидрометеослужбы,

В целом в ельниках на территории европейской части страны заложено 107 пробных шгардей, обмерено более 700 модельных деревьев, взято 647 почвенных образцов. Для определения глубины залегания и .уклона грунтовых вод пробурено сколэ 240 почвенным скважин.

Установление характера и меры влияния факторов внешней среда на высоту гревостоев осуществляюсь путем применения регрессионного и корреляцистого анализов.

ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЕЛЬНИКОВ.

Первоочередное изучение влияния грунтовых вод на рост 'насаждений, произрастающих на легких (песчаных) почвах обусловлено их низким потенциальньы плодородием и слабыми капилгорими свойствами. Поэтому роль грунтовых вод как источника влаги и элементов питания в этих условиях наиболее выцежена.

Исследования с целью установления и математического описания динамики зависимости производительности ели от глубины залегания

грунтовых вод проведены в климатически однородна! районе юга Карелии (Лахденпохский р-он и Заонежье) и севера Леншградскш области (Ладейное Поле). Для этого отобраны 12 насаждений с УГВ в середине вегетационного периода от 0.13м до глубины более 5м. С целью уменьшения влияния прогочности почвенной влаги в указанную" совокупность включены пробные п/щади с уютном грунтовых вод. не превышающим 17..

Анализ полученных данных показал, что с увеличением глубины залегания грунтовых вод до 1м динамика производительности дре-востоев отличается быстрым нарастанием, а при дальнейшем понижении УГВ - некоторым снижением (Рис.2). Данный характер изменчивости вполне объясним разный соотношением воды и воздуха в корнеобитае-мом слое почвы. При близком залегании грунтовых вод рост и жизнедеятельность корней лимитированы избытком влаги (анаэробиозом); и, наоборот, на большой глубине грунтовые воды становятся недосягаемыми для мэрией, а влажность почвогрунта зависит лишь от атмосферной влаги (осадков). Промежуточные же значения УГВ (порядка 1м) в отношении водно-воздушного режима почвы (.окно считать оптимальными: грунтовые воды и выпадающие осадки вполне обеспечивают деревья влагой, в то же время почва аэрируема на достаточную глубину, и основная масса корней не испытывает угнетающего влияния анаэробиоза.

Для установления меры влияния глубины залегания грунтовых вод на рост ели абсолютные значения высоты древсстоев переведены в относительные, принимая максимум за 1.0. В результате получена "модель зависимости относительной высоты (Нотн) елэвых древостоев от

Рис.2. Высота 50-летник дреЕостоев (Н(.50.) в связи

с глубиной залегания слэбопроточных грунтовых вод на связных песках

уровня грунтовых вод (УГВ) следующего вида:

Н(50) = 11444УГВ + о. 161УГВ . о, 01Ш.УГВ2, (1) 0.7+УГВ

Согласно уравнения, при глубине грунтовых вод 0.5.1 высота древосгоев достигает 0.82 от максимальной (при УГВ=1м), при 1.5-1 -0.95, при 2м - 0.89 и т. д. Предельным значением УГВ, при котором дальнейшее увеличение глубины затегания грунтовых вод уже не оказывает влияния на изменение производительности ельников, можно

считать величину 3.5м. Здесь относительная высота древостоев снижается до 0.82 от максимальной и наступает ее стабилизация,

На более тяжелых (супесчаный и суглинистых) почвах максимум производительности смещается в сторону более низкого УГВ: на супесях он наступает при 3.5м глубины залегания грунтовых вод, на суглинках - 5-1 и более, Данные особенности связаны, очевидно, с усилением водных свойств (аштоемкости и капиллярности) данных почвенных разностей.

Таким образом, динамика производительности ельников характеризуется быстрым возрастанием ее значений до глубины залегания грунтовых вод 1м. При дальнейшем снижении УГВ изменение высоты ельников незначительно: на песздных почвах она уменьшается до 0.8, на более тяжелых почвах - возрастает в 1.1-1.2 раза.

С понижением уровня грунтовых вод происходит смена типов леса: ельники сфагновый и долгомошный при УГВ=0,1-0.2м сменяются черничным влажным я™.: в пределах 0.4-0.7м последний сменяется ельником черничным свети. При дальнейшем увеличении глубины залегания грунтовых вод наблюдаюсь также фоа-мрование кисличных и широкотравных ельников.

ВЛИЯНИЕ ПР0Т0ЧН0СТИ ГРУНТОВЫХ ВОД НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЕЛЬНИКОВ

Важным гидрологическим фактором роста леса является проточ-ность почвенной влаги. Возрастание проточности соправождается более интенсивны.! притоком к корневым системам элементов питания и кислорода, которые растения поглощают из почвенного раствора: а также удалением токсичных продуктов выделения (Орлов, 1961;Гре-

чин, 1964: Веретенников, 1968; Громова. 1968; Бабиков, 1971; Пьявченко, 1985 и др.). Учитывая важность данного фактор©, наг® сделана попытка, выразить в количественных показателях зависимость производительности ельников от степени проточности грунтовых вод. В качестве показателя проточности грунтовых вод принят уют из зеркала (в 7.).

Для выявления меры влияния данного фактора высота ельников с проточной влагой соотносилась с эталоном (для "непроточной" влаги), принимаемым за 1.0.

Анализ поточенных результатов показал, что прогочность почвенной влаги существенно влияет на интенсивность роста ели: чем больше прогочность (уклон) грунтовых вод, тем выше высота дре-востоев. В го же время влияние проточности уменьшается по мере увеличения глубины залегания водоносного горизонта (Рис. 3).

Следует отметить, что в ходе исследований при повышении проточности наблюдались слу^и изменения типа леса. В частности, при УГВ=0.1-0. Эи ельник сфагновый сменялся черничным влажным; при УГВ=0.4-0.8м и высокой (16-267.) проточности наблюдалось формироваг ние ельников кисличных с довольно высоким (1а) для южной Карелии бонитета.

При моделировании влияния на рост ели проточности грунтовых вод было получено .уравнение гиперболы, содержащее в числителе показатель .уклона грунтовых вод (а, 7.), а в знаменателе - глубину их залегания (УГВ, м). Оно имеет вид:

Нош = 1 +-^^-= . (2)

(а+3) (УГВ+0.28)

Графическое изображение (.«одели влияния проточности грунтовых вод в .условиях связных песков огобоажено на гасунке 3.

» -1 - II -

Глубина грунтовых вод, и

Рис. 3. Относительная высота (Нош) древостоев в связи с .уклэном (1-157.) и глубиной згтегания грунтовых вод.

Таким образом, включение в модель показателя гшгочности позволяет более дифференцированно оценивать влияние грунтовых вод на рост лесонасаждений.

ЗАВИСИМОСТЬ РОСТА ЕЛИ ОТ ЬЕХАММШЗГО СОСТАВА ПОЧВЫ.

Многие исследователи разделяет мнение о вэииэсти роли мехзни-ческого состава почвы, особенно содержания в ней физической глины, в формировании ее леоорастительного потенциала. Некоторые авторы (Зеликов, 1971:Лосижий, Чуенкго, 1980; Чертов. 1981}, предприняли по-

пытку составить количественную шкалу плодородия ели на основе содержания в почве глинистой фракции. Однако, литературные данные в отношении количественной значимости влияния глинистости почвы и ее оптимального значения разноречивы, очевидно, из-за неучета влияния грунтовых вод, Поэтому влияние гранугаетричвского состава на производительность ели изучалось наг® с учетом гидрологического режима почвы.

Степень влияния глинистости почвы на бонитет ели выявляшсь путем сопоставления Фактических значений показателя Н(50) со значениями данного показателя, полученными по модели (эталону), отражающей влияние уровня грунтовых вод и их проточности.

В коде исследования выясняюсь, что в .условиях близкого залегания грунтовых вод содержание физической глины маю отражается на росте ели и, наоборот, когда грунтовые воды залегают на большой глубине, влагообеспеченность растении значительно зависит от содержания в почве глинозема, обладающего высокой влагоудерживающей способностью, Другими словами, влияние механического состава на рост ели неоднозначно и проявляется на фоне глубины залегания грунтовых вод. Полученная зависимость удовлетворительно описывается .уравнением следующего вида:

г- 3

Н = 1 + (0.83 - —I - О.ООООбгГл^С1'07^ + 0.03УГВ2- 0.0066УГВ2) (3 отн. 7+УГВ"

где: Н - высота древостоя в возрасте 50 лет, в долях от эталона-2.

Гл - содержание физической глины, 7.,

УГВ - уровень грунтовых вод в середине периода вегетации, м.

Наглядное представление о влиянии количества глинистых частиц на рост ели на фоне глубины залегания грунтовых вод дает рисунок 4.

я <u о

f-C

о о я 0) й р. а:

й л

о Й о

3 ЕН

К н

о «

= ч

Л о

Ч f=f с;

н m s

н

о

1'.6

Г. 4

1.2

Г.О

U„t

0.6

Глина, %

.■■•■"" .........40

.................80

...................20

. ..................10

Эталон о

............ 6

............ 5

........... 4

j_i_

2.3 4

Глубина грунтовых вод, и

Рис. 4. Динамика высоты древосгоев в связи с содержанием физической глины в почве и глубиной залегания грунтовых вод.

При УГВ=5 и более ;метров максимальная производительность соответствует 40-проценгаому содержанию глинозема в почве, т.е. пограничному значению среднего и тяжелого суглинка. Данную почвенную разность, по-видимому, можно смотать оптимальной в отношении водно-воздушного режима для корневых систем ели. На песчаных почвах (Гл=5Х) высота ельников составляет 61% от максимума и на супесях и глинах она достигает 917Ó.

Одним из компонентов механического состава почвы является ее каменистость. Значительная завалуненность почвы уменьшает ее ало-

. - SD -

дородие: валуны, галька и гравий препятствуют развитию корневых систем, .уменьшают емкость питательных веществ и упготняют почву.

При оценке меры снижения производительности древостоев (Сн) в зависимости от содержания крупного песка (Пкр), скелета (Ск) и уровня грунтовых вод (УГВ) порчено следующее уравнение:

Сн = 1-3.3 х 10"7(0.5Пкр + Ck)3 х 0.06УГВ2 (4)

Отрицательнее влияние завалуненности начинает проявляться при 50-процентном ее значении. Доля скелета в почве более 0.6 снижает производительность ельников до 0. 77. При этом снижение высоты древостоев при глубине грунтовых вод 1м, когда она легкодоступна растениям, практически не наблюдается. Завалуненность почвы начинает оказывать заметное понижение высоты древостоев при УГВ)1м.

ШЙТ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ НАСАЩЕНИЙ

Известно, что теплэ и влага являются необходимыми Факторами жизнедеятельности и роста растений. В то же время количество работ по количественной оценке влияния климата на производительность насаждении пока еще крайне мат (Горев, 1974: Лосицкий, Чуен-ков, 1980: Дыренков, 1982: Баранов, 1980,1983 и др.)

С целью установления количественной связи между производительностью ели и показателями климата нами проведен сравнительно-географический анализ. Районы исследований существенно различаются по климатическим показателя.!, особенно по сумме температур +10° С и выше, которая повышается от 860° в Мурманской области до 2080° в Калужской области.

Сравнительный анализ подтвердил ведущую роль температурного

фактора е повышении производительности древсстоев по направлению с севера на юг; но в то же время выявлено, что увеличение производительности ельников не пропорционально количеству приходящего сол-

зкгивных температур высота древостоев увеличивается в среднем на 192, то в зоне смешанных лесов - всего на <7.. Данная закономерность связана, очевидно, с нарастанием засушливости климата в южна.) направлении.

Для выявления количественной связи между показателями климата и производительностью ели нами использованы показатели еысоты 50-летних древостоев максимальной производительности. Наиболее тесной оказалась связь высоты с суммой температур +10 град, и выше. Эта связь вполне естественна, поскольку данный температурный порог наиболее соответствует началу роста вегетативных органов ели (Юрке-вич и др., 1971; Малышева, 1973 и др.).

На основании выявленных закономерностей разработано .уравнение (5) связи высоты 50-летних еловых древостоев ш<сималыгой производительности (Н(50), м) с гидро-термическими показателями климата: среднегодовой суммой температур +10°С и выше град.) и годовым количеств™ осадков (Ос, мм):

нечного тепла. В частности, если в северной тайге на каидае Юи

Н(50) = (41.14 -

(£Ь + 650)

47100

Данная зависи1.юсть отображена на рисунке 5.

о •о

1г

ь -] 16

1а I -

II

III

IV

V

Уа

Уб

Н(50),ы

ЗВ 25

81Ж8 598 Ос;пй ГШ

1608 1508 680 780

2868 2588 3088 658 608 550

Рис. 5. Связь высоты 50-летник еловых древосгоев максимальной прэизводительности* с гидр> термическими условиями климата.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИ^-МКИ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ПРОИЗВОЖЕЛЬНОСТИ ЕЛЬНИКОВ

Экологические свойства ели как одной из хозяйственно ценных древесных пород изучались в течении многих лет, благодаря чему выявлена ее отношение к целому ряду факторов внешней среды. Известно, что ель отличается теневыносливостью и малой требовательностью

к. теплу, относительно требовательна к почвенному плодородию и проточности почвенной влаги, чувствительна к. сухости Еоэдуха и почвы, относительно устойчива к воздействию поллютантов (Мелеков, 1980}. Эти ее свойства учитываются в практическом лесоводстве и озеленении. Однако, следует признать, что хотя довольно определенная, но в основном описательная характеристика экологических свойств ели уже не удовлетворяет требования практики лесоводства.

Рассмотренные материалы о динамике влияния на рост ели ряда факторов среды дают основания наметить общие черты изменчивости ее производительности в разных почвенно- гидрологических и климатических условиях.

Представление о мере влияния на высоту лревостоев только почвенно-гидрологических условий (внугрирайонно) дает рисунок 6. Поскольку на одном графике невозможно изобразить все сочетания этих параметров -(иначе эдафическое поле плодородия сплошь покроется линияш или точками), ограничимся изображением лишь некоторых результатов. На графике, в частности, показана Еысота лревостоев на песках, супесях и суглинках (без промежуточных значении содержания глинозема в почве) при изменении глубины залегания грунтовых вод от 0 до 5-1. Влияние уклона грунтовых вод (1,2,3,5, и 10 У.) показано пунктирньш линияш по группам почв, влияние каменистости почвы - штрихпункгирньш линиями.

Таким образом, ельники потенциальной (максимальной) производительности произрастают в следующих условиях местообитания:

а) на всех почвенных разностях по механическому составу, если грунтовые воды находятся на глубине не более 1м и имеют уклон (прогочность) более 107.:

б) на супесях, суглинках и легких глинах при глубине грунтовых вод 1-2(.1 и их уклоне более 5Х:

Глубина грунтовых вод, и

Рис.6. Динамика высоты еловых древостоев

(в 7. от максимальной) в зависимости от почвенно-гидрологических факторов.

в) на корою дренированных суглинках и легких глинах при глубоком залеганш грунтовых вод.

Насаждения в этих условиях достигают высшей производительности в условиях местного климата.

Представление об обшей (почвенно-кттической) изменчивости производительности ели на основе географических пунктов ее изучения (от Мурманской до Калужской областей) дает 3-мерное изображение общей модели (6) на рисунке 7.

Н(50) = (41.14 --Я

47100

1

0.0083УГВ"

1 +

(£Ь + 650) ■

0.28а (а+3'1 ("УГВ+0.28)3

0.0211

1.14УГВ

0с

1 + (0.83 -

0.7+УГВ'

7.3 Гл+2

2 + 0.127УГВ -

0.000062Гл

с1-07^ + 0.03УГВ - 0.0066УГБ2) 7+УГВ4

0.06УГВ:

1 - 3.3 х 10"7(0.5№ф + Ск)3 х

п

(6)

где: Н(50) - средняя высота /ц^востоя в возрасте 50 лет. м, £Ь - сумма температур +10 и выше. С, 0с - годовое количество осадков., мм. УГВ - уровень грунтовых вод в середине вегетации, м, а - уклон грунтовых вод, 7., Гл - содержание физической глины, 7., Ск - объем скелета, 7. от объема почвы, Пкр - песок крупный, 7. от мелкозема.

Сопоставление фактической высоты с расчетной по всем пробньм площадям показало вполне удовлетворительные результаты аппроксимации натурных данных. Среднеквадратичное отклонение составляет +9.37., квадрат коэффициента корреляции (к-т детерминации) - 0.94.

Рис.Т.

Производительность еловых древостоев (Н(50) в связи с изменением параметров климатических и почвенно-гидрологических факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ежвыв леса европейской лесной зоны играют важную роль в экономике и экологии нашей страны. В связи с ami, разработка, способов воспроизводства еловых лесов и повышения их ттрсговодительности являются важной задачей теории и практики лесного хозяйства. Важнейшей предпосылкой для перехода лесной отрасли на более рациональные методы лесовьращивания является наличие в хозяйствах кадастра лесных земель, отражающего их естественное плодородие. В настоящее время предприятия лесного хозяйства такого кадастра не имеют, а его функции выполняют лесшодственно- таксационные описания выделяемых лесных участков, не содержащие данных о степени реализации естественного плодородия лесных земель. Поэтому в целях оптимизации ведения лесного хозяйства большое значение приобретают количественные показатели экологической производительности насаждений, которые отражали бы естественное плодородие земель в конкретных почвенное гидрологических условия;-;,

Программой исследования данной работы предуа-шриватеь выявление и математическое описание (моделирование.) зависимости производительности еловых насаждений в европейской '«сот страны от количественных показателей климата (межрайонно.), а также - от поч-венно-гидрологически параметров (Енутрирайонно). Исследования показали, что рост и производительность еловых древостоев зависят главным образом от пздрс^термического режима района ее произрастания, а в пределах местности - от механического состава почвогрун-та. глубины залегания и проточности грунтовых вод.

Разработанная математическая модель выявила экологический спектр« свойств ели. Она. в частности, кокет успешно произрастать

на штюрфных супесчаных, суглинистых и глинистых почвах, т. е. в условиях глубокого залегания грунтовых вод а также на почвах с близки»! уровнем водоносного горизонта (гщрсморфшх) при условии высокой проточности почвенной влаги. Нецелесообразно выращивание ели на авта-юрФных рыхлопесчаных почвах и на избыточно увлажненных почвах разного мех. состава в условиях сдабой проточности. Производительность ели уменьшается по мере .увеличения завалуненности почвы и содержания е ней крупного песка.

Зональное изменение производительности ели в пределах европейской лесной зоны отданы связано главны.) образа.) с теплообеспе-ченностью местности, которое наиболее полно отражает показатель среднегодовой суммы температур +10 град, и выше. В южной части своего расггооетранения (зона смешанных лесов) в связи с нарастанием засушливости климата рост ели существенно зависит от количества атмосферной влаги (оса.15<ов). В наиболее благоприятных условиях местопроизрастания бонитет ельников значительно повышается в южна.) направлении: от II 1.8 (Мурманская обл.) до 1в.7 (Калужская обл.).

Полученная математическая модель зависимости производительности еловых насаждений от изменения Факторов внешней среды позволяет не только оценить степень использование ими естественного плодородия лесных земель, но и наметить пути повышения их производительности. С ее пшощью можно оптимизировать размещение древесных пород в лесна.) фонде на основе степени соответствия их экологических свойств лесорастительным условиям. Количественная оценка лесорастительного потенциала (плодородия) лесных местообитании может служить основой для их экономической оценки. Значения потенциальной (наивысшей) производительности древостоев в .условиях местного климата могут служить критерием оценки почвенного плодо-

родия лесных земель через значения фактической производительности произрастающих на них древостоев. В силу указанных обстоятельств данная модель может быть полезна в создании лесного кадастра, отражающего эколого-эконамчеосло оценку лесов и лесных земель.

Факторы внешней среды, включенные в модель, прт их исключительной важности для роста леса вовсе не являются окончательными и исчерпывающи-м. Поэтому задачей дальнейших исследований является выявление количественной значимости новых (не учтенных ранее) параметров внешней среды: химических (минералогических) свойств почвы, многообразия сложения почвенного профиля, рельефа поверхности и др. Структура модели, построенная по типу произведения, является открытой для дальнейшего включения в нее ноеых элементов, оказывающих на нее корректирующее влияние и повышающих тем самым ее точность и универсальность. Разработанную вдель можно считать первым шагал к созданию полной экологической модели изучаемого процесса (роста ели), который, несомненно, характеризуется более глубоки® и разносторонними связями с факторами внешней среды,

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. ¡Кивотовский В. В., Иванов В. Ф., Костин Н. В. Модель динамики уровня грунтовых вод в сосновых насаждениях южной Карелии. - Тез. докл. Всесоюзной шкапы "Математическое моделирование к. биогеоцено-логии", 14-19 октября, 1985, г, Петрозаводск, с. 9-10.

2. Животовский В.В. .Иване® В. Ф. ..Костин К.В, Динамика .уровня грунтовых вод в сосновых насаждениях южной Карелии. - В сб.: Моделирование леснык биогеоценозов. Петрозаводск. Карельский филиал АН СССР, 1986. с. 12-17.

3. Животовский В. В., Костин Н. В., Тумашевич Т. Я. Модель дина-

мики уровня грунтовых вод в лесных насаждениях. - Тез. докл, "Проблемы лесоведения и лесной экологии", ч. II, Москва, 1990, с. 628-630.

4. Костин Н. В., Иванов В. $., 1ивотовский В. В. Производительность еловых насаждений на авта.юрфных почвах разного механического состава. - Тез. докл. Всесоюзн. совещ. "Теория лесообрэзователь-ного процесса", Красноярск, 1991, с. 75-76.

5. Казимиров Н. И., Прескухин Ю. В., Ерофеевская С. Л., Шивоговский В. В., Горбунова Т. М., Костин Н. В. Производительвхть еловых насаждений по типам леса (экологические нор-етивы). Карельский научный центр АН СССР, Петрозаводск, 1991, 42с.

6. Костин Н.В.,Животовский В.В...Иванов В.Ф. [Моделирование проюводительности еловых насаждений в связи с механически.! состава! почвы, уровнем и уклоном грунтовых вод. - Изв. высш. .учебн, заведений. Лес-н. журн., 1993, N 5-6, с. 40-43.

7. ¡Казимиров Н. И. , Гообунова Т. М., Дмитриева И. А., Иванов В. Ф.,

Костин Н. В.. Лядинский А. Г., Преснухин Ю. В. Математическое моделирование в лесной биогеоценоюгии. - Тез. докл. юбилейной научной кшйеоенши. Капельский НИ РАН. Петгозаводск. 1996, с. 163-164.