Лесотипологические особенности растительности и почв Зауральской холмисто-предгорной провинции

Золотова, Екатерина Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Лесотипологические особенности растительности и почв Зауральской холмисто-предгорной провинции
ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Лесотипологические особенности растительности и почв Зауральской холмисто-предгорной провинции"

На правах рукописи

Неу.

Золотова Екатерина Сергеевна

ЛЕСОТИПОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ПОЧВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ

06.03.02. - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

21 НОЯ 2013

Екатеринбург - 2013

005539137

Работа выполнена в лаборатории популяционной биологии древесных растений и динамики леса Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Ботанический сад» Уральского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: Петрова Ирина Владимировна,

доктор биологических наук

Официальные оппоненты:

Кайгородова Светлана Юрьевна, кандидат биологических наук, ФГБУН «Институт экологии растений и животных» УрО РАН, лаборатория экотоксикологии и популяции сообществ, научный сотрудник

Менщиков Сергей Леонидович, доктор сельскохозяйственных наук, ФГБУ науки «Ботанический сад» Уральского отделения РАН, лаборатория экологии техногенных растительных сообществ, заведующий

Ведущая организация: «Сибирская ЛОС» - филиал ФБУ

ВНИИЛМ

Защита состоится 18 декабря 2013 года в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.01 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, ауд. 401.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Автореферат разослан « 13 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь Магасумова Альфия Гаптрауфовна

диссертационного совета '

канд. с.-х. наук, доцент

2. На основе эколого-флористической классификации определить положение изучаемых типов леса в международной системе синтаксономиче-ских единиц.

3. Выявить тенденции изменения физических, водно-физических и химических свойств почв условно-коренных типов леса и вырубок-гарей внутри почвенных профилей.

4. Изучить взаимосвязи лесотипологического и видового разнообразия условно-коренной растительности и вырубок-гарей с физическими, химическими характеристиками почв.

5. Исследовать влияние сплошных рубок, пожаров на структуру растительности и физические, химические свойства почв. В топоэкологическом профиле трех типов леса и соответствующих им вырубок-гарей изучить особенности сезонной динамики влажности почв.

Научная новизна результатов исследований. Впервые для Зауральской холмисто-предгорной провинции Среднего Урала на примере обобщенного топоэкологического профиля изучены лесотипологические особенности структуры растительности и физических, химических свойств почв условно-коренных лесов и вырубок-гарей. Получена сравнительная количественная оценка особенностей градиентов физических и химических свойств почв в пределах почвенных профилей основных типов леса и соответствующих им вырубок-гарей. Определено положение типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции в международной системе синтаксономических единиц.

Теоретическая и практическая значимость работы. Для обобщенного топоэкологического профиля южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции составлена база данных по структуре растительности и физическим, химическим свойствам почв условно-коренных типов леса и вырубок-гарей. Дана характеристика почв и растительности типов лесорастительных условий и типов леса в схеме Б.П. Колесникова (Колесников и др., 1973), широко используемой в лесоустройстве. Подтверждены общеэкологические законы: положительным влиянием на биоразнообразие обладают мощность почв, устойчивость увлажнения; отрицательным — недостаточность или избыточность увлажнения, сильно-и среднекислая реакция водной вытяжки почв, доминирование ели сибирской. Выявленные лесотипологические особенности структуры растительности и физических, химических почв используются для построения и верификации математических моделей динамики лесных экосистем, с целью их прогнозирования и оценки устойчивости (Иванова и др., 2011; Ivanova, Zolotova, 2013).

Методология и методы исследования. В основу изучения положен метод пробных площадей и общепринятые методики лесогеоботанических и почвенных исследований. Пробные площади (0.25-0.5 га) подбирались по положению в рельефе, градиенту увлажнения, согласно принципам ге-

нетической типологии Б.П. Колесникова (Колесников, 1956) и кадастру типов леса Свердловской области (Колесников и др., 1973). Изучены 1/ типов условно-коренных лесов 120-180-летнего возраста и 11 типов вырубок-гарей 1-12-летней давности. Для типа леса сосняк ягодниково-липняковый исследована восстановительно-возрастная динамика после Сплошных рубок. Рассмотрен временной ряд от 1-55 лет. Всего заложено 36 пробных площадей, 443 учетные площадки. Проведены комплексные лесогеоботанические исследования: таксация древостоя (Анучин, 1982), учет подроста древесных растений на лентах 4x20 м (2-4 ленты на пробою площадь) (Методы изучения..., 2002), общее геоботаническое описание^ (Александрова, 1964; Уланова, 1995). Обилие оценивалось по шш Браун-Бланке (Раменский, 1971; Braun-Blanquet, 1964; Westhoff, Maarel 1978), проективное покрытие и фитомасса видов травяно-кустарничкового яруса определялись на площадках 1x1 м (Методы изУчениЯ 2002). По . непрофильные почвенные разрезы закладывались согласно Б.Г Ро анову (2004)!морфологическое описание проводилось в соответствии с чВД№ онной классификацией (Классификация и диагностика почв 19771 д м обеспечения преемственное™ исследований изучаемого региона (Фирсова, Ржанникова, 1966, 1977; и др.), отобрано 129 образцов почв, пробоподго-товка - согласно общепринятым методикам (Аринушкина, 1970, IOC1 17 4 4 02 - 84) Изучены скелетность почв и распределение частиц по фракциям, плотность сложения, плотность твердой фазы, общая пористость гигроскопическая и максимальная гигроскопическая влажность, влажность завядания, кислотность почвы (РНН20, рНка), содеР^ани=^Г" коподвижного калия (Аринушкина, 1970; Новицкий и др., 2009; 1UC1 28268 8? ГОСТ 26423-85; ГОСТ 26483-85; ОСТ-10-271-2000). Сезонная полевая влажность определялась термовесовым методом (Новицкии и др., 2009- ГОСТ 28268-89). Для трех типов условно-коренных лесов и выруоок-гарей- сосняк брусничниковый, ягодниково-липняковый, разнотравный получено 19 временных рядов (с конца апреля по сентябрь, интервал - 7 дней), проанализировано 646 образцов почвы.

Положения, выносимые на защиту:

1 Лесотипологические особенности структуры растительности и физических, химических свойств почв условно-коренных южно-таежных лесов и вырубок-гарей Зауральской холмисто-предгорной провинции.

2. Тенденции динамики физических и химических свойств почв

после сплошных рубок и пожаров.

3 Лесотипологические закономерности сезонной динамики влажности почвы по горизонтам в трех типах леса и ее трансформация на вырубках-гарях.

Степень достоверности результатов обеспечивается проведением большого количества натурных и лабораторных исследований с использованием апробированных методик. Достоверность полученных данных под-

тверждается результатами статистической обработки с помощью EXCEL и Statistica 6.0.

Апробация работы. Основные результаты исследовании доложены на научных и научно-практических конференциях: 10-ти международных либо всероссийских с международным участием («Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования», Нижнии Тагил 2010 2012; «Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и'экологической безопасности России», Санкт-Петербург, 2011; «Лю-бищевские чтения. Современные проблемы эволюции», Ульяновск, 2011, 2013- «Состояние лесов и актуальные проблемы лесоуправления», Хабаровск 2013) 4-х всероссийских («Биосферные функции почвенного покрова», Пущино, 2010; «XIV Докучаевские молодежные чтения. Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов», Санкт-Петербург, 2011; «Экология: сквозь время и расстояние», Екатеринбург, 2011; «Философия и методология науки», Ульяновск, 2011) и 1-й региональной («Охраняемые природные территории - основа экологической устойчивости региона»,

Уфа 2010) Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 19

статьях, в том числе 6 - в изданиях по списку ВАК и 3 - на английском языке.

Личный вклад автора заключается в анализе состояния проблемы, выборе адекватных методов и объектов исследования, сборе полевого материала, проведении лабораторных исследований, обработке, обобщении и интерпретации полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 208 страницах, состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и 8 приложений. Текст диссертации содержит 20 таблиц, иллюстрирован 65 рисунками. Список литературы включает 362 наименования, в том числе 38 - на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ПОЧВ НА СРЕДНЕМ УРАЛЕ

В главе рассмотрено развитие генетической лесной типологии в России и, в частности, на Среднем Урале (Колесников и др., 1973; Зубарева, 1984, 1986; Смолоногов, 1990, 2006). Для региона исследований приведен обзор литературных данных по изучению лесной растительности (Луганский 1974; Коновалов, 1978; Данилик, 1986; Залесов, 1988; Шлыкова, 1991; Мельников и др., 1992; Санников, 1992, 1997, 2006; Усольцев, 1998) и почв (Ногина, 1948; Иванова, 1949; Ржанникова, 1965, 1973; Дергачева, 1968; Фирсова, Ржанникова, 1966, 1968, 1972; Арефьева, 1970, 1979; Фир-сова,' 1968, 1969, 1977, 1986; Дедков, Павлова и др., 1987; Новогородова,

1996-1998 2002). Рассмотрен современный уровень знаний взаимосвязи растительности и почв (Ок1апс1, Ш1еП5еп, 1996; Телеснина, 2000; Захаров, 2004- Разнообразие почв и биоразнообразие..., 2006; Почвы национального парка ., 2010) и методов изучения лесной растительности (Уланова, 1995; Мириш и др., 2000, 2012; Суховольский, 2011; Ьеёепс1ге Р, Ье5епс1ге Ь., 1998; Неппекепв, БсИаштее, 2001).

Глава 2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Кратко охарактеризованы особенности климата района исследований (Кувшинова, 1968; Колесников и др., 1973), рельефа и геологического строения (Борисевич, 1968; Гафуров, 2008), почв (Фирсова, Ржанникова, 1966,1972; Гафуров, 2008; и др.) и растительности (Колесников и др., 1973,

^^Исследования проводились в условно-коренных сосновых, еловых лесах и соответствующих им вырубках-гарях южно-таежного округа Зауральской холмисто-предгорной провинции (Колесников и др., 1973) между 57°00'-57°05' с.ш. и 60°15'-60°25' в.д. (Таблица 1).

Таблица 1 - Лесорастительные условия, изученные типы условно-коренных лесов и вырубок южно-таежного округа Зауральской1холмисто-предгорной провинции (по Б.П. Колесникову и др., Ш5)_

Положение в рельефе

Индекс

Условно-коренной тип леса, шифр

Тип вырубки

вершины и верхние половины склонов__

Дренированные местообитания Свежие периодически сухие

321

сосняк брусничнико-вый; С бр.__

Вейниковые

Устойчиво свежие

вершины спокойных возвышенностей, пологие склоны__

верхние части придолин-ных склонов и вершины холмов ___

придолинные склоны со щебнем горных пород

средние и нижние части пологих склонов

331

332

сосняк ягодниковый; С яг.

333

сосняк ягодниково-липняковый; С яг. лп.

ельник-сосняк зелено-мошниково-ягодниковый; Е-С зм. яг.

сосняк орляковый; С орл.

Вейниковые, ракитни-ково-вейниковые

Липняково-вейниковые, вейниковые

Ягодниково-разнотравно-вейниковые, ракитни-ково-ягодниково-вейниковые

Орляково-вейниковые, | разнотравно- | вейниковые_ 8

Продолжение таблицы 1

Положение в рельефе Индекс Условно-коренной тип леса, шифр Тип вырубки

невысокие водораздельные возвышенности 335 сосняк травяно-липняковый; С тр. лп. Вейниково- разнотравно- липняковые

Свежие, периодически влажные

ровные приподнятые участки водоразделов, поло- 341 сосняк разнотравный; Сртр. Злаково-разнотравные, кипрейно-вейниковые

слегка приподнятые участки ровных водоразделов и депрессий 342 сосняк с темнохвоиным ярусом мшисто-черничниковый; С-Тх мш. чер. Кипрейно-вейниковые, малиново-кипрейно- вейниковые

дренир. нижние части при-долинных склонов, невысокие плоские межболот- 343 ельник травяно-зеленомошниковый, Е тр.зм. Разнотравно-вейниковые, вейнико-вые

Слабо дренированные и заболоченные местообитания Влажные, периодически сырые

дренир. шлейфы придолин. склонов, днища ложбин с времен, или небольшими постоянными водотоками 361 сосняк-ельник высокотравный (приручьевой); С-Е втр. Высокотравные

неглубокие ложбины и котловины на ровных во- 362 ельник мшистый; Е мш. Высокотравно-злаковые, злаковые

плоские гривы среди болот, окраины болотных 363 ельник-кедровник хво-щево-мшистый, Е-К хв. мш. Злаково-разнотравные, разнотравно-злаковые

Устойчиво сырые

слабо дренир. участки водоразделов, шлейфы пологих склонов 371 сосняк сфагново-хвощовый, С сф. хв. Мшисто-злаково-хвощовые

Глава 3. РАСТИТЕЛЬНОСТЬ И ПОЧВЫ УСЛОВНО-КОРЕННЫХ ЛЕСОВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ

ПРОВИНЦИИ

В главе приведен лесотипологический анализ условно-коренных лесов района исследований в топоэкологическом профиле от периодически сухих до устойчиво сырых местообитаний. Даны полнопрофильные морфологические описания почвенных профилей, указаны диагностические и доминирующие виды растений изученных типов леса. Составлена база данных о структуре растительности: древесных видов (возраст, высота, диаметр, полнота) и травяно-кустарничкового яруса (проективное покрытие, видовая насыщенность, фитомасса), а также о физических и химиче-

ских свойствах почв условно-коренных лесов. Данные структурированы по типам леса, условиям увлажнения и приведены в диссертации.

На основе эколого-флористической классификации определено положение изучаемых типов леса в международной системе синтаксономиче-ских единиц. Типы леса дренированных местообитаний относятся к классу Уассяшо-Коее1еа (С бр„ С яг., С яг.лп., Е-С зм. яг., С орл., С тр.лп., С-Тх мш чер., Е тр. зм.) и ВгасЬуросНо РшпаЙ-Ве1и1е1еа (С ртр), слабодрениро-ванных и заболоченных местообитаний - к классу Уасснио-Р1сее1еа (С-Е втр) и Vaccinietea иНдш^ (Е-К хв. мш., С сф.хв.).

Выявлены тенденции изменения физических, водно-физических и химических свойств внутри профиля почв 12 типов условно-коренных лесов. Скелетность и содержание разных фракций скелета, плотность сложения, плотность твердой фазы в направлении сверху вниз почти у всех изученных почв увеличиваются, а общая пористость (Рисунок 1) уменьшается. Наибольшие изменения в распределении фракций скелета по профилю у почв под сосняком ягодниково-липняковым и под ельником травяно-зеленомошниковым. При сравнении плотности почв различных местообитаний более информативен гумусовый горизонт. Минимальные значения обшей пористости (Рисунок 1а) отмечены для почв ельника-кедровника

хвощево-мшистого.

Гигроскопическая и максимальная гигроскопическая влажность, влажность завядания внутри почвенного профиля уменьшаются Максимальные значения водно-физических свойств выявлены у торфянисто-подзолисто-грунтово-глеевых почв под ельником-кедровником хвощево-

мшистым. я

Большинство почв под условно-коренными лесами имеют слабо- и

среднекислую реакцию водной вытяжки, очень сильнокислую реакцию солевой вытяжки, высокое содержание легкодоступного калия, которое резко убывает от верхнего горизонта к нижнему. Актуальная кислотность (рН о) _ преимущественно уменьшается (почвы становятся более щелочными). Для потенциальной кислотности (рНКС1) (Рисунок 16) наблюдается две равнозначные тенденции: вниз по профилю почвы становятся более кислыми (С яг., С яг.лп., Е-С зм. яг., С орл., С тр. лп„ С ртр., Е-К хв. мш) или более щелочными (С бр., С-Тх мш. чер., Е тр. зм., С-Е втр., С сф. хв.). Наибольшие величины РНка и РН„2о отмечены для бурых горно-лесных почв под сосняком-ельником высокотравным.

С целью выявления факторов, определяющих альфа-разнообразие лесной растительности, проведен прямой градиентный анализ, установлено что положительным влиянием на биоразнообразие обладают мощность почв, устойчивость увлажнения; отрицательным - недостаточность или избыточность увлажнения и содержания обменного калия, сильно- и сред-некислая реакция водной вытяжки почв, доминирование ели сибирскои.

Совместное действие указанных факторов приводит к многообразию лесных экосистем и их специфичной структуре.

2 50

о.

60 80 глубина, см

100

120

4,8

4,6

4,4 -

_4,2 -о

£ 4 о.

3,8 3,6 3,4 3,2

°" -

- -»" 7

20 40 60 80 100 120 глубина, см

■—2 " 3 —°—4 —*—5 —0—6

+—8 -о--9 Ю —¿>—11 —♦—12

Рисунок 1. Изменение общей пористости (а) и потенциальной кислотности (б) почвы внутри профиля для разных типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции: 1 - С бр., 2 - С яг., 3 - С яг.лп., 4 - Е-С зм.яг., 5 - С орл., 6 - С тр.лп., 7 - С ртр., 8 - С-Тх мш.чер., 9 - Е тр.зм., 10 -С-Е втр., 11 - Е-К хв. мш„ 12 - С сф.хв.

Глава 4. РАСТИТЕЛЬНОСТЬ И ПОЧВЫ ВЫРУБОК-ГАРЕИ

ЮЖНО-ТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ

Для 11 типов вырубок-гарей, по аналогии с условно-коренными типами леса, проведен лесотипологический анализ, составлена база данных о структуре растительности и физических, водно-физических, химических свойствах почв. Выявлены тенденции изменения свойств внутри профиля

почв разных типов вырубок-гарей.

На Рисунке 2 показана зависимость видовой насыщенности травяно-кустарничкового яруса (число видов на 1 м2) условно-коренных лесов (а) и вырубок-гарей (б) от потенциальной кислотности (рНКа)- Выявлено, что после антропогенного влияния изменяется положение типа леса в рассматриваемых осях. Для вырубок-гарей характерны более близкие значения видовой насыщенности.

g 25

г ш

? 20

га х

к 15 га m о

5 ю

25 1

• 1

■ 2 А

♦ 3 „20" А

н о А

□ 4 о

X Ж

Аб |15 т

+ 6 о (О ж А

X А

Ж8 а о

А 9 s Ш 5

□ + ♦

а + • □

о ©

3,4 3,6 3,8

4 4,2 4,4 4,6 рНка

3,6 3,8 4

4,2 4,4 4,6 4,8 рНка

5 5,2

Рисунок 2. Зависимость видовой насыщенности травяно-кустарничкового яруса (число видов на 1 м2) условно-коренных лесов (а) и вырубок-гарей (б) от потенциальной кислотности (pHKci) в условиях Зауральской холмисто-предгорной провинции: 1 - С бр., 2 - С яг., 3 - С яг лп„ 4 - Е-С зм.яг., 5 - С орл., 6 - С трлн., 7 - С ртр., 8 - С-Тх мш.чер.,

9 - С-Е втр.

При анализе формирования древесного яруса после сплошных рубок и пожаров было установлено, что с увеличением мощности почвы сосна (Pinns sylvestris L) начинает уступать березе {Betula pendula Roth, и В. pubescens Ehrh.) в численности. При мощности почв 25-35 см сосна и бере-

за имеют равную численность на вырубках (в среднем от 8,4 до 12,8 тыс экз/га) В результате на мелких почвах формируются сосняки, на мощных - березняки, на почвах средней мощности смешанные хвойно-лиственные и лиственно-хвойные древостой.

Глава 5. ВЛИЯНИЕ СПЛОШНЫХ РУБОК И ПОЖАРОВ НА РАСТИТЕЛЬНОСТЬ И ПОЧВЫ ЮЖНО-ТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ

Общеизвестно, что на вырубках-гарях видовая насыщенность, проективное покрытие, фитомасса трав увеличиваются по сравнению с условно-коренными лесами. Однако достоверность различий и амплитуды изменений количественных характеристик травянистых видов для лесов и вырубок оценены не были. Дисперсионный анализ показал, что после сплошных рубок видовая насыщенность может, как возрастать, так и уменьшать-

ся:

1. Статистически достоверное увеличение видовои насыщенности установлены для сосняков брусничникового (Р(3,21)=5,1720; р-0,00782), ягодникового (Р(1,9)=53,701; р=0,00004), орлякового (Р(1Д1)=8,8481; р=0,012642), сосняка с темнохвойным ярусом мшисто-черничникового

(Р(1,5)=15,394; р=0,01114). 2 Статистически достоверное уменьшение видовои насыщенности отмечено для сосняка разнотравного (Р(1Д2)=47,8876; р=0,00002) и сосняка-ельника высокоторавного (Р(1,8)=13,4207; р=0,006370). 3. Не выявлено статистически достоверных различий для сосняка ягод-никово-липнякового и травяно-липнякового.

Изменения фитомассы травяно-кустарничкового яруса после сплошных рубок для большинства изученных типов леса статистически достоверны, за исключением, сосняка ягодникового и ягодниково-липнякового. Проективного покрытия - не достоверны.

При изучении морфологической структуры почв установлено, что после вырубки древостоя снижаются мощность подстилки, степень ее разложения, а мощность гумусового горизонта, наоборот, возрастает (Таблица

^ Наибольшие изменения в морфологии почв происходят на местообитаниях с повышенным увлажнением (оподзоливание почв вырубок). Изменения механического состава почв имеют свои индивидуальные особенности для каждого местообитания. Максимальные различия в степени каменистости изученных почв наблюдаются не для верхнего горизонта (А,), а для нижнего (ВС). Силыюкаменистые горизонты почв условно-коренного леса сменяются среднекаменистыми на вырубка-гарях.

Для гумусового горизонта почв большинства типов леса после сплошных рубок и пожаров плотность сложения, влажность завядания, содержа-

ние обменного калия увеличиваются; актуальная и потенциальная кислотность, гигроскопическая влажность уменьшаются; пористость практически не меняется. Выявленные для гумусового горизонта закономерности изменения свойств для горизонта ВС преимущественно имеют обратные тенденции.

Таблица 2. - Сравнение мощности лесной подстилки и гумусового горизонта почв южно-таежного округа Зауральской холмисто-предгорной

Индекс, Тип леса Условно-коренной Вырубка-гарь

Ао А, Ао А,

321, С бр. 5 см 10 см 1-2 см 8-10 см

331 С яг. 3 см 7 см 3 см 9-10 см

332, С яг.лп. 3 см 12 см 1-2 см 14-16 см

333, Е-С зм. яг. 3 см 10 см 4 см 6 см

334 С орл. 3 см 11 см 3 см 13 см

335, Стр.лп 5 см 10 см 2 см 8 см

341, С ртр 2 см 8 см 2-4 см 8-12 см

342, С-Тх мш. черн. 4 см 9 см 3 см 12 см

361 С-Евтр 10 см 10 см 2 см 13 см

371, С сф. хв. 3 см 10 см - -

С целью выявления особенностей почв лесов и вырубок-гарей в топо-экологическом профиле по всему комплексу физических и химических свойств использован кластерный анализ (Рисунок 3). 20

Рисунок 3. Кластерный анализ по комплексу физических и химических свойств почвенных горизонтов А, и ВС условно-коренных лесов и вырубок-гарей Зауральской холмисто-предгорной провинции: 1-У - номера

кластеров

Выделяется 5 кластеров. I кластер - горизонты ВС вырубок-гареи вне зависимости от типологической принадлежности (С ртр., С-Тх мш. чер., ЕС зм яг С яг. лп., Е-С втр.). II кластер - горизонты ВС лесов: С орл., С яг., С бр С-Тх мш. чер. (эти два кластера объединяются в более крупное скопление из горизонтов ВС). III кластер - горизонты А, лесов (С бр. С яг., С-Тх мш чер., С ртр., С тр. лп., Е-С зм. яг., С яг. лп.) и вырубок-гареи (С бр., Стр лп С орл., С яг., С яг. лп., Е-С зм.яг.), который состоит из двух групп объединенных по типологической принадлежности: мелкотравные типы леса и травяные. IV - наиболее смешанный кластер, преимущественно горизонты ВС почв лесов (Е-С втр., С тр.лп.) и вырубок (вырубки С ртр 12 лет и С орл.) некоторых травяных типов леса. V - наиболее рыхлый и удаленный от всех остальных, он объединяет горизонты А, разнотравных и высокотравных вырубок-гарей (Е-С втр., С ртр., С яг.).

Таким образом, для южно-таежных лесов и вырубок-гареи Зауральской-холмисто-предгорной провинции установлено, что по комплексу изученных физических и химических свойств почв горизонты ВС объединяются по сукцессионному статусу (лес-вырубка) в плотные скопления, а горизонты А] по типам леса в рыхлые скопления.

Изучение временной динамики развитая растительности и тенденции почвенных свойств после сплошной рубки и пожара рассмотрено на примере одного типа леса - сосняка ягодниково-липнякового с бурыми горнолесными почвами. Исследован временной ряд от 1 года до 55 лет, содержащий вырубки-гари 1-11-летней давности, березняки (14, 16 и 55 лет) и

для сравнения осинник (30 лет).

Видовая насыщенность травяно-кустарничкового яруса с увеличением давности вырубки-гари почти не изменяется. Для проективного покрытия сначала происходит уменьшение значений со временем (до 35 лет), затем -постепенное увеличение. Фитомасса видов травяно-кустарничкового яруса уменьшается в зависимости от давности рубки. Связь между давностью рубки и проективным покрытием аппроксимируется полиномиальным уравнением (у=0,0502х2-3,6838х+94,054; ^=0,5837), а между фитомассой - степенным уравнением (у=385,55х ' ; Я =0,6408).

Установлено, что в почвах вырубок наблюдается непрогнозируемая динамика изменения физических и химических свойств. После смыкания древесного яруса с увеличением возраста производного леса тренды четко прослеживаются вне зависимости от эдификатора (береза или осина). Максимальная разница в значениях изучаемых почвенных свойств выявлена для верхнего горизонта, минимальная - при глубине 20-30 см. Для гумусового горизонта, установлено, что плотность сложения, актуальная кислотность с давностью рубки почти не изменяются; гигроскопическая влажность (Рисунок 4а), максимальная гигроскопическая влажность, влажность завядания (Рисунок 46), содержание легкодоступного калия (Рисунок 4в)

увеличиваются; потенциальная кислотность уменьшается (почвы становятся более щелочными) (Рисунок 4г).

10 20 30 40 50 давность рубки, лет

5,0

4,5

X а

у = -0.4969Х2 + 43,255х + 103 ^ = 0,8611

4.0 -

3,5

3,0

у = 0,0153х + 4,0059 Л2 = 0,4883

10 20 30 40 50 давность рубки, лет

10 20 30 40 50 60 давность рубки, лет

Рисунок 4. Зависимость гигроскопической влажности (а), влажности завядания (б), содержания легкодоступного калия (в), потенциальной кислотности (г) гумусового горизонта почв от давности рубки сосняка ягод-никово-липнякового Зауральской холмисто-предгорной провинции

Глава 6. ОСОБЕННОСТИ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВ УСЛОВНО-КОРЕННЫХ ЛЕСОВ И ВЫРУБОК-ГАРЕИ

ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ

Сезонная динамика влажности почв изучена для двух верхних горизонтов трех типов условно-коренных лесов (сосняк брусничниковый, ягод-никово-липняковый, разнотравный) и соответствующих им вырубок-гареи.

Методом кластерного анализа выявлены наибольшие отличия во влажности почвы для горизонта А, разнотравного типа леса, формирующего отдельный хорошо обособленный рыхлый кластер (I кластер) (Рисунок 5) Горизонты В всех изученных типов леса группируются в плотное скопление (II кластер), в котором можно выделить вырубки и субкоренные леса Третий кластер формируют горизонты А, брусничникового и ягодни-ково-липнякового типов леса. Внутри него дифференциация идет преимущественно по типам леса.

250

Рисунок 5. Результаты кластерного анализа полевой влажности для двух верхних горизонтов почв трех типов условно-коренных лесов (С бр., С яг.лп., С ртр.) и соответствующих им вырубок Зауральской холмисто-предгорной провинции: МП- номера кластеров

Методом однофакторного и многофакторного дисперсионного анализа для всех изученных типов леса установлена статистическая достоверность различий во влажности почвы между горизонтами А, и В (Рисунок 6а), между лесом и вырубкой-гарью (Рисунок 66). Различия во влажности между горизонтами максимальны в начале сезона. Статистическая достоверность различий влажности почвы между горизонтами сохраняется до кон-

ца июня. различия

В конце сезона при сохранении большей влажности горизонта А, становятся недостоверными.

А1 В

Почвенный горизонт

Вырубка

Рисунок 6. Статистическая достоверность различий влажности почвы между горизонтами А! и В для всех изученных типов леса (а)^

(Р(2,532)=45,931; р=0,000002) между лесом и вырубкой-гарью (б) (Р(1,570)=15,690; р=0,00008) в условиях Зауральской холмисто-предгорной провинции. Доверительный интервал 0,95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции на основе принципов генетической типологии изучены особенности растительности и почв 12 типов условно-коренных лесов и 11 типов вырубок. Составлена база данных по структуре растительности и физическим, химическим свойствам почв условно-коренных типов леса и вырубок-гарей в пределах обобщенного топоэкологического профиля. Дана характеристика почв и растительности типов лесорастительных условий и типов леса в схеме Б.П. Колесникова (Колесников и др., 1973), широко используемой в лесоустройстве.

Впервые определено положение типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции, выделенных на основе принципов генетической типологии, в классификационной схеме, разработанной в соответствии с «Международным кодексом фитосоциологической номенклатуры» и встроенной в единую синтаксономию Евразии. Выявлено, что большое значение для формирования видовой структуры лесов имеет ярко выраженный экотонный эффект. Типы леса в Зауральской холмисто-предгорной провинции формируются на стыке двух подзональных групп растительности: светлохвойных и темнохвойных бореальных лесов таежного типа класса УассЫо-Ркее1еа и гемибореальных светлохвойных тра-

вяных лесов класса ВгасИуроШо Ртпай-ВеШШеа. В условиях переувлажнения на видовую структуру оказывают влияние интразональные нелесные типы растительности: болота и заливные луга, что еще более усложняет закономерности формирования видовой структуры. Разнообразие ландшафтов режимов увлажнения, почв и сложный экотонный эффект приводят к высокому разнообразию типов леса и их специфичной структуре.

Выявлены и показаны градиенты изменения важнейших для лесной растительности физических, водно-физических и химических свойств почв внутри профиля. Установлено, что каждый тип леса и вырубок в генетической типологии имеет специфичные значения рассмотренных свойств почв и закономерности их изменения внутри профиля.

Лесотипологический анализ позволил в первом приближении оценить влияние отдельных физических, водно-физических и химических свойств почв на видовое разнообразие травяно-кустарничкового яруса условно-коренных лесов и вырубок-гарей южно-таежного округа Зауральской холмисто-предгорной провинции. Подтверждены общеэкологические законы: положительным влиянием на биоразнообразие обладают мощность почв, устойчивость увлажнения; отрицательным - недостаточность или избыточность увлажнения, сильно- и среднекислая реакция водной вытяжки почв, доминирование ели сибирской. Совместное действие указанных факторов приводит к многообразию лесных экосистем.

Проанализировано влияние сплошных рубок и пожаров на структуру растительности и физические, химические свойства почв условно-коренных типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции. После сплошных рубок во всем градиенте лесорастительных условий формируются вейниковые вырубки. Методом дисперсионного анализа доказана статистическая значимость влияния сплошных рубок на продуктивность травяно-кустарничкового яруса, его видовую насыщенность. Для проективного покрытия не выявлено статистически достоверных различий между лесом и вырубкой. Наибольшие изменения в морфологии почв происходят на местообитаниях с повышенным увлажнением. Для гумусового горизонта почв большинства типов леса после сплошных рубок и пожаров плотность сложения, влажность завядания, содержание обменного калия увеличиваются; актуальная и потенциальная кислотность, гигроскопическая влажность уменьшаются; пористость практически не меняется. Выявленные для гумусового горизонта закономерности изменения свойств для горизонта ВС преимущественно имеют обратные тенденции. Методом кластерного анализа для южно-таежных лесов и вырубок-гарей Зауральской-холмисто-предгорной провинции установлено, что по комплексу изученных физических и химических свойств почв горизонты ВС объединяются по сукцессионному статусу (лес-вырубка) в плотные скопления, а горизонты А, по типам леса в рыхлые скопления.

При анализе формирования древесного яруса после сплошных рубок и пожаров в условиях Зауральской холмисто-предгорной провинции установлено что с увеличением мощности почвы сосна (Pirna sylvestris L.) начинает уступать в численности березе {Betula pendula Roth, и В. pubescens Ehrh) Исследования использованы для разработки и верификации нелинейной математической модели (Иванова и др., 2011; Ivanova, Zolotova,

2013)

На примере одного типа леса, сосняка ягодниково-липнякового, изучены временная динамика развития растительности после сплошной рубки и пожара и тенденции почвенных свойств. Видовая насыщенность травя-но-кустарничкового яруса с давностью рубки почти не изменяется, фито-масса видов - уменьшается. Для проективного покрытия сначала происходит уменьшение значений со временем (до 35 лет), а затем - постепенное увеличение. Установлено, что в почвах вырубок наблюдается непрогнозируемая динамика изменения физических и химических свойств. После смыкания древесного яруса с увеличением возраста производного леса тренды четко прослеживаются вне зависимости от эдификатора (береза или осина). Для гумусового горизонта почв установлено, что плотность сложения, актуальная кислотность с давность рубки почти не изменяются, гигроскопическая влажность, максимальная гигроскопическая влажность, влажность завядания, содержание легкодоступного калия увеличиваются, потенциальная кислотность уменьшается.

Впервые для трех типов южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции в вариантах лес - вырубка-гарь получено 19 временных рядов динамики полевой влажности в течение сезона (апрель-сентябрь) для двух верхних горизонтов почв. Методом кластерного анализа установлены наибольшие отличия во влажности почвы для горизонта А, разнотравного типа леса. Выявлена статистическая достоверность различий влажности почвы для типов леса, лесов и вырубок-гарей, верхних горизонтов почв.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Иванова, Н.С. Модель восстановительно-возрастной динамики лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции [Электронный ресурс] / Н.С. Иванова Г.П. Быстрай, С.А. Охотников, Е.С. Золотова // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - № 4. - Режим доступа: URL: www.science-education.ru/98-4754.

2. Иванова, Н.С. Факторы типологического и видового разноооразия лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции / Н.С. Иванова, Е.С. Золотова // Фундаментальные исследования. - 2011. - №12-2. - С. 275280.

3 Золотова, Е.С. Лесотипологическое исследование вырубок Зауральской холмисто-предгорной провинции / Е.С. Золотова, НС. Иванова// Известия Самарского научного центра РАН. - 2012. - Том 14. - № 1(4). - С.

Ш4Иванова, Н.С. Биоразнообразие условно-коренных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции [Электронный ресурс] / Н.С. Иванова Е.С. Золотова // Современные проблемы науки и образования. -2013. - № 1. - Режим доступа: URL: http://www.science-education.ru/107-

8563

5 Золотова, Е.С. Лесотипологические особенности структуры растительности и почв Зауральской холмисто-предгорной провинции / Е.С. Золотова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2013. - № 2(40). - С. 11-14.

6 Иванова Н.С. Новый междисциплинарный подход к изучению структуры и динамики лесных экосистем / Н.С. Иванова, Е.С. Золотова, И.В. Петрова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2013. - № 2(40). - С. 14-17.

В прочих изданиях:

7 Ланкин, ЮЛ. Оценка влияния морфологических нарушении на рост Pinus sylvestris L. в лесных культурах с использованием нейронных сетей / Ю П Ланкин, Н.С. Иванова, М.В. Ермакова, Е.С. Золотова // Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования: Мат. III Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. - Нижний Тагил: Нижнетагил. гос. соц.-пед. акад., 2010. -Ч. 1. - С. 354-358.

8 Ермакова, М.В. Анализ структуры искусственных дендроценозов сосны обыкновенной / М.В. Ермакова, Е.С. Золотова, Т.П. Бессонова // Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования: Мат. III Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. - Нижний Тагил: Нижнетагил. гос. соц.-пед. акад., 2010. -Ч. 1. - С. 209-212.

9 Иванова, Н.С. Почвы как управляющий параметр формирования лесной растительности на вырубках / Н.С. Иванова, Е.С. Золотова, Г.П. Быстрай // Биосферные функции почвенного покрова: Мат. Всерос. науч. конф посвящ. 40-летнему юбилею Ин-та физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. - Пущино: SYNCHROBOOK, 2010. -С. 135-137.

10. Иванова, Н.С. Планируемый природный парк «Истоки реки Исети» -основа экологической безопасности города Екатеринбурга / Н.С. Иванова, Г П. Быстрай, Е.С. Золотова, С.А. Охотников, И.А. Лыков // Охраняемые природные территории - основа экологической устойчивости региона: Мат. науч.-практ. конф. - Уфа: Гилем, 2010. - С. 81-86.

11. Иванова, Н.С. Природный потенциал горно-лесной растительности и почв на Среднем Урале / Н.С. Иванова, Е.С. Золотова // Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности

России: Мат. междунар. науч. конф., посвящ. 165-летию со дня рождения В.В. Докучаева. - СПб.: С.-Петербургский гос. ун-т, 2011. - С. 394-397.

12. Золотова, Е.С. Лесотипологический анализ разнообразия растительности и почв на Среднем Урале / Е.С. Золотова // Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов: Мат. Всерос. науч. конф. XIV До-кучаевские молодежные чтения, посвящ. 165-летию со дня рождения В.В. Докучаева. - СПб.: С.-Петербургский гос. ун-т, 2011.-С. 315-316.

13. Иванова, Н.С. Экология южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции / Н.С. Иванова, Е.С. Золотова // Любищевские чтения - 2011. Современные проблемы эволюции: Сб. мат. междунар. конф. - Ульяновск: УлГПУ, 2011. - С. 305-314.

14. Золотова, Е.С. Основная классификационная единица в лесной типологии, становление и развитие / Е.С. Золотова // Философия и методология науки: Мат. третьей Всерос. науч. конф. - Ульяновск: Издатель Качалин А.В., 2011.-С. 100-103.

15. Золотова, Е.С. Лесотипологические исследования в Зауральской холмисто-предгорной провинции / Е.С. Золотова, Н.С. Иванова // Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования: Мат. IV Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Нижний Тагил: НТГСПА, 2012. -Ч 1. - С. 187-189

16. Золотова, Е.С. Почвенные факторы формирования лесной растительности на вырубках-гарях Среднего Урала / Е.С. Золотова, Н.С. Иванова, И.В. Петрова // XXVII Любищевские чтения-2013. Современные проблемы эволюции и экологии: Сб. мат. междунар. конф. - Ульяновск: УлГПУ, 2013. - С. 322-329.

17. Ivanova, N.S. Vegetation and soil differentiation within the limits of ecotope on the Middle Ural region / N.S. Ivanova, E.S. Zolotova // European Journal of Natural History. - 2011. -№1. - P. 41.

18. Zolotova, E.S. From the sources of forest typology to the modern research / E.S. Zolotova, N.S. Ivanova, I.V. Petrova // Scientific enquiry in the contemporary world: theoretical basics and innovative approach. - USA: L&L Publishing, 2012. - Vol. 1. - P. 52-56.

19. Ivanova, N.S. Model of Forest Restoration / N.S. Ivanova, E.S. Zolotova // Population Dynamics: Analysis, Modelling, Forecast. 2013. - № 2(2). - P. 5060.

Отзывы на автореферат просим направлять в трех экземплярах с заверенными подписями по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37. УГЛТУ, ученому секретарю диссертационного совета А.Г. Магасумовой Факс: (343) 262-96-38. E-mail: dissovet.usfeu@mail.ru

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Золотова, Екатерина Сергеевна, Екатеринбург

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

БОТАНИЧЕСКИЙ САД

На правах рукописи

04201454095

Золотова Екатерина Сергеевна

ЛЕСОТИПОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ПОЧВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ

06.03.02. - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, И.В. Петрова

Екатеринбург -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................5

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ПОЧВ НА СРЕДНЕМ УРАЛЕ 13

1.1. Генетическая типология и ее становление в условиях Среднего Урала........................13

1.2. Исследования лесных почв на Среднем Урале.................................................................21

1.3. Исследование растительности на Среднем Урале и методологические проблемы изучения лесов..................................................................................................................................23

1.4. Изучение взаимосвязи лесной растительности и почв.....................................................25

Глава 2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ..............29

2.1. Географическое положение и климат Среднего Урала.........................................................29

2.2. Рельеф и геологическое строение Среднего Урала...............................................................32

2.3. Почвенный покров Зауральской холмисто-предгорной провинции....................................33

2.4. Растительность Среднего Урала..............................................................................................38

2.5. Объекты исследования.............................................................................................................41

Глава 3. РАСТИТЕЛЬНОСТЬ И ПОЧВЫ УСЛОВНО-КОРЕННЫХ ЛЕСОВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ...................................................................................44

3.1. Структура растительности и строение почв южно-таежного округа Зауральской холмисто-предгорной провинции...................................................................................................44

3.2. Физические и химические свойства почв Зауральской холмисто-предгорной провинции ............................................................................................................................................................55

3.2.1. Физические и водно-физические свойства почв.............................................................55

3.2.2. Химические свойства почв южно-таежных лесов..........................................................69

3.3. Взаимосвязь типологического и видового разнообразия со свойствами почв южнотаежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции..................................................77

Глава 4. РАСТИТЕЛЬНОСТЬ И ПОЧВЫ ВЫРУБОК-ГАРЕЙ ЮЖНО-ТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ.....................................................83

4.1. Структура растительности и строение почв вырубок-гарей южно-таежных лесов...........83

4.2. Физические и химические свойства почв вырубок-гарей южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции.............................................................................89

4.2.1. Физические и водно-физические свойства почв вырубок-гарей...................................89

4.2.2. Химические свойства почв вырубок-гарей Зауральской холмисто-предгорной провинции...................................................................................................................................102

4.3. Взаимосвязь типологического и видового разнообразия вырубок-гарей со свойствами почв Зауральской холмисто-предгорной провинции.................................................................107

Глава 5. ВЛИЯНИЕ СПЛОШНЫХ РУБОК И ПОЖАРОВ НА РАСТИТЕЛЬНОСТЬ И ПОЧВЫ ЮЖНО-ТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ ПРОВИНЦИИ 113

5.1. Изменение структуры травяно-кустарничкового покрова и почв......................................113

5.2. Трансформация физических и химических свойств почв южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции...........................................................................117

5.3. Почвы как управляющий параметр формирования растительности на вырубках...........126

5.4. Временная динамика свойств почв и структуры растительности после сплошных рубок ..........................................................................................................................................................129

Глава 6. ОСОБЕННОСТИ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВ УСЛОВНО-КОРЕННЫХ ЛЕСОВ И ВЫРУБОК-ГАРЕЙ ЗАУРАЛЬСКОЙ ХОЛМИСТО-ПРЕДГОРНОЙ

ПРОВИНЦИИ.....................................................................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................170

Приложение 1. Схема типов лесорастительных условий и характеристика условно-коренных

типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции.......................................................171

Приложение 2. Положение изучаемых типов леса в международной системе

синтаксономических единиц.........................................................................................................177

Приложение 3. Строение и свойства почв южно-таежных лесов Зауральской холмисто-

предгорной провинции..................................................................................................................178

Приложение 3.1. Морфологическое строение почвенного профиля условно-коренных лесов

......................................................................................................................................................178

Приложение 3.2. Каменистость почв условно-коренных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции и их характеристика согласно классификации H.A. Качинского. 182 Приложение 3.3. Физические свойства почв южно-таежных лесов Зауральской холмисто-

предгорной провинции..............................................................................................................183

Приложение 3.4. Водно-физические свойства почв условно-коренных лесов Зауральской

холмисто-предгорной провинции.............................................................................................184

Приложение 3.5. Химические свойства почв южно-таежных условно-коренных лесов

Зауральской холмисто-предгорной провинции.......................................................................185

Приложение 4. Строение и свойства почв вырубок-гарей южно-таежных лесов Зауральской

холмисто-предгорной провинции.................................................................................................186

Приложение 4.1. Морфологическое строение почвенного профиля вырубок-гарей Зауральской холмисто-предгорной провинции.......................................................................186

Приложение 4.2. Каменистость почв вырубок-гарей южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции и их характеристика согласно классификации H.A.

Качинского..................................................................................................................................192

Приложение 4.3. Физические свойства почв вырубок-гарей южно-таежных лесов

Зауральской холмисто-предгорной провинции.......................................................................194

Приложение 4.4. Водно-физические свойства почв вырубок-гарей южно-таежных лесов

Зауральской холмисто-предгорной провинции.......................................................................196

Приложение 4.5. Химические свойства почв вырубок-гарей южно-таежных лесов

Зауральской холмисто-предгорной провинции.......................................................................198

Приложение 5. Зависимость проективного покрытия травяно-кустарничкового яруса от

сукцессионного статуса (лес или вырубка).................................................................................200

Приложение 6. Зависимость фитомассы трав исследуемых типов леса от сукцессионного

статуса (лес или вырубка).............................................................................................................202

Приложение 7. Морфологическое строение почвенного профиля производных растительных сообществ сосняка ягодниково-липнякового Зауральской холмисто-предгорной провинции

..........................................................................................................................................................204

Приложение 8. Динамика полевой влажности почв южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции.................................................................................................206

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Крупнейшей проблемой современного естествознания является создание общей теории структурно-функциональной организации природных систем [47]. На ее решение направлены исследования лесной типологии, науки, систематизирующей знания о природе лесов, выявляющей региональную и экотопологическую специфику проявления природного и антропогенно-трансформированного лесообразовательного процесса, являющейся надежной базой для ведения лесного хозяйства.

Более 90% площади Свердловской области расположено в лесной зоне, из них 62,7% покрыто лесами, подвергающимися активному антропогенному воздействию. Происходит сокращение площади коренных лесов, снижение их устойчивости и биоразнообразия, смена производными растительными сообществами. В связи с этим особо актуально изучение региональных и ландшафтных особенностей трансформации природных комплексов и прогнозирование последствий хозяйственного использования. Исследования усложняются гетерогенностью горных условий и поливариантностью динамики экосистем. Необходимо создание базы данных по структуре растительности и физическим, химическим свойствам почв.

Степень разработанности проблемы. Взаимосвязь лесорастительных условий со структурой и восстановительно-возрастной динамикой растительности района исследований ранее были описаны в статьях P.C. Зубаревой [71-75], Р.П. Исаевой и H.A. Луганского [100102], Е.П. Смолоногова [251, 253, 257]. На основе принципов генетической типологии Б.П. Колесниковым, P.C. Зубаревой, Е.П. Смолоноговым [123] составлен кадастр типов леса Свердловской области, который продолжает использоваться для научных целей и лесоустройстве. Однако особенности структуры растительности и почв различных типов леса в пределах их топологических профилей предгорных и тем более горных регионов до настоящего времени оставались не изучены. Несмотря на большое количество статей и монографий [11, 12, 55-57, 82, 193197, 228, 229, 289-292, 298, 299, 301-303], посвященных лесным почвам Среднего Урала, современное их состояние изучено недостаточно. В частности, почти не выявлены закономерности изменения физических и химических свойств в почвенном профиле для различных типов леса и их устойчивость к антропогенным факторам. Особую ценность представляет изучение структуры подпологовой растительности и свойств почв, которые после сплошных рубок и пожаров во многом определяют направление и интенсивность восстановительно-возрастных смен.

Взаимосвязь растительности и почв района исследований изучалась В.П. Фирсовой [289, 291, 292] и в содружестве с коллегами: М.И. Дергачевой [295], Т.С. Павловой [297] и Г.К. Ржанниковой [301-303]. Влияние сплошных рубок на свойства почв приведено в статьях B.C. Дедкова с коллегами [56] и В.П. Фирсовой [290]. Указанные исследования выполнены для некоторых возрастных стадий отдельных типов леса или вырубок. Не проводились количественные экологические исследования взаимосвязи структуры, биоразнообразия и динамики растительности с физическими и химическими характеристиками почв в разных типах леса и их антропогенных вариантах (на вырубках и гарях).

Цель исследования. На основе подходов генетической лесной типологии изучить особенности структуры, разнообразия и взаимовлияния растительности и физических, химических свойств почв южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции. Задачи исследования:

1. Изучить основные параметры и градиенты структуры растительности, физических, химических свойств почв условно-коренных типов леса, вырубок-гарей в обобщенном топоэколо-гическом профиле и создать базу данных.

2. На основе эколого-флористической классификации определить положение изучаемых типов леса в международной системе синтаксономических единиц.

коренных типов леса и вырубок-гарей. Дана характеристика почв и растительности типов лесо-растительных условий и типов леса в схеме Б.П. Колесникова [123], широко используемой в лесоустройстве. Подтверждены общеэкологические законы: положительным влиянием на биоразнообразие обладают мощность почв, устойчивость увлажнения; отрицательным - недостаточность или избыточность увлажнения, сильно- и среднекислая реакция водной вытяжки почв, доминирование ели сибирской. Выявленные лесотипологические особенности структуры растительности и физических, химических свойств почв используются для построения и верификации математических моделей динамики лесных экосистем, с целью их прогнозирования и оценки устойчивости [90,340].

Методология и методы исследования. Исследования проводились в сосновых, еловых лесах и соответствующих им вырубках-гарях южно-таежного округа Зауральской холмисто-предгорной провинции [123] между 57°00'-57°05' с.ш. и 60°15'-60°25' в.д. В основу изучения положен метод пробных площадей и общепринятые методики лесогеоботанических и почвенных исследований. Пробные площади (0.25-0.5 га) подбирались по положению в рельефе, градиенту увлажнения, согласно принципам генетической типологии [115] и кадастру типов леса Свердловской области [123]. Изучены 12 типов условно-коренных лесов 120-180-летнего возраста и 11 типов вырубок-гарей 1-12-летней давности. Для типа леса сосняк ягодниково-липняковый исследована восстановительно-возрастная динамика после сплошных рубок. Рассмотрен временной ряд от 1-55 лет. Всего заложено 36 пробных площади. Проведены комплексные лесогеоботанические исследования: таксация древостоя [10], учет подроста древесных растений на лентах 4x20 м (2—4 ленты на пробную площадь) [171], общее геоботаническое описание [5, 277]. Описан общий облик растительного покрова, составлены списки видов с указанием их обилия по шкале Браун-Бланке [224, 327, 360]. Названия видов даны по определителю «Сосудистые растения СССР» [310].

Для изучения проективного покрытия и фитомассы видов травяно-кустарничкового яруса закладывались 10-20 учетных площадок на пробную площадь. Всего изучено 443 учетных площадки. Проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса, а также отдельных видов определяли методом дробного учета [171, 224]. В работе использована деревянная рамка размером 1x1 м, разбитая на ячейки 0.1x0.1 м. При оценке проективного покрытия каждая ячейка принималась за 1%. Учет фитомассы травяно-кустарничкового покрова на пробных площадях проводился на учетных площадках размерами 0.5x0.5 м в период максимального развития травостоя (в июле). Фитомасса анализировалась по видам в абсолютно сухом состоянии.

Полнопрофильные почвенные разрезы закладывались согласно Б.Г. Розанову [230], морфологическое описание проводилось в соответствии с традиционной классификацией [111] для

обеспечения преемственности исследований изучаемого региона [56, 301-303]. Перевод используемых названий почв на новую классификацию [112] сделан в Таблице 1.

Таблица 1

Названия почв, согласно традиционной и современной классификации

Традиционная классификация почв, 1977 год [111] Современная классификация почв, 2004 год [112; 188]

Бурые горно-лесные Буро-таежные, буроземы грубогумусовые

Дерново-подзолистые Дерново-подзолистые

В ходе полевых исследований было отобрано 129 почвенных образцов, пробоподготовка проводилась согласно общепринятым методикам [13, 43]. Образцы почвы доводились до воздушно-сухого состояния, затем бралась средняя проба методом квартования. Почву растирали в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником и просеивали через сито с отверстиями 1 мм. Растирание и просеивание повторяли до тех пор, пока на сите не оставались лишь твердые каменистые частицы крупнее 1мм (скелет почвы).

Методики определения физических свойств почв. Для определения количества скелета перед общей подготовкой почвы к анализу ее взвешивали на технических весах, ра

Информация о работе

Золотова, Екатерина Сергеевна
кандидата биологических наук
Екатеринбург, 2013
ВАК 06.03.02

Диссертация

Лесотипологические особенности растительности и почв Зауральской холмисто-предгорной провинции - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы