Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние биологической мелиорации на рост лесных культур в условиях нарушенных земель

ВАК РФ 06.03.01, Лесные культуры, селекция, семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Влияние биологической мелиорации на рост лесных культур в условиях нарушенных земель"

СЙ1Л-10ЙРК/РГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ Аклда.щ

На правах рукописи

ЗАСТЕНСКАЯ Лариса Леонидовна

ВЛИЯНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ МЕЛИОРАЦИИ НА РОС:' ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

06.03.01. - лесные культуры, селекция, семеноводство и озеленение городов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнена на кафедре лесных культур и почвоведения Белорусского государственного технологического университета, г. Минск.

ШЧгШй РУКОВОДИТЕЛЬ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

2

- кандидат сельскохозяйственных наук, доцент И.К.Блинцов

- доктор биологических наук, профессор Маслаков Е.А.

- кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Тимофеев А.И.

- Белорусский государственный проектно-изыскательский институт (БелГИПРОЛЕС)

64_ 19ЭУ

Защита состоится " А-

в !/ часов на заседании специализированного Совета

К.063.50.01 при Санкт-Петербургской лесотехнической академии (194018.С.-Петербург, Институтский пер. 5, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

■Ох-3

Автореферат разослан "^0 "

О

•2

Ученый секретарь специализированного Совзта кандидат сельскохозяйственных наук, доцент хТ /

199 9 г.

А.П.Евдокимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В производстве материальных благ человека земля играет важнейшую роль. Поэтому порчу земли следует рассматривать как антиобщественный поступок.

В то же время ежегодно из сельскохозяйственного и лесо-хозяйственного производства изымаются десятки сотен гектаров плодородной земли. Значительная часть из них поступает для промышленных разработок, которые приводят к нарушению ландшафта, изъятию почвенного горизонта, уничтожению растительности, возникновению эрозионных и ряда других негативных процессов. Поэтому проблема рекультивации нарушенных территорий, вышедших из-под промышленных разработок, заслуживает внимания ив ¡первую очередь в тех регионах, где наблюдается дефицит земли.

Применяемые в настоящее время способы рекультивации земель далеко не отвечают потенциальным возможностям и не удовлетворяют землепользователей.

До настоящего времени не уделялось, например, внимания при лесной рекультивации нарушенных земель добычей нерудных строительных материалов /песка, гравия и т.п./ биологической мелиорации. Решению этой актуальной и важной задачи и посвящена данная диссертационная работа.

Тема связана с планом научно-исследовательских работ Белорусского Государственного Технологического Университета, координируемой АН РБ. Номер госрегистрации 01900012977.

Цель работы. Изучить рост и продуктивность культур сосны обыкновенной / Jifi/zféit'S ©Г. / и березы повислой //Betuna i/ééteccaja cfAt/г / под влиянием биологичес-

Задачи исследований. Установить влияние биологической мелиорации на рост и биологическую продуктивность лесных культур в условиях нарушенных земель после добычи песка и гравия. Изучить формирование лесной подстилки в молодняках сосны и березы при совместном выращивании их с люпином многолетним. Проследить образование гумусного горизонта почв в культурах под воздействием биологической мелиорации. Сопоставить изменения тепловых, водно-физических и агрохимических свойств при различных способах выращивания лесных

кой мелиорации люпина многолетнего

Л^гУ.

культур. Разработать мероприятия по биологической рекультивации нарушенных земель, включающие лесные культуры и люпин многолетний.

Научная новизна. Впервые на нарушенных землях в условиях Белоруссии изучены рост и продуктивность молодняков сосны и березы при совместном выращивании с люпином многолетним. Исследовано формирование почвенного покрова в культурах сосны и березы под влиянием биологической мелиорации люпина многолетнего на песчаных выработках. Выявлен процесс формирования гумусного горизонта, количественный и качественный состав лесной подстилки.

Личный вклад. Автором лично проведены работы по сбору полевых материалов, их агрохимической и статистической обработке, определению теплового режима и влажности почв, изучению прироста модельных деревьев. Им составлены все основные таблицы, сформулированы выводы и разработаны рекомендации. При проведении раскопок корневых систем и некоторых почвенных анализов, оказана помощь со стороны вспомогательного персонала кафедры, за что автор приносит им благодарность.

Практическая значимость и реализация результатов. Биологическая мелиорация в условиях нарушенных земель с неблагоприятными почвенно-экологическими условиями позволяет ускорить процесс формирования почвенного покрова и повысить продуктивность выращиваемых насаждений. Кроме того, она уменьшает негативное влияние промышленных разработок на окружающую природную среду и человека.

Практическая реализация такого решения дает возможность вернуть "бросовые" земли в хозяйственный оборот, быстрее залечить "раны" земли, нанесенные человеком. Внедрение предложений позволит улучшить рекреационную роль зеленых зон вокруг городов и населенных мест.

Обоснованность и достоверность результатов исследования базируется на большом экспериментальном материале и методически правильном подходе к его сбору и обработке с применением математической статистики и ЭВМ.

Объекты исследования охватывают большой возраст биологической мелиорации лесных культур /14-20 лет/ с достаточной повторностью.

- о -

Апробация работы и публикация результатов исследований. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях ЬТИ (Минск, 1989, 1990, 1992, 1993 г.г.), в Московском лесотехническом институте (Москва, 1989 г.), на Всесоюзной конференции молодых ученых (Минск, БелНИПА, 1Э90 г.), на Всесоюзной конференции "Экологические проблемы охраны живой природы" (Москва, 1990 г.).

По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

На всесоюзном конкурсе в 1988 году студенческая работа, выполненная нами на объектах, которые использованы в диссертации, удостоена Лауреата конкурса с присуждением медали.

Объект и структура работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах, состоит из введения, восьми разделов, выводов и практических предложений, содержит 35 таблиц. Спчсок литературы включает 227 наименований, большая часть из которых авторы зарубежных стран.

На защиту выносятся следуюцие положения диссертационной работы:

- влияние биологической мелиорации на рост и общую фи-томассу культур сосны и березы в условиях нарушенных земель;

- накопление лесной подстилки в лесных культурах при совместном выращивании с люпином многолетним;

- формирование гумусного горизонта в условиях нарушенных земель и изменение свойств почвы;

- расчетно-технологические карты создания лесных культур на нарушенных землях с биологической мелиорацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Состояние вопроса

На нарушенных песчаных выработках растительный покров формируется слабо и к тому же он не имеет большого видового состава. Поэтому песчаные выработки чаще всего либо пустуют, либо отводятся под облесение (В.А.Овчинников, С.В.Карпович, 1980; Ч.А.Новикова, А.И.Савич, 1980; С.В.Гладкова, 197?; Н.Уолворк, 1979; С.Пьрвов, 1978; Л.С.Застенский, 1982; В.А. Прокопеня, А.М.Максимович, А.А.Хомич, 1981).

При соблюдении требований агротехники на песчаных промышленных выработках удается создавать лесные культуры из нетребовательных к условиям произрастания древесных и кус-

тарниковых пород. Этим вопросам посвящено ряд публикаций (Л.И.Гладкова, 1977; Л.В.Моторина, 1979; Ю.Т.Гончаров, В.В. Николаев, 1987; Д.И.Димитров, 1988; М.И.Поляков, А.Т.Бойко, 1987; А.М.Бурыкин, 1985; Я.В.Панков, 1973; Е.У.Джамалбеков, 1982;Н.А.Лебедева, 1984; В.А.Статьев, 1983; В.Н.Данько, 1968; Б.И.Логинов, Л.С.Лиричен, 1978; М.Ф.Колядный, В.А. Овчинников, 1976; В.А.Попов, 1984, В.Н.Данько, Е.В.Перцев, А.И.Чоки, Н.А.Суслов, 1985; Л.С.Застенский, 1979; Е.Л.Мас-лаков, М.Ф.Мойко, Д.В.Огиевский, Т.А.Пардаев, Ю.Е.Самков, Е.В.Еремин, А.В.Воскресенский, 1990;

, 1983 и др.).

Для повышения продуктивности лесов на бедных почвах нередко практикуется биологическая мелиорация. В качестве мелиорантов применяются кустарники, травянистые и даже дре-' весные растения, (В.П.Григорьев, И.Э.Рихтер, Л.И.Лахтанова, Т.С.Берегова, 1989).

Опыт по биологической мелиорации лесных культур бобовыми .растениями имеется в Канаде. При восстановлении бывших V. -■¡.-■^'задеявй строительном материалами в США также 'используют мелиоранты (Ю.А.Попа,' 1990). В Польше на нарушенных землях добрей песка и гравия практикуется посев бобово-злаковой растительности и через 10-15 лет на таких землях образуется гу-мусный горизонт толщиной до 12 см ( , 1985).

Самым распространенным мелиорантом в условиях Белоруссии является люпин многолетний. Введение люпина многолетнего в лесные насаждения рассматривается не только как средство повышения продуктивности лесов, но и как средство повышения плодородия лесных почв. Люпин многолетний увеличивает в почЕе содержание гумуса, азота, фосфора, калия, усиливает микробиологические процессы.

В жестких лесорастительных условиях объектов рекультивации многие исследователи также являются сторонниками биологической мелиорации (Я.В.Панков, 1973; П.А.Андрюшенко, Я.В. Панков, Э.И.Трещевская, 1982; В.А.Статьев, 1983 и др.).

Учитывая увеличение площадей нарушенных земель в стране необходимо придать биологической мелиорации при создании лесных культур и озеленении пригородных зон, где особенно много скопилось площадей, первостепенную роль.

2.Программа, методика и объекты исследований

Программой работ предусматривалось изучить следующие вопросы:

- рост и продуктивность культур сосны и березы при совместном выращивании с люпином многолетним;

- влияние биологической мелиорации на лесорастительные свойства почв с нарушенным строением;

- формирование почвенного покрова и гумусного горизонта в культурах с люпином многолетним.

Програмные вопрасы изучались на следующих вариантах выращивания лесных культур:

1.Сосна с люпином многолетним на почвах;с отсутствием почвенного слоя.

2.Сосна без люпина с отсутствием почвенного слоя.

3.Сосна с люпином с насыпным почвенным слоем.

4.Сосна без люпина с насыпным почвенным слоем.

5.Береза с люпином многолетним на почвах с отсутствием ' почвенного слоя.

6.Береза без люпина с отсутствием почвенного слоя.

7.Береза с люпином с насыпным почвенным слоем.

8.Береза без люпина с насыпным почвенным слоем.

Насыпной почвенный слой наносился на поверхность отработанных песчаных выработок неравномерно /3-8 см/ и содержал в себе большое количество примесей песка и гравия. Варианты опыта содержат повторности.

Почвенные исследования выполнены по известным и опроби-рованным методикам. Образцы для анализа почв отбирались с глубины 0-5 10"15, 25-30, 45-50, 100 см. На такой глубине определялась и влажность почвы /1989-1991г.г./. Температура почвы определялась на глубине до 20 см, т.е. в зоне распространения корней в течение вегетационных периодов /1990--1991г.г./.

Гранулометрический состав, капиллярная влажность, гигроскопическая влага, максимальная гигроскопичность, агрохимические и водно-физические свойства определялись по общепринятым методикам.

Фракционный состав почвы производился по Сабанину, гумус по Тюрину, подвижный фосфор по Кирсанову, подвижный калий по Пейве и по Кирсанову, легкогидролизуемнй азот по

Тюрину и по Кирсанову, рН солевой вытяжки - потонциометром. Сумма поглащенных оснований определялась по Каппену-Гилько-вицу, гидролитическая кислотность по Каппену.

Массу опада в культурах определяли в динамике путем ее взвешивания на учетных площадках /1x1/ по диагонали каждого участка /варианта/. Состав опада определяли посредством разделения его на фракции, и последующего взвешивания этих фракций. Толщина гумусного горизонта определялась на каждом участке в вырытых траншеях длиной не менее 50 м в точках через каждые I м.

Биологическая активность лесного опада изучалась по цел-люлозоразрушающей способности /Н.Н.Наклепов,1974; Э.П.Попов, 1977; И.В.Соколовский,1983/.

Обмер деревьев на пробных площадях производили сплошным способом. Фитомасса молодых деревьев и их частей определялась с использованием методик И.Д.Юркевича, Э.П.Яроше-вич /1974/; Е.Г.Петрова /1983/; Г.И.Редько /1989/; Е.Л.Мас-лакова /1984/; Л.II.Смоляка, А.И.Русаленко /1977/; А.А.Молчанова /1971/; В.А.Ипатьева /1985/; Н.Ф.Ловчего /1988/; и др. Корневые системы сосны, березы, акации желтой и спиреи калинолистной определялись сплошными раскопками послойно через 10 см с последующим измерением длины скелетных, проводящих и всасывающих корней и их массы /И.Н.Рахтеенко,1952; М.И.Калинин,1983; С.Э.Вомперский,1968; И.И.Мякуш,1989;Е.Г. Петров,1983/.

Динамика роста культур сосны и березы в течение сезона /1988-1990г.г./ изучалась по методикам А.А.Молчанова, З.В. Смирнова /1967/ и с использованием работ С.Н.Сеннова,1968; А.А.Лкстова,198б; И.Д.Юркевича, Л.Я.Петровского, Н.ФДовче-го, Е.Г.Емельянова,1971; Ю.Д.Сироткина,1972 и др.

Основные исследования проводились на четырех объектах.

Объект I площадью 15 га расположен в Острошицко-Горо-докском лесничестве Минского леспаркхоза, Культуры созданы в 1971г., а исследованы в 1990г. в возрасте 20 лет. Схема смешения культур: 5 рядов сосны, I ряд спиреи, 3 ряда березы, I ряд спиреи и т.д. Размещение посадочных мест сосны и березы 1,5x0,7 м. Заложено 7 пробных площадей /пп/. На пл.1,6 и 7 люпин не высевался, на остальных /пп.2, пп.З, пп.4, пп.5/ люпин высевался и сохранился до настоящего времени. На пп.2,

нанесена вскрышная порода.

Объект 2 площадью 3,0 га имеет выравненную поверхность. Культуры посажены в 1974 г., исследованы в возрасте 14 лет. Схема их смешения: 4 ряда сосны, I ряд спиреи, 3 ряда березы, I ряд спиреи и т.д. Размещение посадочных мест у сосны 1,75x0,75 м, у березы 2,0x1,0 м. Заложено 7 пробньпс площадей. На пл.8 и Ю сосна без люпина и без вскрышной породы, на пп.9 сосна с люпином без вскрыщной породы, на ппЛОа сосна с вскрышной породой без люпина, на пп.9а без люпина со вскрышной породой. Аналогичные варианты имеет и береза. Распложен объект в Острошипко-Городокском лесничестве.

Объект 3 площадью 4 га имеет культуры чистой березы 1974 г. с размещением посадочных мест 2,0x1,0 м. Поверхность бывшей выемки выравнена. На пп.15 люпин не высевался, на пп.15а люпин высевался. Исследованы культуры в возрасте 16 лет.

Объект 4 расположен в Заславском лесничестве Минского лесхоза и имеет площадь 3,2 га. На нем заложено 2 пп. в культурах сосны 1980 г. Одна из них с люпином /16а/, другая без люпина /16/.

Размещение культур 1,5x0,75 м. Культуры исследованы в возрасте "С лет.

П^и исследовании культур сосны и березы с люпиьом было выявлено, что последний к моменту смыкания крон сосны выпадает; в культурах же березы, где просвечиваемость крон лучше, у сосны, люпин хорошо сохраняется до настоящего времени.

3.Природные и почвенно-геологические условия района исследования

Для успешного роста и жизнедеятельности растений, развития процессов почвообразовался необходимы благоприятные природные условия. Только при учете местных факторов можно выработать правильную систему, позволяющую формирование растительного покрова на нарушенных землях и ускоренное восстановление земель.

В главз -писаны природные условия Белоруссии, ее основные почвенные разновидности, растительный покров, климат.

В главе обращено внимание на распространение и запасы

нерудных строительных материалов и прежде всего на залежи песчаных отлокекий. Описаны их основные физические и химические свойства. Показано, что природные условия Белоруссии способствуют успешному выращиванию лесных культур и их биологической мелиорации люпином тоголетним.

4.Лесорастительные свойства почв с нарушенным строением и их изменение иод влиянием биологической мелиорации

В работе отмечены специфические особенности почв нарушенных земель. Они, как известно из литературы, не имеют себе аналогов даже среди самых бедных песчаных почв. Механический состав является одним из самых устойчивых признаков почв и он существенно влияет на физические, химические, водные и другие свойства. Анализ агрегатного состава почвы показал, что на всех объектах исследования он во многом однороден. Прежде всего в такой почве мало физической глины /не более Ъ%/, а преобладающими фракциями являются пески. При использовании таких земель речь может идти только о культивировании на них нетребовательной к условиям произрастания древесной и кустарниковой растительности. Не случайно, что в лесных культурах на таких землях на территории Беларуси около 80$ сосны.

Изучение водно-физических свойств почв показало, что их объемная масса, скважность, гигроскопическая влага, капиллярная вяагоемкость и полная влагоемкость достаточно близки между собой на объектах исследования и на всех вариантах выращивания лесных культур, как с люпином, так и без люпина.

На песчаных выработках очень небольшие запасы влаги. Да-хе в апреле месяце после снеготаяния в корнеобитавмом горизонте ее бывает редко более 5%, а летом абсолютные запасы влаги составляют от десятых долей до 4$. В большинстве же взятых образцов количество изменяется от 1,3—3,3%. В культурах березы с люпином в некоторые периоды прослеживаются небольшие увеличения влаги в почве в сравнении с почвами, занятная такими я.е ¡гультурами, но без люпина. Люпин, по-видимому, сдерживает просачивание атмосферных осадков внутрь почвы и ее испарение с поверхности почвы. Необходимо отметить также, что

и прогревание почвы, занятой лесными культурами с люпином, оказалось слабее, чем без люпина. Эта разница составляет, как показали исследования, до 2°С. Люпин многолетний уменьшает глубину промерзания почвы в зимний период.

Сравнивая аэрацию почвы под культурами сосны, оказалось, что она почти не изменяется в течение вегетационного периода под влиянием биологической мелиорации.

Известно, что существует определенная связь мекду механическим составом почвы и содержанием в нем элементов питания. Одним иэ важнейших компонентов почвы является гумус. Однако на свежих выработках его ничтожно мало, поэтому появление гумуса в таких условиях связано с отмиранием и последующей гумификацией отмерших растительных остатков. Очевидно, что при восстановлении нарушенных земель лесными культурами некопление гумуса в почве осуществляется за счет лесного опада, травянистой растительности и люпина многолетнего. Исследования показали, что на объектах исследования гумус в почве обнаруживается только в верхнем 30-сантиметровом горизонте. Выращивание лопина в лесных культурах значительно повысило содержание гумуса в поверхностном слое /0-5 см/: в почве с культурами сосны с люпином содержанке гумуса составило 2,23%, у березы с люпином - 2,45$, а в почвах таких же культур без люпина, соответственно - 0,42 и 0,47%.

Содержание питательных веществ в почве под воздействием биологической мелиорации изменилось незначительно. Однако там, где выращивался с лесными культурами люпин, содержание общего и гидролизуемого азота увеличилось в 5-ти сантиметровом слое в культурах сосны в 1,5 раза, а в 10-15 см слое почв - в 2 раза. Абсолютное :хе содержание азота в почве очень небольшое.

При определении валового состава существенных различий по составу почв в культурах с биологической мелиорацией и без нее не выявлено.

5.Формирование лесной подстилки и гумусного горизонта в культурах сосны и березы с биологической мелиорацией

На песчаных и гравийно-песчаных карьерах естественная

растительность развивается слабо, поэтому процесс формирования гумуса и само;? почвы в таких условиях замедленный. Выращивание люпина многолетнего на наруыенных землях может ускорить эти процессы. По исследованиям Б.Д.Жилкина /1965/, В.П.Григорьева, И.Э.Рихтера, Л.И.Дахтановой, Т.С.Береговой /1989/, Л.Н.Рошсова /1969/, В.К.Поджарова /1967/ и др. лучшим биомелиорантом для условий Белоруссли является люпин многолетний. Его достоинством является то, что семена люпина сохраняют всхожесть в течение 2-3 лет и более, но в то же время он относится к средне свет-олюбивым растениям и под пологом насаждений при сомкнутости вше 0,7 он не только из-реживается, но и не растет.

По нашим данным, корни люпина проникают вглубь почвогрун-та нарушенных земель до 2 м, при атом от общей массы растения, на корневую систему приходится до 2/3 ее части. Клубеньки на корнях люпина формируются на глубине 5-12 см в количестве 19-36 штук. Масса клубеньков от 0,022 до 0,0835 г, размер 1,2x5,0 мм. Люпин, по данным сотрудников кафедры лесоводства ВТИ, может фиксировать до 150 кг азота в год на I га.

Учитывая крайне жесткие лесорастительные условия нарушенных земель /бедность и сухость почвы/, на высокий урожай зеленой массы люпина рассчитывать не приходится. По нашим данным на 15-летней и необлесенной выработке его фитомасса не превышает I тонны на I га /в абсолютно сухом состоянии/. На обычных же супесчаных почвах по данным Б.Д.Жилкина, на третьем году жизни запас люпина достигает до 50 т/га. Однако в условиях нарушенных земель даже небольшой урожай массы люпина имеет важное значение для образования подстилки и накопления органики в почве.

Люпин многолетний увеличивает общую массу подстилки в лесных культурах 10-15-летнего возраста в 1,4-1,5 раза. -Если в культурах сосны с люпином в возрасте 10 лет запас лесной подстилки 2,4 т на I га, то в культурах без люпина - 1,6. В возрасте 15 лет соответственно - 5,4 и 3,9 т на I га. В культурах березы в 15 лет запас подстилки с люпином - 1,1, без люпина - 0,8 т на I га.

Толщина слоя подстилки к 15 годам в культурах сосны 1,2-3,0 см под пологом же березы сплошной слой подстилки по-