Содержание к диссертации
Введение
1 Общая информация 17
1.1 Выбор направления исследований 17
1.2 Характеристика региона исследований 30
1.2.1 Природные условия 30
1.2.2 Уникальные объекты природы и культуры 38
1.2.3 Функциональное зонирование и антропогенное влияние 38
1.3 Методика проведения НИР 41
2 Роль структурного, композиционного и генетического разнообразия, их интеграции в сохранении и восстановлении природного биоразнообразия лесов СНП 44
2.1 Структурное разнообразие 44
2.2 Композиционное разнообразие 56
2.3 Генетического разнообразие 67
2.4 Интеграция биотических отношений 75
3 Система мер по восстановлению и сохранению природного биоразнообразия СНП 77
3.1 Естественные леса 78
3.2 Искусственно создаваемые насаждения 87
4 Прикладные аспекты исследований 89
4.1 Лесозащитный аспект 90
4.2 Экономический аспект 96
4.3 Рекреационный аспект ,100
Выводы ПО
Список использованных источников 112
Приложения 127
Введение к работе
Актуальность темы обусловлена тем, что уникальные леса Сочинского национального парка (СНП) из-за возросшего антропогенного влияния проявляют тенденцию к снижению природного уровня биологического разнообразия. В связи с этим возможность полноценного выполнения ими экологических, экономических и социальных функций ставится под угрозу. Ослабление защитной роли леса в регионе способствует изменению климата, развитию природных катастроф.
Необходимы научно обоснованные меры по сохранению и восстановлению биологического разнообразия лесов СНП, повышению их устойчивости, продуктивности, защитных и рекреационных функций. Решение этих вопросов является основой исследования по данной теме.
Постановка темы соответствует международным соглашениям в области охраны окружающей среды, сохранения лесов, устойчивого развития лесного сектора, сохранения биоразнообразия (Хельсинки, 1991, 1993; Конвенция ООН по биоразнообразию и изменению климата; Конференция ООН по окружающей среде и развитию, 1991; Лесные принципы, 1993; Концепция устойчивого управления лесами РФ, 1996; резолюция 1982 г. "Об исторической ответственности государств за сохранение природы Земли для нынешних и будущих поколений", Всемирная Хартия природы, 1982), а также важнейшим решениям РФ (Основы политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу, 2002).
Работа выполнена в рамках госбюджетной темы кафедры экологии, защиты леса и лесного охотоведения Воронежской государственной лесотехнической академии "Реабилитация гоместаза лесных экосистем" (№ госрегистрации 01.200209835), федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего лесотехнического образования, инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса" (№ госрегистрации 01.2.00103888), темы Тенетико-экологическое обоснование и разработка системы мер и технологий по оздоровлению лесов" (грант ТОО-11.1-446), хоздоговорной работы "Разработка рекомендаций по повышению биорезистентности насаждений СНП" (2002-2003 гг., № госрегистрации 01.200.214166).
Проблема биологического разнообразия привлекает большой интерес современных исследователей в различных регионах (Негробов, 1996, 1998, 2000; Солнцев и др., 1997; Лебедева и др.,1999; Беднова, 2003; Шварц, 2003). Объектом управления должна быть экосистема в целом. Важнейшее значение имеет мониторинг биоразнообразия лесов России (Исаев, 1997).
Сохранение биологического разнообразия является в настоящее время очевидной н общепризнанной проблемой.
Цель работы - разработка экологических основ сохранения биоразнообразия лесов СНП, выбор приоритетных путей и методов их сохранения и восстановления, оздоровления, повышения устойчивости, продуктивности,
рос национальная! библиотека {
дуктивности, защитных и рекреационных функций. Достижєеіиє данной цели будет способствовать оздоровлению ландшафта, стабилизации климата, решению социально-экономических проблем региона, устойчивому функционированию лесных экосистем (как природных, так и искусственно созданных).
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования.
Задачи исследования:
изучение биоразнообразия лесов СНП;
разработка системы мер по сохранению и восстановлению природного биоразнообразия в лесах СНП;
исследование рекреационного, защитного и экономического аспектов сохранения и восстановления биоразнообразия лесов СНП;
- апробация рекомендаций по сохранению биоразнообразия лесов
СНП
Научная новизна исследований заключается в том, что разработаны научные основы по сохранению и восстановлению природного биоразнообразия в лесах СНП (1), обоснован принцип биотический интеграции компонентов лесных экосистем, формирующих структурное, видовое и генетическое разнообразие насаждений (2); показаны рекреационный, защитный и экономический аспекты сохранения и восстановления биоразнообразия лесов СНП (3); доказана целесообразность и обоснованы методы применения тестовых статистик, основанных на оценке евклидовых расстояний, при исследовании жизнеспособности и пространственной структуры естественных и хозяйственно освоенных лесов (4).
Практическая ценность результатов работы определяется предложенной системой мер по сохранению и восстановлению природного биоразнообразия лесов СНП, повышению их устойчивости, продуктивности, защитных и рекреационных функций В основе разработанной системы - реабилитация гомеостаза насаждений, их способности к самоорганизации, саморегулированию и самовосстановлению.
В результате проработки темы получена статистичеки достоверная информация о структуре и биоразнообразии лесных экосистем СНП, которая может быть использована при разработке превентивных защитных мероприятий лесов СНП, в целях повышения их биорезистентности
Обоснованность и достоверность результатов исследований, выводов обеспечены комплексным подходом в проработке темы, постоянным контролем посредством статистических критериев уровней значимости полученных данных, современным научно-методическим уровнем проведения исследований, наличием широкой сети опытных и опытно-производственных объектов, а также достаточно длительным периодом исследований, позволившим получить проверенные временем результаты экспериментов и предложенных рекомендаций.
:. ' > . ' 'V,- .
; '- і »'<,Ні ' ,
Положения, выносимые на защиту.
1 Роль структурного, композиционного и генетического разнообразия, их биотической интеграции в сохранении и восстановлении природного биоразнообразия лесов СНП.
-
Экологическая обоснованность предложенной системы мер по сохранению и восстановлению природного биоразнообразия лесов СНП.
-
Эффективность предложенной системы мер по сохранению и восстановлению природного общего биоразнообразия лесов СНП в рекреационном, лесозащитном, экологическом и экономическом аспектах.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на научно-практической конференции "Особо охраняемые территории в XXI веке: цели и задачи" (Смоленск, 2002), научно-практической конференции с международным участием "Интеграция науки и высшего лесотехнического образования, инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса" (Воронеж, 2002), международной конференции "Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы" (Сыктывкар, 2003).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в семи опубликованных работах.
Объём выполненных работ: Проанализированы результаты лесопа-тологической инвентраризации, проведенной в 2001 г. по единой методике в дубравах, буковых и каштановых лесах, а также во влажных пихтарниках СНП на общей площади 167600 га. Лично автором проведено рекогносцировочное лесопатологическое обследование насаждений на площади 1320 га.
Проведена генетическая инвентаризация двух дубовых насаждений с общим отбором 240 деревьев для изоэнзимного анализа.
Детальное лесопатологическое обследование проведено на 24 постоянных пробных площадях, в т. ч 6 - в свежих и влажных каштанниках, 6 - в сухих и влажных дубравах, 9 - в сухих и свежих и влажных буковых лесах, 3 - во влажных пихтарниках. В дополнение к постоянным пробным площадям лесопатологические обследования проведены на 72 временных пробных площадях.
Реализация результатов исследований. Рекомендации по сохранению и восстановлению природного биоразнообразия, оздоровлению лесов СНП, радикальному повышению их устойчивости, продуктивности и защитных и рекреационных функций в настоящее время внедрены в Лазаревском лесничестве СНП, разработан график поэтапного внедрения рекомендаций во всех лесничествах СНП. Перспективно расширенное внедрение рекомендаций в исследуемом регионе. Экономическая эффективность рекомендованной системы мероприятий будет повышаться с увеличением возраста насаждений.
Выбор направления исследований
Необходимость сохранения и повышения биологического разнообразия является в настоящее время очевидной и общепризнанной в большинстве стран проблемой. Исследованию биоразнообразия лесных экосистем посвящено значительное число замечательных публикаций, отражающих многообразные аспекты этой проблемы (Негробов, 1996, 1998, 2000; Солнцев и др., 1997; Лебедева и др.,1999; Беднова, 2003; Шварц, 2003). Проблема биоразнообразия органически связана с вопросами биотической интеграции компонентов лесных экосистем, как основой их са-морегуляци (Шмальгаузен, 1961). А.С. Исаев (1997) обосновал необходимость пристального мониторинга биоразнообразия лесов России.
В качестве основных путей сохранения и повышения биоразнообразия лесов СНП, улучшения их жизнеспособности и гомеостаза наиболее перспективен комплексный подход, предусматривающий одновременное повышение структурного, композиционного и генетического разнообразия. Необходимым условием формирования и сохранения достаточно высокого уровня жизнеспособности леса является биотическая интеграция компонентов лесных экосистем, что количественно можно характеризовать стабильностью состояния жизнеспособности. Таким образом, в центре внимания должны быть не только определённые виды, но экосистема в целом, её жизнеспособность, защита от деградации.
Глобальная стратегия биоразнообразия, принятая большинством развитых стран в 1992 году на конференции в Рио де Жанейро, и резолюции конференций по защите европейских лесов в Стасбурге (1990) и Хельсинки (1993), имеют особенно большое значение для устойчивого развития горных лесных экосистем, отличающихся хрупкостью и нестабильностью. Типичным примером этого является современное состояние каштанников Сочинского национального парка (Семиколенов, 2000). Большая часть их находится в неудовлетворительном санитарно-патологическом состоянии. Среди возможных путей решения проблемы улучшения здоровья насаждений, наряду с санитарными рубками, рассматриваются вопросы оптимизации структуры насаждений (Арефьев, Семиколенов, 2002).
В условиях прогрессирующей деградации горных лесов Северного Кавказа под влиянием антропо- и техногенных факторов (Чернышов, 2002), особенно важно при формировании устойчивых насаждений учитывать осбенности внутривидовой изменчивости лесообразующих пород. Нуждается в улучшении и породная структура лесов. Больше внимания необходимо уделять воспроизводству насаждений хвойных и твёрдолист-венных пород, характеризующихся более высоким качеством, полнотой и подуктивностью. Справедливо отмечает, что "к сожалению, в лесохозяйст-венных предприятиях почти повсеместно перестали соблюдать главный лесоводственный принцип воспроизводства естественных (коренных) насаждений, более устойчивых, чем создаваемые лесные смешанные и монокультуры" (Чернышов, 2002, с. 62). В коренных типах дубовых, буковых, пихтовых, каштановых и сосновых лесов следует ориентироваться на естественное семенное возобновление главных и ценных сопутствующих пород. В производных типах леса целесообразно создавать реконструктивные и плантационные лесные культуры ценных и быстрорастущих пород.
При реконструкции малоценных насаждений на Северном Кавказе используются как аборигенные (дуб, каштан, бук, сосна), так и интродуци-рованные породы - дуб красный, орех чёрный (Чернышов, 2001).
В аспекте данной диссертационной темы важны и вопросы оптимизации лесопользования. В отношении лесозаготовок в гослесфонде Кубани особую тревогу вызывает судьба уникальных каштановых лесов. Их хищническая рубка и вывоз древесины за границу продолжается, несмотря на все строгие запреты (Солнцев, 2002).
Существует мнение, что задачу повышения продуктивности, устойчивости, качества лесов Северного Кавказа возможно решить за счёт введения новых древесно-кустарниковых пород (Бородина, Бородин, 2002). В частности, дуб красный устойчив к мучнистой росе, в то время как дуб черешчатый сильно поражается данным патогеном. Дуб красный также более устойчив (по сравнению с дубом черешчатым) к ранним осенним заморозкам.
Вопросы сохранения и повышения биоразнобразия, устойчивости насаждений на экологической основе тесно связаны связаны с экономическими решениями (Кузнецова, 2002). С экономических позиций экологическое направление в лесозащите не всегда оправдано, поскольку при этом может быть снижено участие более продуктивных лесообразующих пород, хвойные породы могут быть заменены мягколиственными, стоимость создания насаждений, по существу близких к естественным лесам, может быть более высокая, по сравнению со стоимостью создания монокультур. Одной из важнейших проблем является совмещение экологического и эко номического подходов. Высокая жизнеспособность леса должна сочетаться с его полноценной экологической, экономической и социальной значимостью. Этому принципу наиболее соответствуют смешанные насаждения, в которых формируется более высокий уровень биологического разнообразия.
Почти 100 лет культивируется на Северном Кавказе и вызывает большой интерес исследователей (Александрович, Косиченко и др., 1990) псевдотсуга Мензиса. В основном это парковые посадки на Черноморском побережье в виде отдельных деревьев, аллей, небольшие биогруппы. В 50-е годы по южному макросклону, затем на северном склоне Кавказского хребта были созданы культуры псевдотсуги Мензиса (Истратова, 1966).
В настоящее время на Северном Кавказе псевдотсуга Мензиса в целом зарекомендовала себя как перспективная древесная порода. Однако на высоте 1800 м над уровнем моря происходит резкая дифференциация климатипов и форм псевдотсуги - некоторые прекрасно растут, другие отмирают. Этот факт свидетельствует о необходимости рассмотрения исследуемого вопроса на внутривидовом уровне.
Композиционное разнообразие
Развитие лесных сообществ в значительной мере определяется числом составляющих их биологических видов. Анализ видового разнообразия позволяет судить об устойчивости лесной экосистемы. Изменение участия древесных пород в насаждении влияет на их устойчивость.
В принципе, смешение видов в одном насаждении может происходить как за счёт автохтонных, так и интродуцированных пород. Естественно, основу составляют автохтонные виды. Но с лесозащитных позиций использование интродуцированных видов может значительно способствовать повышению биорезистентности насаждений. Среди хвойных пород наиболее перспективна сосна румелийская, среди лиственных - дуб красный.
Функциональная роль композиционного разнообразия в формировании жизнеспоспособности насаждений наиболее чётко прослеживается на примере композиционного разнообразия насаждений различных стадий дигрессии (таблица 3).
Этот процесс наиболее активен в колхидском каштаннике — отношение CD при I уровне дигрессии к CD при ЇЇІ уровне дигрессии равно 1,44, в каштаннике лещиновом это отношение снижается до 1,29, в дубовых лесах - до 1,08. Увеличение уровня дигрессии ведёт к уменьшению уровня композиционного разнообразия (CD).
На основании найденных соотношений можно сделать вывод о том, что дубовый лес наиболее стабилен в сохранении композиционного разнообразия; наименее стабилен колхидский каштанник, лещиновый каштан-ник занимает срединное положение. Причину этого, в частности, мы видим в том, что дубовый лес исходно отличается большим композиционным разнообразием по сравнению с каштановыми лесами.
Видовое разнообразие основных лесообразующих пород влечёт за собой повышение видового разнообразия других групп организмов, снижает поражаемость деревьев насекомыми и грибами.
Структура разнообразия насаждений представлена в таблице 4. Таблица 4 - Сравнительная структура композиционного разнообразия каш-танников и дубовых насаждений при уровне дигрессии I
Насаждения ОбщийуровеньСО, бит/% CD по ярусам фитоценоза, бит/%
Примечание. Кл — каштанник лещиновый, Кк — каштанник колхидский, Д — дубовый лес.
Как следует из приведенной таблицы, структура композиционного разнообразия исследованных насаждений различна. В дубовых насаждениях значительно больше половины (60,8 %) общего CD обусловлена различием породного состава древостоя. В каштанниках эта доля меньше половины - 34,8 % и 41,7 % — соответственно в лещиновом и колхидском. Уровень разнообразия в отношении подроста и подлеска по каштанникам в процентном отношении выше, чем по дубовому насаждению. В отношении разнообразия напочвенного покрова в сравнительном аспекте какая-либо закономерность не послеживается.
Композиционное разнообразие по древостою в дубовом насаждении обусловлено большим количества древесных пород: дубом иберийским, Гартвиса, черешчатым, скальным, пушистым, а также грабом, ясенем, клёном, буком. Участие этих пород в насаждении влечет за собой также участие других компонентов лесного биоценоза. В целом этот фактор способствуют повышению устойчивости насаждения.
В работе "Смешанный лес" К. Гайер (Karl Gayer, ) решительно и научно обоснованно высказывался в пользу смешанного леса. Преимущество смешанных насаждений он видел прежде всего в повышении их устойчивости. Особенно это преимущество прослеживается сейчас на примере отмирающих искусственно созданных насаждений сосны и дуба, имеющих низкий уровень биологического разнообразия.
Классик российской лесоводственной науки Г.Ф. Морозов (1912), имея прежде всего в виду общий принцип устойчивости насаждений, писал, что формирование смешанных насаждений должно быть широко распространённым случаем, тогда как способ чистых насаждений - более редким. Разнообразие основных лесообразующих пород ведет к повышению общего биологического разнообразию насаждений, к повышению их устойчивости, продуктивности, выполнению защитных и социальных функций.
Развитие лесных сообществ в значительной мере определяется числом составляющих их видов. Анализ видового разнообразия позволяет судить об устойчивости лесной экосистемы. Изменение участия древесных пород в насаждении влияет на их устойчивость. По мнению А. Скамони (Scamoni, 1954), смешение лиственных древесных древесных пород с биологической точки зрения не представляет проблемы, в то время как хвойный лес без участия лиственных пород не должен создаваться.
Смешение видов в одном насаждении может происходить как за счёт автохтонных, так и интродуцированных пород. По нашим данным, среди видов рода Pinus в Сочинском национальном парке наиболее перспективны сосна веймутова и сосна румелийская, среди видов рода Quer-cus — дуб красный.
Сосна веймутова (Pinus strobus L.) — одна из важнейших лесообразующих пород США - проявила себя и в России как быстрорастущая, газоустойчивая и декоративная древесная порода. Но широкое внедрение её в насаждения европейской части России сдерживается исключительно сильной поражаемостыо пузырчатой ржавчиной (Cronartium ribicola Dietr.). А.Я. Любавская в связи с этим писала: "Сосна веймутова более 200 лет разводится в странах Западной Европы. В странах с обеднённой лесной флорой сосна веймутова по быстроте роста могла бы занять ведущее место ... Однако без селекции на устойчивость к пузырчатой ржавчине работа по интродукции сосны веймутовой и других пятихвойных сосен бесполезна" (Любавская, 1982» с. 235).
Базидиоспоры гриба заражают хвою, молодые ветви и дают начало мицелию, который прорастает через сосудистые ткани к более толстым ветвям и стволу, вызывая развитие очагов раковой болезни. Очаги медленно, но неизбежно разрастаются, постепенно окольцовывают стволы поражённых деревьев. Прежде всего отмирают поражённые ветви, но затем и деревья. Из-за утончения стволов в местах поражения деревья становятся предрасположенными к ветролому.
Эциальная стадия (рисунок 5) возбудителя образуется на ветвях и стволах сосны обычно на третий год после заражения дерева. При неблагоприятных для гриба условиях (прежде всего погодных) этот срок может увеличиваться. Обычно появляется при этом на сосне и хермес.
Естественные леса
Проблема сохранения биологического разнообразия в лесах СНП является комплексной и включает ряд требований. Основные из них: фор-мироание смешанных насаждений, повышение внутривидового полиморфизма, особенно в тех случаях, когда введение в насаждние других видов лесообразующих пород ограничено условиями произрастания, формирование разновозрастных насаждений, групповое размещение деревьев, предпочтение естественному возобновлению, ограничение рубок ухода в мо-лодняках (с позиций лесозащиты рубки ухода допустимы лишь в средневозрастных и более старших насаждениях), селекция на биорезистентность, введение в насаждения перспективных интродуцентов, формирование внешних и внутренних экологических барьеров (опушечных зон), сохранение в насаждениях отдельных старых (перестойных) деревьев, защита редких и исчезающих видов растений и животных.
В естественных лесах и исусственно создаваемых насаждениях эти требования по своему специфичны.
Естественные леса сформировались в ходе многовековой эволюции, отличаются высоким уровнем биологического разнообразия, характеризуются в целом большей (по сравнению с искусственно созданными насаждениями) эластичностью и толерантностью к неблагоприятным внешним воздействиям. Однако во многих случаях, особенно в условиях, близких к экстремальным, например, на гребнях горных гряд, естественные леса под влиянием изменившихся условий жизни снижают жизнеспособность и отмирают. Проблема отмирания леса актуальна во многих странах мира (Muhs et al., 1989). В связи с этим особенно большой интерес в этой проблеме вызывает генетическая составляющая, задача сохранения генетического разнообразия девственных лесов.
Снижение жизнеспособности отдельных деревьев и лесных масси BOB проявляется прежде всего в пожелтении хвои и листвы, изреженности крон, некрозных образованиях на ветвях и стволах, массовых размножениях стволовых насекомых и грибов-сапротрофов, преждевременном отмирании отдельных деревьев и их групп. Затем возможно массивное отмирание насаждений. Исключительно важно для проведения мероприятий по сохранению биоразнообразия, прежде всего генетического разнообразия, своевременное обнаружение этих процессов. Поэтому исходным в системе защитных мер является лесопатологический мониторинг.
Как и в Центральной Европе, феномен массового отмирания леса на Северном Кавказе был отмечен в конце семидесятых - начале восьмидесятых годов прошлого столетия. Наряду с проблемами выяснения причин и разработки защитных мероприятий возник острейший вопрос о сохранении генофонда отмирающих популяций древесных растений.
Для выяснения современной ситуации в 2001 году была проведена лесопатологическая инвентаризация на основной территории СНП по общеевропейской методике (Muhs, 1989; Арефьев, Харченко, 2000) с применением интегрального индекса Js, предложенного Е.Г. Мозолевской (1988, 1991).
Процедура подготовки заключалась в том, что на плане подлежащая обследованию территория совмещалась со сканирующей сеткой, которая в точках пересечения горизонтальных и вертикальных линий определяла места наблюдений. Расстояние между ближайшими горизонталями и вертикалями соответсвовало расстоянию на местности 4 км.
Всего было заложено 1200 пунктов наблюдений, составивших в совокупности общую сеть наблюдений.
Наблюдения проводились в течение июля - августа. В каждом пункте наблюдений по объективным критериям выбирались 24 дерева: 4 выборки, каждая из которых включала 6 деревьев. Учитывались различные виды деревьев всех классов возраста, за исключением деревьев высотой менее 60 см. Первоначально учитываемые деревья должны принадлежать 1 ... 3 классам Крафта. Угнетённые деревья при мониторинге не учитываются.
