Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Массовые ветровалы: масштабы, причины и последствия для лесных экосистем 8
1.1. Влияние ветра на лес 8
1.2. Масштабы и значение вывалов деревьев 10
1.3. Периодичность массовых ветровалов 16
1.4. Причины ветровальных нарушений 19
1.5. Механика вывала и слома деревьев 24
1.6. Характер нарушений и восстановительные процессы на постветровальных участках 29
Глава 2. Характеристика природных условий региона исследований 34
2.1. Рельеф, почва, климат 34
2.2. Характер и параметры ветров 38
2.3. Растительность и флора 42
2.4. Ландшафты 47
Глава 3. Методы и объекты исследования 51
3.1. Программа исследования 51
3.2. Методические подходы по тематическому дешифрированию массовых ветровалов по данным дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) 51
3.3. Методические подходы по определению степени повреждения лесного покрова ураганным ветром по данным ДЗЗ 57
3.4. Методические подходы по изучению растительности на постветровальных участках 59
Глава 4. Пространственная структура ветровальных нарушений лесного покрова и характеристика поврежденных лесных фитоценозов 68
4.1. Результаты ретроспективного анализа данных ДЗЗ по поиску и выделению массовых ветровалов 68
4.2. Сравнительная характеристика масштабов нарушения лесного покрова в виде массовых ветровалов, лесных гарей и сплошных вырубок 71
4.3. Пространственная структура ветровальных нарушений лесного покрова
4.4. Влияние рельефа на характер и степень повреждения лесного покрова ураганным ветром 78
4.5. Таксационная характеристика поврежденных лесных фитоценозов в результате воздействия ураганных ветров 80
Глава 5. Сравнительный анализ особенностей восстановления лесных фитоценозов после естественного и антропогенного нарушения 91
5.1. Основные характеристики фитоценозов фоновых и нарушенных участков 91
5.2. Сравнительный анализ особенностей характера лесовосстановления на участках массового ветровала и сплошной вырубки 95
5.3. Сравнение видового разнообразия фоновых и нарушенных фитоценозов 108
5.4. Сравнительный анализ экологических факторов среды в фитоценозах фоновых и нарушенных участков 114
Глава 6. Практические рекомендации по освоению участков массового ветровала 120
Заключение 127
Выводы 130
Список литературных источников
- Периодичность массовых ветровалов
- Характер и параметры ветров
- Методические подходы по определению степени повреждения лесного покрова ураганным ветром по данным ДЗЗ
- Сравнительная характеристика масштабов нарушения лесного покрова в виде массовых ветровалов, лесных гарей и сплошных вырубок
Введение к работе
Актуальность темы. Сплошные вырубки, лесные пожары и массовые (катастрофические) ветровалы – основные факторы нарушений в таежных лесах европейской части России (Уланова, 2006; Олссон, 2011; Замолодчиков и др., 2013; Potapov et al., 2012, 2014; Hansen et al., 2013). В исследованиях многих авторов подчеркивается динамика увеличения количества ураганов и, как следствие, площадей массовых ветровалов (Мо-чалов, 2002; Francis, Hengeveld, 1998; Dorland et al., 1999; Baliunas, Soon, 2003; Nilsson et al., 2004; Ilisson et al., 2005). Поэтому исследования влияния массовых ветровалов на лесные биогеоценозы становятся все более актуальными. В настоящее время остаются недостаточно изученными важные вопросы: о механизмах и темпах восстановления растительности на постветровальных участках в разных типах леса с разной степенью нарушения; о масштабах и периодичности массовых ветровалов во времени и пространстве; о пространственной структуре и приуроченности массовых ветровалов к ландшафтам. Исследования данных вопросов актуально для выяснения роли массовых ветровалов в формировании современного растительного покрова южнотаежных лесов и разработки принципов устойчивого лесоуправления на основе естественной динамики лесных экосистем.
Цель работы – установить характер и степень повреждения лесного покрова ураганными ветрами и выявить особенности лесовосстановления на постветровальных участках по сравнению с участками сплошных вырубок.
Для достижения поставленной цели исследование было ориентировано на решение следующих задач:
-
Картографирование массовых ветровалов на территории Костромской области и выявление особенностей нарушения лесного покрова.
-
Сравнительный анализ основных фитоценотических характеристик поврежденных лесных сообществ.
-
Выявление особенностей процесса лесовосстановления на участках массового ветровала и сплошных рубок.
-
Разработка практических рекомендаций по освоению участков массового (катастрофического) ветровала.
Объекты исследования: леса Костромской области, а также приграничные участки лесов Ярославской, Ивановской, Вологодской, Нижегородской, Кировской областей.
Научная новизна работы. В работе впервые составлена картосхема массовых ветровалов и впервые получены объективные данные о их площади и повторяемости в лесах бореальной зоны центра Европейской части России (на примере Костромской области за период 1984-2011 гг.); впервые предложена классификация и критерии оценки пространственной структуры ветровальных нарушений лесного покрова в зависимости от вида опасного явления (шквал, смерч); впервые выявлены особенности восстановления состава и структуры лесных сообществ на месте условно-коренных пихто-ельников
черничников после массового ветровала и сплошной рубки; разработаны практические рекомендации по освоению участков массового (катастрофического) ветровала.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
На территории Костромской и сопредельных областей выделяются две основные формы пространственной структуры ветровальных нарушений лесного покрова.
-
Выявлены некоторые зависимости вероятности повреждения древесного яруса лесных фитоценозов от ряда таксационных характеристик.
-
Наблюдается бльшая трансформация лесных фитоценозов после антропогенного воздействия (сплошной рубки) по сравнению с естественным катастрофическим нарушением (массовый ветровал).
-
Практические рекомендации по освоению участков массового (катастрофического) ветровала.
Практическая ценность и реализация работы. Результаты ретроспективного анализа массовых ветровалов существенно дополняют работы других исследователей по изучению процессов естественных нарушений лесов бореальной зоны на уровне биогеоценозов и ландшафтов. Материалы исследования расширяют знания по фитоценологии и лесоведению, дают картину естественной динамики лесного покрова на постветровальных участках южнотаежных лесов. Полученные результаты могут быть использованы для создания системы рационального ведения лесного хозяйства, развития новых экологических подходов к эксплуатации лесов в подзоне южной тайги, а также, при определении режимов охраны, организации мониторинга и составлении прогнозов развития конкретных лесных массивов.
Достоверность полученных результатов и выводов исследования. Выводы и заключения автора базируются как на собственном материале, собранном при изучении лесных фитоценозов, так и на анализе опубликованных материалов. Достоверность полученных результатов подтверждена методами математической статистики (Мэгарран, 1992; Боровиков, 2003; Мастицкий, 2009, 2014).
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ-РГО (проект №13-05-41478 РГО_А).
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры Ле-соинженерное дело Костромского государственного технологического университета (КГТУ), кафедры Системной экологии Пущинского государственного естественнонаучного института (ПущГЕНИ), на семинаре в Центре экологии и продуктивности лесов (ЦЭПЛ РАН). Основные положения диссертационной работы отражены в докладах на пяти конференциях:
15-я, 16-я, 17-я Международная Пущинская школа – конференция молодых ученых «Биология наука XXI века», Пущино, 2011-2013 гг.;
63-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», КГТУ, Кострома, апрель, 2011 г.;
Международной научной конференции, посвященной 110-летию А.А. Уранова «Современные проблемы популяционной биологии, геоботаники и флористики», КГУ им. Некрасова, октябрь, 2011 г.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке методик и программ исследования, руководстве и непосредственном участии в полевых работах, в проведении анализа и обобщения данных, в разработке научно-практических рекомендаций, в реализации и апробации работы. Работа по теме диссертации началась на 1 курсе лесомеханического факультета Костромского государственного технологического университета и продолжена в аспирантуре. Основной объем полевых работ выполнен автором в 2009 – 2012 гг. Все исследования выполнены лично автором или под его руководством и при непосредственном участии.
Публикации. Автором опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка литературы, приложения. Библиография – 213 наименований (в том числе 49 на иностранных языках) на 17 страницах. Общий объем работы 149 страниц и включает текстовую часть – 131 страница, 35 рисунков, 14 таблиц и 1 страницы приложений.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность всем коллегам - сотрудникам Лаборатории устойчивости лесных экосистем Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова, принимавшим участие в экспедиционных исследованиях постветровальных участков. Особая признательность руководителю лаборатории, канд. биол. наук Анне Викторовне Немчиновой, возглавлявшей экспедиционные исследования, помогавшей ценными советами и консультациями.
Периодичность массовых ветровалов
Для большинства лесов бореальной зоны свойственен периодический массовый вывал деревьев, который сопровождается катастрофическим разрушением древостоя и переходом значительных площадей леса в категорию ветровала и бурелома (Скворцова и др., 1983).
Термин ветровал, в данной работе, используется в широком его смысле, включающем весь диапазон возможных первопричин вывала или слома дерева. В более узком смысле, термин ветровал (буревал, вывал) означает выворачивание деревьев вместе с их корневой системой и комом земли, прилегающим к корням. Так как в роли выворачивающей силы чаще всего выступает сила ветра, данное явление и получило название ветровал (Прох, 1961; Погребняк, 1968; Мелехов, 1980; Реймерс, Яблоков, 1982; Скворцова и др., 1983; amonil et. al, 2010). Термином бурелом (ветролом) в практике лесоведения и лесоводства принято называть участки леса, на которых деревья сломаны на различных высотах, в результате воздействия сильного ветра (Прох, 1961; Погребняк, 1968; Мелехов, 1980; Реймерс, Яблоков, 1982).
В экологических и лесоводческих исследованиях принято разделять массовые (катастрофические) ветровалы, приносящие значительный вред лесному хозяйству и единичные (групповые) вывалы. В естественных биогеоценозах (БГЦ) единичные и групповые вывалы широко распространены и являются неотъемлемой частью нормальной жизнедеятельности лесных сообществ (Скворцова и др., 1983; Восточноевропейские …, 1994; Смирнова, 2004б). Единичный и групповой ветровал (вывал) деревьев в отличие от массового не сопровождается крупным разрушением древостоя и не выходит за рамки внутрибиогеоценотического процесса (Скворцова и др., 1983), т.е. в целом состав и структура растительных сообществ остается относительно стабильной – не изменяется физиономический облик сообществ. Напротив, единичные вывалы, способствуют поддержанию разновозрастности древостоя (создание т.н. мозаичности в БГЦ - парадигма «gap mosaic»), повышая устойчивость лесных БГЦ (Скворцова и др., 1983; Восточноевропейские …, 1994; Смирнова, 2004а, 2004б).
Массовые ветровалы носят катастрофический характер, значительно разрушают древесный ярус растительности, приводя к значительной трансформации состава и структуры растительных сообществ. В лесах бореальной зоны массовые ветровалы характеризуется относительной повторяемостью (Скворцова и др., 1983; Everham, Brokaw, 1996). Для девственных лесов (лесов без антропогенного воздействия) ветер наряду с огнем является одним из ведущих движущих моментов динамического развития, структура в этих лесах столетиями остается очень разнообразной и благодаря этому - относительно стабильной. В первобытных лесах ветровал играет положительную роль омолаживающего фактора. В. Г. Турков (цитата по Скворцовой и др., 1983) отмечает, что с биогеоценотической точки зрения массовое отмирание перестойных деревьев в девственном лесу является естественным, закономерным процессом. Ветровал способствует завершению жизненного цикла старшего поколения древостоя, создавая тем самым субстрат и освобождая пространство для новых поколений леса (Турков, 1979, цитата по Скворцовой и др., 1983). Согласно современным концепциям биогеоценологии («gap mosaic concept», «mosaic cycle concept») массовые ветровалы рассматриваются как экзогенные нарушения под действием природных катастроф. В результате таких воздействий формируются мозаики крупных размеров, площадь которых превышает размер исходных сообществ, что способствует снижению гетерогенности среды биогеоценозов. Большие размеры нарушенных массивов ограничивают возможности расселения видов, повышается гомогенность среды сообществ (Смирнова, 2004а,б; Disturbance..., 2002).
География распространения массовых ветровалов довольно обширна. Однако в большинстве сводок, посвященных данному явлению, преимущественно делается акцент на оценке нанесенного ущерба для лесного хозяйства. При изучении сводок отмечается то, что велика приуроченность массовых ветровалов к лесам прибрежных или горных районам, подверженным сильному влиянию ветров. Так в 1967 и 1969 гг. ураганами опустошительной силы был нанесен существенный урон лесам в бывших Прибалтийских республиках: запас ветровального и буреломного леса составлял около 20 млн. м3, на площади 130-150 тыс. га. Наибольшие площади поврежденных насаждений располагались на побережье Балтийского моря. Сила ветра, по данным различных метеостанций, достигала 20-45 м/с (Мелехов, 1980; Белов, 1983; Скворцова и др., 1983). В результате ветровала, вызванного ураганом «Ана-толь», 4 декабря 1999 года, со скоростью ветра более 20 м/с (в порывах до 25-30), только в НП «Куршская коса» объем стволовой древесины поваленных деревьев (преимущественно культур сосны) составил около 40 тыс. м3 на площади более 2000 га (Рыльков, 2012). В ночь с 29 на 30 июля 2010 года, на территории Ленинградской области прошел грозовой фронт, с порывами ветра до 23 м/с (Васильев, 2010), в результате пострадали леса на территории Приозерского и Выборского районов (64% поврежденных лесных площадей). В региональном комитете по природным ресурсам Ленинградской области общий объем поваленной древесины оценивают в 5.9 млн. м3, на площади около 33 тыс. га. Данный объем древесины в полтора раза превышает среднегодовой объем лесозаготовки для всей области (Цыганкова и др., 2011).
Приведем примеры массового вывала в горных лесах, так 7 июня 1975 г. на севере Пермского края (Чердынский, Колвинский и Вайский лесхозы) в верховьях рек Камы и Колвы (Белов, 1976; Рожков, Козак, 1989; Аэрокосмический мониторинг …, 1991; Lassing, Mocalov, 2000), ураган большой разрушительной силы повалил леса на площади 260 тыс. га, запас поврежденного леса превышал 22 млн. м3. Поврежденные леса имели вытянутую в широтном направлении конфигурацию длиной до 150 км и шириной с севера на юг до 20-50 км. Периодические массовые ветровалы характерны для еловых и ело-во-пихтовых лесов Карпат (Стойко, 1965). Как правило, эти ветровалы происходят в одних и тех же районах, что связано с особенностями орографии горных долин. Чистые еловые леса в ветровальных урочищах раз в 80-90 лет полностью гибнуть при сильных ветрах. Например, в Татранском национальном парке (Татры – самая высокая часть Карпатской горной системы) разрушительный ураган произошел 19 ноября 2004 года (Заповедники мира, 2007; Budzkov et al., 2013). Продолжительность ураганного ветра составила несколько часов, порывы ветра достигали 170-200 км/ч, а на верхней границе леса – до 230 км/ч. Отмечено, что ураганы в данном районе – явление нередкое, по документальным свидетельствам катастрофические ветровалы отмечены в 1898 г., ноябре 1915 г. (площадь повреждения составила около 900 га), сентябрь 1941 г. (потери составили около 270 тыс. м3 древесины), ноябрь 1981 г. (потери составили около 300 тыс. м3 древесины). Однако ветровал 2004 года по своим параметрам существенно превосходит предыдущие – протяженность его составила около 60 км, шириной до 7 км. Потери древесины составили около 3 млн. м3. Часто повторяются буревальные ситуации на Среднем Урале. Бури широкого масштаба возникают один раз в 50-75 лет. При этом в осевой части ветрового потока, переваливающегося через Урал, где скорость ветра превышает 35-40 м/с, образуются узкие полосы сплошных буревалов (Скворцова и др., 1983; Lassing, Mocalov, 2000).
Характер и параметры ветров
Лесная растительность Костромской области относится к подзоне южнотаежных лесов североевропейской провинции Евроазиатской таежной области (Зоны и типы…, 1999). Коренными сообществами здесь являются тем-нохвойные еловые, пихтово-еловые леса бореального облика и субнемораль-ного типа, широколиственно-елово-пихтовые широкотравные светлохвойные сосновые леса, заболоченные пушисто березовые и черноольховые сообщества, низинные, верховые и переходные болота (Зоны и типы…, 1999; Огу-реева, 1991; Преображенская, 1997; Суслова, 2001).
Климат и почвы региона благоприятны для распространения южнотаежных сообществ на большей площади области и для произрастания основных лесообразующих пород: елей европейской (Picea abies Kasrst.), сибирской (P. obovata) и их гибридов (P. x. fennica), сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.), пихты (Abies sibirica Leber.) (Зайцев, 2006).
По территории области пролегают границы ареалов некоторых древесных видов (Зайцев, 2006; Ландшафты и экологическая сеть Костромской …, 2013). Например, юго-западная граница распространения пихты сибирской, довольно обычной в восточных районах области, но резко сокращающей свое обилие и встречаемость в Макарьевском районе. Приблизительно такой же характер распространения имеет и лиственница (Larix sibirica Ldeb.). Юго-западная граница ареала этих видов представляет собой многочисленные небольшие по площади участки, нередко располагающиеся в поймах и на террасах рек и ручьев, реже на влажных участках водоразделов.
К 1993 г. почти все леса региона уже были освоены лесоэксплуатацией (Борисова и др., 1996). Однако Костромская область по-прежнему остается одной из наиболее лесистых областей центра Европейской России. Наиболее залесенные территории, где показатель лесопокрытой площади лежит в интервале от 70% до 90% расположены в Чухломском (79.9%), Кологривском (86.9%), Шарьинском (77.3%), Нейском (83.3%), Поназыревском (85.5%), Межевском (84.7%), Макарьевском (81.8%), Пыщугском (84.5%), Парфень-евском (81.3%), Кадыйском (75.3%), Солигаличском (80.7%) районах. Наименьшие показатели лесопокрытой площади свойственны территориям, приуроченным к городам с относительно высокой численностью населения: Су-диславский (56.6%), Сусанинский (53.5%), Костромской (38.3%) районы. По данным В.А. Зайцева (2006) в еловых субнеморальных лесах с бореальными ельниками и сосняками центральной и северной части Галичско-Чухломской возвышенности к 80-90 гг. XX в. площади мелоколиственных лесов достигали 45%, еловых лесов – 22%, сосновых – 9% от их территории. На юге возвышенности в районе сосново-еловых лесов развиты бореальные сосняки. Старовозрастные леса в то время занимали 15% площади, березняки и осинники – 23%. В районе бореальных сосновых и сосново-еловых лесов Унжен-ской низменности преобладают сосновые и производны березовые леса. В районе Приволжско-Костромской низины господствуют бореальные сосно-во-еловые леса, сосняки, ельники, заболоченные березняки, болота. В районе пихтово-еловых лесов южных отрогов Северных Увалов распространены субнеморальные ельники из ели сибирской и европейской с липой, кленом; бореальные сосновые и елово-сосновые леса. Значительна площадь производных лесов. В субнеморальных пихтово-еловых лесах Ветлужской низменности встречаются субнеморальные сосновые леса с елью, лиственницей. Большие площади (50% и более) заняты производными березовыми и другими лесами. Растительность Ветлужско-Унженского района состоит из сложных ельников с липой, субнеморальных ельников, бореальных сосняков, заболоченных сосняков и березняков.
В настоящее время среди основных лесообразующих пород преобладают (Леса Костромской области …, 2006; Лесной план Костромской области, 2008): сосна (23.4%), ель (23.5%), береза (42%), осина (9%), ольха серая (2%) и прочие виды (0.1%). В хвойных насаждениях по площади преобладают молодняки (до 40 лет) – 42.6%, средневозрастные составляют (от 41 до 60 лет) – 24.5%, приспевающие (от 61 до 80 лет) – 16.5%, спелые и перестойные (более 81 года) – 16.4%. В мягколиственных насаждениях преобладают средневозрастные (от 40 до 50 лет по березе) – 38.7%, молодняки (до 20 лет) занимают 14.9% площади, приспевающие (от 51 до 60 лет по березе) – 24.8%, спелые и перестойные (более 61 года по березе) – 21.6%. В целом по области распределение по возрастным группам представлено следующим образом: молодняки – 27.9%; средневозрастные – 32.0%; приспевающие – 20.9%; спелые и перестойные – 19.2%.
О.К. Борисова с соавторами (1996) и В.А. Дудин (2000, 2001) отмечали существенное изменение площади, покрытой лесом и состава основных ле-сообразующих пород. По данным Дюбюка (1912) в XIX в. лесами было занято до 90% территории Костромской губернии, но к 1914 г. площадь лесов составляла - 63%. К 1945 г. лесом было покрыто 63.5% территории, к 1993 г. площадь лесов увеличилась до 72.4%. Но с 1947 г. до 1996 г. площадь хвойных лесов уменьшились на 1.5% (99.9 тыс. га), ельников на 7.5%. На 6% возросла площадь сосняков. На 2.4% сократилась площадь березовых лесов, но на 3% увеличилась площадь осинников. С 1998 г. наблюдается увеличение площади ельников, как коренного типа растительности, и уменьшение площади осинников, как сообществ пионерного типа.
В до поселенческую эпоху, в преобладавших на территории области еловых и пихтово-еловых лесах массовые ветровалы, возможно, выступали одним из основных факторов динамики лесных биогеоценозов (выполняли роль омолаживающего фактора, создавали естественную гетерогенность среды (Скворцова и др., 1983)), как это отмечается в темнохвойных лесах южной (Budzkov, 2013) средней и северной тайги (Громцев, 2007). Роль единичных, групповых и массовых ветровалов в производных лесах с интенсивным антропогенным воздействием изучена относительно слабо, поэтому являются одной из актуальных задач современных исследований (amonil et. al, 2010). Первые шаги по изучению процессов лесовосстановления на постветровальных участков вторичных лесов, ведутся на территории Костромской области (Петухов и др., 2011; Петухов, 2011; Петухов, Грозовский, 2012; Петухов, 2013), но ввиду значительного масштаба ветровальных нарушений 2010 г. на территории Европейской части России (Петухов, Немчинова, 2011; Петухов, Немчинова, 2014; Potapov et al., 2014; Petukhov, Nemchinova, 2015), исследования по данному вопросу должны носить более крупный и интенсивный характер.
Методические подходы по определению степени повреждения лесного покрова ураганным ветром по данным ДЗЗ
Анализ пространственной структуры массовых ветровалов (см. рис. 4.1) показал, что нарушения лесного покрова ураганными ветрами, как правило, имеют вытянутую форму. При этом характер повреждения - неоднородный и меняется по мере продвижения ветра вглубь лесного массива. Вероятно, это связано с тем, что ветер в результате трения о стволы и кроны деревьев теряет часть своей первоначальной энергии (Нестеров, 1952; Прох, 1961; Погребняк, 1968; Мелехов, 1980; Белов, 1983). На основе составленной картосхемы массовых ветровалов (рис. 4.1), нами предложена следующая классификация форм пространственной структуры ветровальных нарушений (Петухов, Немчинова, 2014; Petukhov, Nemchinova, 2015): линейная форма (рис. 4.5А) характерная для ветровалов относительно малых площадей от 56.3 до 1007.7 га. Для данного типа нарушений присуща относительно стабильная ширина сплошного вывала на всем протяжении массового ветровала. Коэффициенты обеспеченности (Q) и удлиненности (K) для данной формы нарушений относительно невелики, лежат в интервалах от 0.11 до 0.16 и от 9.20 до 25.15 соответственно (табл. 4.1); линейно-веерная форма (рис. 4.5Б) характерная для ветровалов широкого диапазона площадей от 56.6 до 60424.7 га (табл. 4.1). Для данного типа нарушений свойственна следующая особенность: по мере продвижения вглубь лесного массива фрагменты ветровала «рассеиваются» на множество мелких (дифференцированных) участков среди неповрежденной древесной растительности, образуя относительно широкий «фронт» ветровала. В ряде случаев широкий ветровальный фронт образуется без так называемой переходной (расширяющейся) зоны. Также для данной структуры характерно наличие нескольких крупных (относительно общей площади ветровала) локализованных фрагментов сплошного повреждения древостоя. Коэффициенты обеспеченности – выше, а удлиненности - ниже, чем для линейной формы нарушений, лежат в интервале значений от 0.26 до 0.75 и от 1.36 до 9.62 соответственно (табл. 4.1).
Линейная форма (А) пространственного нарушения лесного покрова (ветровал №10 в табл. 4.1); линейно-веерная форма (Б) пространственного нарушения лесного покрова (ветровал №7 в табл. 4.1). Сходные формы ветровальных нарушений лесного покрова (линейная, линейно-веерная) также можно отметить на различных картографических материалах – материалы картографирование изменений лесного покрова в европейской части России (Леса центра и …, 2008), картосхемы массовых ветровалов на территории Пермского края (Шихов, 2013; Ветров, Шихов, 2013).
Различия в характере повреждения лесного покрова (линейной или линейно-веерной формы) возможно, связаны с видом опасного явления (урагана), которым вызвано нарушение. Так в истории метеонаблюдений многократно фиксировались и описывались относительно узкие полосы (шириной от 50 до 300 м) ветровала и бурелома значительной протяженности (до нескольких десятков километров). Отмечалось, что первопричиной данного вида нарушения являются смерчи. Первопричиной нарушения лесного покрова в виде расширяющейся полосы от нескольких километров до десятков километров являлись шквалистые ветры (Разуваев, 2001; Шихов, 2013; Ветров, Шихов, 2013).
В пределах ветровалов линейной формы нарушения лесного покрова носят неоднородный характер, что возможно связано с изменением параметров ветра, формами рельефа местности, таксационными характеристиками древесного яруса лесных фитоценозов и прочими факторами. Поэтому в пределах полосы погибшей и поврежденной растительности (рис. 4.6), выделяются следующие зоны: 1. зона постепенного расширения фрагментов; 2. зона максимально широких фрагментов; 3. зона постепенного сужения фрагментов. Для ветровалов линейно-веерной формы, нарушения лесного покрова носят более разнообразных характер. В общей структуре повреждений можно выделить несколько зон (рис. 4.7), различающихся по площади и расположению фрагментов поврежденных фитоценозов среди не поврежденной растительности (Петухов, Немчинова, 2011а)
Интересна локализация выделенных зон в пределах массовых ветровалов линейно-веерной формы (рис. 4.7). Зона 1, как правило, приурочена к началу так называемого вектора ветровальных нарушений (Петухов, Немчинова, 2011а), зона 2 и 3 к концу вектора нарушений. Данное распределение зон возможно связано с ослаблением силы и скорости ветрового потока по мере его продвижения вглубь лесного массива, что и отражается в изменении характера нарушения лесного покрова, однако не исключается влияние рельефа местности (см. подглава 4.4) и таксационных параметров насаждений (см. подглава 4.5) и т.д.
Разный характер повреждения лесного покрова ураганным ветром, может отразиться на ходе лесовосстановительных процессов (Everham, Brokaw, 1996; Schnenberger, 2002). Так на посветровальных участках небольшой площади или на участках, граничащих с уцелевшими стенами леса, отмечается относительно хорошее семенное возобновление и «горизонтальное» зарастания от стен леса. На участках ближе к центру обширных ветровальных территорий, отмечается малое количество всходов из-за отсутствия или значительной удаленности от семенных деревьев. Также на обширных нарушенных площадях в большей степени меняется (Everham, Brokaw, 1996): освещенность, влажность, температура, ветровой режим и т.д.
Таким образом, в пространственной структуре ветровальных нарушений лесного покрова выделяются две основные формы (линейная и линейно-веерная) возможно связанные с природой ураганных ветров. Данные формы можно формализовать при помощи значений показателей обеспеченности и удлиненности. Для линейной формы средние значения показателя обеспеченности (Q) значительно ниже (0.14±0.02 против 0.51±0.17), а удлиненности (K) выше (16.18±4.9 против 3.80±2.0) по сравнению с ветровалами линейно-веерной формы. Сравнение средних значений данных коэффициентов для ветровалов разных форм по критерию Манна-Уитни (Мастицкий, 2009) показала статистически значимые различия (p 0.01). Внутри выделенных форм характер ветровальных нарушений также недородный, визуально выделяются зоны разной структуры и локализации повреждения лесного покрова, что возможно, влияет на последующие лесовосстановительные процессы на данных постветровальных участках.
Сравнительная характеристика масштабов нарушения лесного покрова в виде массовых ветровалов, лесных гарей и сплошных вырубок
Ель принимает участие в формировании всех ярусов (подъярусов) фи-тоценозов фоновых участков, с постепенным снижением численности от подъяруса А1 до В1 с резким увеличением численности в подъярусе В2 и С (рис. 5.2А). В фитоценозах постветровальных участков ель также принимает участие во всех ярусах древостоя, конкурируя по численности с мелколиственными породами (рис. 5.2Б). На вырубках, в отличие от фитоценозов фоновых и постветровальных участков (рис. 5.2В), ель принимает незначительное участие в формировании верхнего яруса древостоя (ярус А), по численности значительно уступая березе пушистой, но доминируя в нижних ярусах (ярусы - В и С). Таким образом, наименьшая доля участия ели наблюдается в фитоценозах, сформировавшихся на месте сплошной вырубки, что свидетельствует о большей трансформации лесного покрова после рубки древостоя, по сравнению с массовым ветровалом.
Во всех нарушенных фитоценозах популяция елей, формирующих ярус древостоя, представлена преимущественно особями предварительной генерации (рис. 5.4), т.е. они возникли до соответствующего нарушения. Приуроченность восстановления елей из нижнего яруса (яруса С) к валежу, как это обычно наблюдается в таежных лесах бореальной зоны (Скворцова и др., 1983; Ulanova, 2000), спустя 25 лет после массового ветровала – нами не наблюдается. Возможно, это связано с тем, что крупные древесные остатки еще не достигли необходимой стадии деструкции для их заселения еловым подростом.
Ива козья на фоновых участках отнесена к категории подлеска и встретилась очень редко (рис. 5.5). На постветровальных участках ива принимает участие в формировании первого яруса древостоя, а также подлеска, во всех фитоценозах (рис. 5.2Б), образуя группы порослевых побегов. Участие ивы в формировании верхнего яруса древостоя на вырубках – незначительно (рис. 5.2В).
Исследования постветровальных участков ельника сложного также показало (Уланова, 2006), значительное участие ивы в формировании подлеска. В данном исследовании подчеркивается, что в основном возобновление ивы происходит в первые четыре года после нарушения в западинах деревьев вывалившихся во время урагана.
Демографическая структура популяций P. abies, A. sibirica, P. tremula, B.pubescens, S. caprea в фоновых и нарушенных фитоценозах Демографическая структура основных древесных пород представлена на рис. 5.3. Во всех фитоценозах фоновых участков популяция ели характеризуется нормальным полночленным спектром (рис. 5.3А), по количеству преобладают имматурные (75.4%) особи, часть особей перешла в виргинильное состояние (7.1%). Популяции осин и берез характеризуются фрагментарным спек 101 тром и представлены особями только генеративной группы участвующими в формировании верхнего яруса фитоценоза (ярус А). Отсутствие особей других онтогенетических групп объясняется экологией этих видов, не способных длительно произрастать в затенении под пологом древостоя (в ярусах В и С).
В восстанавливающихся фитоценозах, после обоих вариантов нарушений, популяция ели молодая, инвазионного типа (рис. 5.3Б,В). В ней преобладают имматурные и виргинильные особи и практически отсутствуют особи генеративного состояния. В) Популяция березы пушистой постветровальных фитоценозов молодая инвазионного типа. В ней преобладают только имматурные и виргинильные особи (рис. 5.3Б), в отличие от популяции березы на вырубках, в которой преимущественно встречаются виргинильные и генеративные особи (рис. 5.3В). Т.е. на вырубках отмечается ранее «взросление» особей березы пушистой, чем в фитоценозах постветровальных участков.
Популяция ивы козьей в фитоценозах постветровальных участков и вырубок – молодая, полночленная нормального типа, характеризуется преобладанием виргинильных и генеративных особей (рис. 5.3Б,В).
Таким образом, основные виды - лесообразователи имеют сходные онтогенетические спектры на вырубках и постветровальных участках, но значительно отличающиеся от спектров популяций соответствующих видов в фоновых фитоценозах. Преобладание популяций видов растений инвазионного типа свидетельствует о раннем этапе сукцессии после сильного нарушения: массового ветровала или сплошной вырубки.
Среди позднесукцессионных видов в фитоценозах фоновых, постветровальных участков, а также на вырубках стабильно встречается только ель и рябина (рис. 5.5). Встречаемость пихты и липы, по сравнению с фоновыми участками, сокращается как на постветровальных участках, так и на вырубках, где она достигает минимума, противоположная картина наблюдается у клена платанолистного (рис. 5.5). В исследовании Н.Г. Улановой (2006) наблюдается аналогичное увеличение обилия и встречаемости клена на зарастающих участках сплошных вырубок ельников. Подобная картина отмечена и для липы, однако в нашем исследовании, липа наоборот существенно сокращает свое обилие и встречаемость на вырубке (рис. 5.18).
Среди раннесукцессионных видов 100% коэффициент встречаемости наблюдается только у березы пушистой. Примечательно, что встречаемость осины (типичного пионерного вида в южнотаежных лесах) уменьшается от фоновых фитоценозов к постветровальным, достигая минимума на вырубках, обратная картина наблюдается у ивы козьей (рис. 5.5). В исследовании Н.Г. Улановой (Уланова, 2006; Уланова и др. 2007а) по динамике зарастания вырубок южнотаежной зоны увеличение обилия и встречаемости осины отмечается только после рубки ельников на лучших по плодородию и увлажнению почвах (ельники кисличные, ельники сложные).
Таким образом, в фитоценозах сформировавшихся после обоих вариантов нарушений (вырубки, массовый ветровал) наблюдается сокращение встречаемости позднесукцессионных видов, с одновременных увеличением встречаемости раннесукцессионных видов. При этом большее изменение в встречаемости видов отмечается в фитоценозах, сформировавшихся на месте сплошных вырубок, меньшее в фитоценозах постветровальных участков.
Картосхема восстанавливающихся растительных формаций на постветровальных участках На основе геоботанических, рекогносцировочных и маршрутных описаний растительности южного участка массового ветровала 1987 года, а также анализа космического снимка (QuickBird, разрешением 2.4 м/пиксел, период съемки – зима 2005 года), создана картосхема восстанавливающихся хвойных и лиственных формаций (рис. 5.6), а также произведен расчет соотношения их площадей (табл. 5.3). Установлено, что на 65% площади постветровальных участков произошла смена доминирующей породы, текущее восстановление идет через смешанные березово-еловые или березовые дре-востои. На 35% площади массового ветровала наблюдается восстановление фитоценозов с доминированием ели в ярусе древостоя.