Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Рост и формирование лесных насаждений 7
1.1. Представления о росте и формировании лесных насаждений 7
1.2. Изученность закономерностей роста и формирования дубовых древостоев Саратовского Правобережья 21
Глава 2. Природно-климатические условия района исследования 27
2.1. Географическое положение 27
2.2. Климат 27
2.3. Геологическое строение и рельеф 28
2.4. Почвы 29
2.5. Растительность 30
Глава 3. Методы и объем исследования 31
Глава 4. Современное состояние противоэрозионных дубовых фитоценозов находящихся на этапе смены эдификатора 38
4.1. Характеристика лесного фонда Саратовской области. 38
4.2. Эдафические условия района исследования 41
4.3. Видовой состав фитоценозов и жизненное состояние древостоев 50
4.4. Возрастной состав популяций деревьев 56
Глава 5. Ярусная структура и прогноз развития противоэрозионных дубовых фитоценозов ... 69
5.1. Динамика естественного изреживания дуба 69
5.2. Вертикальная структура дубовых лесов 73
5.3. Прогноз развития дубовых фитоценозов . 88
Глава 6. Лесохозяиственные мероприятия по сохранению и формированию противоэрозионных дубрав и их эколого-экономическое обоснование 93
6.1. Проектируемые мероприятия в защитных дубравах области. 93
6.2. Эколого-экономическое обоснование проектируемых мероприятий 98
Общие выводы и рекомендации производству 101
Литература 104
Приложения 124
- Изученность закономерностей роста и формирования дубовых древостоев Саратовского Правобережья
- Видовой состав фитоценозов и жизненное состояние древостоев
- Прогноз развития дубовых фитоценозов
- Эколого-экономическое обоснование проектируемых мероприятий
Введение к работе
Актуальность темы. Лесной фонд Саратовской области относится к лесам первой группы, преобладающая часть которых является противоэрозионными (69,9 %). Основная доля в покрытой лесом площади приходится на порослевые низкоствольные дубравы, для которых отмечаются тенденции постепенного уменьшения их площади, трансформации видового состава фитоценозов и упрощения возрастной структуры. Противоэрозионные дубравы области являются одним из первых барьеров для эрозии почв от водоразделов к руслам рек и их надежность во многом определяет всю систему мер борьбы с эрозией почв, защиты водотоков и водоемов. Применяемая система ведения лесно.го хозяйства нарушила естественную мозаичность лесных сообществ и привела к формированию одновозрастных древостоев, эффективность выполнения противоэрозионных функций которых значительно ниже, чем у разновозрастных. В результате оказалась нарушена структура лесного полога, обеспечивающая эффективную борьбу с эрозией (перевод поверхностного стока во внутрипочвенный и т.д.).
В связи с этим, необходимо всестороннее изучение состава и структуры противоэрозионных дубовых лесов для разработки экологически обоснованного режима природопользования, позволяющего повысить защитные функции дубрав и обеспечить длительное и устойчивое существование эдификатора, а также его непрерывное возобновление.
Целью исследований является оценка современного состояния противоэрозионных дубовых лесов южной части Приволжской возвышенности и разработка системы мер по повышению их защитных функций путем формирования разновозрастных древостоев.
Для достижения намеченной цели решались следующие задачи: - изучение возрастного состава популяций деревьев в противоэрозионных дубовых лесах, в различных эдафических и орографических условиях, находящихся на этапе смены эдификатора; - оценка жизненного состояния древостоев и отдельных древесных видов; разработка системы лесохозяйственных мероприятий по формированию устойчивых и долговечных противоэрозионных дубрав, усилению их защитных, санитарно-гигиенических, озеленительных, рекреационных и эстетических функций с учетом популяционных особенностей древесных сообществ; описание динамики естественного изреживания дуба при помощи функции Пюттера-Берталанфи.
Объекты исследования: противоэрозионные дубовые леса со старовозрастными древостоями, расположенные в различных эдафических и орографических условиях на территории Саратовского, Татищевского и Базарно-Карабулакского административных районов Саратовской области.
Научная новизна исследований заключается: впервые для территории исследования изучен возрастной состав популяций деревьев в противоэрозионных дубравах, находящихся на этапе смены эдификатора, в различных эдафических и орографических условиях; на основе онтогенетического состава древостоев выявлена ярусная структура популяций деревьев; разработаны практические рекомендации по сохранению и формированию противоэрозионных дубрав области, повышению их устойчивости, защитных, санитарно-гигиенических, озеленительных и других функций с учетом популяционных особенностей лесных сообществ; использована модифицированная функция Пюттера-Берталанфи для моделирования естественного изреживания дуба в древостоях.
На защиту выносятся: - особенности трансформации противоэрозионных дубрав в зависимости от свойств почв и почвообразующих пород, положения в рельефе, а также состава древостоя; - принципы формирования противоэрозионных дубовых лесов области в зависимости от эдафических и орографических условий территории.
Апробация работы: материалы исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Проблемы устойчивого функционирования лесных экосистем» (Ульяновск, 2001 г.); на заседании Саратовского отделения Русского ботанического общества (2002 г.); на международной научной конференции «Заповедное дело России: принципы, проблемы, приоритеты» (Жигулевск, 2002 г.); на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ им. Н.И. Вавилова (2001-2003 гг.).
Практическая ценность и реализация результатов: материалы исследований используются в учебном процессе при чтении лекционного курса «Лесоведение» в институте мелиорации и леса ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; изложенные в работе практические рекомендации по ведению лесного хозяйства в противоэрозионных дубравах переданы главному управлению природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Саратовской области для корректировки системы лесохозяйственных мероприятий, позволяющих повысить защитные, санитарно-гигиенические, оздоровительные и другие функции леса в степной и лесостепной зонах.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ. Общий объем с учетом долевого участия в коллективных публикациях составляет 1,8 п.л., из них лично соискателя 1,3.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, общих выводов и рекомендаций производству. Общий объем диссертации 143 страницы, в том числе рисунков 22, таблиц 20, приложений на 20 страницах, список используемых источников состоит из 222 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Изученность закономерностей роста и формирования дубовых древостоев Саратовского Правобережья
Активное изучение лесов области относится к концу XIX началу XX веков. В это время преимущественно изучалась флора лесов (Траншель, 1891; Спрыгин, 1896; Талиев, 1896, 1899; Тугаринов, 1901; Петров, 1905; Чернов, 1925, 1927; Калашников, 1927). В результате проведенных исследований было установлено, что территория Нижнего Поволжья была достаточно облесена, во многом благодаря большой распространенности сосновых боров (Талиев, 1899; Келлер, 1901, 1927; Смирнов, 1903; Беляков, 1924). Более подробной геоботанической характеристике нагорных лесов правобережья области посвящены работы Л.Н. Калашникова (1927, 1929), А.Д. Фурсаева (1952) и др. А. Д. Фурсаев (1952) проведя геоботаническое описание лесов государственной лесной полосы в пределах трассы Саратов-Камышин, выделил основные лесные ассоциации и их приуроченность к элементам рельефа. Автор выявил закономерность понижения бонитета лесов при продвижении к югу и отметил, что на возвышенных местах растительность имеет более северный характер, чем в низинах. К.Г. Ланина (1953) изучая леса Сурско-Терешкинско-Медведицкого водораздела указывала, что на территории исследования преобладают дубравы. Они произрастают как на серых лесных почвах, так и на выщелоченных и оподзоленных черноземах, в условиях достаточного увлажнения и в олигоксеротопных условиях местопроизрастания. Исследования, проведенные Т.Б. Протоклитовой (1957) в Большедмитриевском лесхозе показали, что наиболее распространены в этом районе дубравы, причем отмечено их неудовлетворительное возобновление. Дубравы, как правило, приурочены к темно-серым и серым лесным почвам с неблагоприятным гидрологическим режимом. Изучению естественного семенного возобновления дуба и ряда других пород, а также природным условиям,-в которых оно происходит, посвящена работа К.Н. Прохорова (1933). Е.А. Смирнова (1940) и КГ. Ланина (1953) изучали этот вопрос в пойменных лесах Хопра и Медведицы. В.А. Лебедев (1968) исследуя порослевую способность дубовых насаждений указывал, что «самоизреживание насаждений дуба в ряде последующих поколений происходит главным образом в результате потери деревьями способности возобновляться порослью» (с. 133).
В дальнейшем автор указывал на необходимость проведения ранних осветлений для успешного возобновления дуба, так как при сравнительно большом количестве дубового подроста на ! га, наличие нескольких сотен берез или осин порослевого или семенного происхождения может поставить под сомнение возможность восстановления дуба (Лебедев, 1981). Изучая дубравы на территории Новобурасского лесхоза, В.А. Лебедев (1994) подтвердил ранние выводы, что на вырубках, при недостаточных по интенсивности рубках ухода, доля участия дуба в составе древостоя резко снижается из-за активного развития липы мелколистной и клена остролистного. З.И. Акаемова и А.С. Барабанщиков (1974) отмечали, что семенное возобновление дуба затруднено неблагоприятными климатическими факторами (заморозки, недостаток влаги и др.), а многократно повторяющееся порослевое возобновление приводит к ослаблению устойчивости леса, к неблагоприятным условиям его жизни и к уменьшению его производительности. В.М. Борисовым (1969, 1972) в дубовых низкоствольниках Саратовского Правобережья были заложены опыты группово-выборочных и постепенных рубок. Автором отмечено, что наиболее оптимальные условия для роста дуба складываются в окнах, размером 32м х 50 м, образованных группово-выборочными рубками, и на полосах шириной 32 м, образованных полосно-выборочными рубками. М.В. Трус (1981) проводя наблюдения за порослевым возобновлением дуба отмечал, что на вырубках трех - пяти лет отмечаются массовые повреждения поросли мучнистой росой, животными и низкими температурами. На вырубках же более пяти лет наиболее часто наблюдаются различные дефекты ствола (искривления, раздвоения, утолщения) как результат болезни в раннем возрасте. Автор так же приводит данные по общим показателям надземной фитомассы и распределения ее по фракциям в молодняках дуба порослевого происхождения. Указывается, что максимальная фитомасса среди древесных пород приходится на дуб и клен остролистный, а минимальная - на липу. П.Н. Проездовым (1992, 1993, 1994), Ю.В. Бондаренко и др. (1993) и рядом других авторов широко изучены вопросы противоэрозионных мелиорации на территории области. Широко изучена водорегулирующая функция леса, обеспечивающая перевод поверхностного стока во внутрипочвенный (Сурмач, 1971; Свечникова, 1973 и др). Обобщая многолетние данные по весеннему и ливневому стоку с лесных массивов Приволжской возвышенности Саратовской области, И.А. Кузник и А.В. Лысов (1974, 1977) отмечают снижение весеннего стока в лесу по сравнению с залежью и озимыми в 2,8-3 раза. Они пришли к выводу, что при снегозапасах свыше 130 мм (мощность снежного покрова 50 см) сток из леса невозможен при любых метеоусловиях. Исследования проведенные Г.А. Харитоновым (1940) по изучению влияния лесов разного породного состава на ливневой сток, показали, что наиболее высока мелиоративная роль дубовых насаждений, по сравнению с насаждениями другого породного состава. Н.П. Калинеченко (1976) отмечает, что дубовые насаждения с высокой водопроницаемостью почвы в слое 0-30 см могут поглотить гораздо большую часть поверхностного стока, чем сосновые или лиственные, где только 10-сантиметровый слой почвы обладает высокой водопроницаемостью. В.И. Попов (1981) указывал, что большинство современных лесов Правобережья Саратовской области являются производными от сосновых. Одним из наиболее эффективных путей сохранения и повышения продуктивности лесов является замена производных типов на основные, а там, где по каким-либо причинам не были созданы сосновые, а появились дубовые леса, необходимо стремиться к сохранению дуба. А.С. Барабанщиков (1968) предложил классификацию дубовых лесов Саратовской области по положению в рельефе, где типы леса выделяются преимущественно по доминантным видам древесного и травяного ярусов. В своих рекомендациях по подбору древесных пород при лесовосстановлении автор рекомендует коренную реконструкцию дубрав с заменой их сосновыми, а в некоторых случаях сосново-дубовыми насаждениями. Е.А. Крюкова и В.А. Елфимова (1999) изучая вопрос повышения устойчивости дуба, единственно надежным способом восстановления дубрав считают способ лесных культур и отбор устойчивых форм.
Видовой состав фитоценозов и жизненное состояние древостоев
В засушливых условиях на бедных песчаных почвах в составе древостоя преобладают дуб черешчатый, сосна обыкновенная, клен остролистный и липа мелколистная. В древостое в качестве примесей встречаются осина и береза бородавчатая (табл. 4.7). Список древесных видов, кустарников и трав, отмеченных на всех изученных пробных площадях (ПП), приведен в прил. 1. Как видно из таблицы, наибольшая плотность стволов дуба наблюдается в фитоценозах на плакорах, а наименьшая на участках теневых склонов. Такое же распределение отмечается и у клена, хотя разница в количестве стволов не столь велика. У сосны, напротив, с улучшением условий увлажнения отмечается уменьшение доли деревьев в составе древостоя. Жизненное состояние (ЖС) основного эдификатора лесных сообществ - дуба ослабленное как по числу стволов, так и по запасу во всех типах местообитания. Состояние же сопутствующих пород, как правило, несколько лучше и колеблется от ослабленного до здорового. Подрост и всходы Подрост и всходы дуба отмечаются, как правило, в «окнах» вокруг усыхающих или усохших деревьев на нижних частях световых склонов и реже на плакорах (табл. 4.8). здесь и в последующих аналогичных таблицах в числителе приведена плотность всходов, в знаменателе - подроста. С улучшением условий увлажнения в составе возобновления начинают доминировать сопутствующие породы: клен, сосна и липа.
Подлесок В кустарниковом ярусе, в изученных ценозах, единично отмечены бересклет бородавчатый, клен татарский, ракитник русский и дрок красильный. Травяной покров В травяном покрове отмечается весьма низкое видовое разнообразие. Доминирующими видами являются ландыш майский, мятлик дубравный, осока волосистая. Всего было обнаружено 73 вида травянистых растений (прил. 1). Древостой Состав древостоя на этих почвах характеризуется большим, по сравнению с лесами на песчаных почвах, видовым разнообразием. С разной степенью, участия здесь представлены дуб черешчатый, клен остролистный, липа мелколистная, осина, береза бородавчатая и вяз шершавый. Плотность стволов и ЖС деревьев приведены в табл. 4.9. Как следует из таблицы, в составе фитоценозов, во всех типах местообитания, преобладает клен, в основном за счет многочисленных, но тонких молодых стволов.
В условиях плакоров и теневых склонов наблюдается уменьшение доли участия дуба в составе древостоя и увеличение доли сопутствующих пород (липы и вяза). ЖС дуба, как правило, ослабленное во всех типах местообитания, а сопутствующих пород - от сильно ослабленного (достаточно редко) до здорового (чаще). Подрост и всходы Возобновление дуба отмечено на слонах световых экспозиций и плакорах (табл. 4.10). Среди сопутствующих пород, значительным числом молодых растений представлен клен остролистный, присутствующий в разнообразных местообитаниях. Возобновление других сопутствующих пород, за исключением липы на плакоре и теневом склоне, невелико. Подлесок В подлеске на рассматриваемых почвах наиболее распространен бересклет бородавчатый, в меньшей степени отмечаются клен татарский, лещина обыкновенная, боярышник отогнуточашелистиковый, рябина обыкновенная. 54 Травяной покров В травяном ярусе отмечено доминирование ландыша майского, сныти обыкновенной, подмаренника пахучего, осоки волосистой, мятликов дубравного и узколистного. В общей сложности было отмечено 111 видов (прил. 1). Древостой В составе древостоев отмечены дуб черешчатый, клен остролистный, липа мелколистная, осина, береза бородавчатая и вяз шершавый (табл. 4.11). Из таблицы видно, что в различных местоположениях плотность стволов изменяется в достаточно широких пределах, достигая наибольшего значения на плакорах и наименьшего - в условиях световых склонов. На плакорах и световых склонах в составе древостоя по числу стволов доминирует дуб. На склонах же теневых экспозиций заметно преобладание клена.
Прогноз развития дубовых фитоценозов
Правобережья представляется возможным спрогнозировать процесс развития современных противоэрозионных дубрав в различных эдафических и орографических условиях. В неблагоприятных для большинства древесных видов условиях песчаных почв наблюдается тенденция уменьшения ценотической роли дуба черешчатого и усиление роли сопутствующих пород - сосны обыкновенной, клена остролистного и липы мелколистной. Во всех изученных типах местообитания онтоспектры дуба неполночтенны из-за отсутствия виргинильных растений на световых склонах и плакорах, а так же всех прегенеративных - на теневых склонах. Отсутствие ряда молодых возрастных состояний дуба говорит о неблагоприятной световой обстановке сложившейся под пологом леса вследствие чего растения не могут пройти полный цикл развития и подавляющая их часть отмирает. Среди сопутствующих пород наибольшей долей участия представлена сосна, в популяции которой отмечены растения всех возрастных состояний, с преобладанием прегенеративных особей семенного происхождения приуроченных к небольшим по размеру окнам в пологе древостоя. Ввиду полночленности возрастного спектра во всех типах местообитания можно ожидать устойчивого развития ее популяций. Эта устойчивость в бедных и сухих условиях песчаных почв может определяться ее способностью образовывать микоризу со многими видами грибов (Шубин, 1973). Другие сопутствующие породы (клен и липа) представлены меньшей долей в составе изученных фитоценозов.
Популяции клена наиболее устойчивы (полночленный возрастной спектр) в условиях световых склонов, а липы - на теневых склонах. В других типах местообитания, в этих популяциях, отсутствует ряд возрастных состояний. Можно предположить, что по мере выпадения из состава древостоев основного эдификатора - дуба черешчатого, во всех изученных типах местообитания, со временем может произойти его замещение на более устойчивые популяции. Так на световых склонах могут сформироваться сосняки с примесью клена остролистного. На плакорах и теневых склонах наиболее вероятно возникновение полидоминантных древесных сообществ, состоящих из сосны, клена и липы. На супесчаных и суглинистых бескарбонатных почвах популяции дуба характеризуются отсутствием ряда молодых возрастных состояний в онтогенетическом спектре, в результате чего он представлен не во всех ярусах древесных сообществ. На световых склонах и плакорах отсутствуют виргинильные растения, а на теневых склонах все прегенеративные. Следовательно, популяции дуба неустойчивы и в этих более благоприятных (по богатству почв и условиям увлажнения) лесорастительных условиях. Абсолютным большинством особей, в этих условиях, представлены популяции клена остролистного. Его онтогенетические спектры полночленны во всех типах местообитания. Наибольшее число растений приходится на прегенеративные семенные особи, основная часть которых приурочена к прорывам в пологе древостоя. Полночленными онтогенетическими спектрами, но меньшей долей участия растений (по сравнению с кленом) в составе древесных сообществ на теневых склонах и плакорах, представлены популяции липы мелколистной вегетативного происхождения.
Эколого-экономическое обоснование проектируемых мероприятий
Для обоснования экологической и экономической целесообразности сохранения дубовых насаждений Саратовской области и недопущению смены дуба на ряд сопутствующих пород нами проведена оценка наиболее важных санитарно-гигиенических функций древостоев с преобладанием в составе основных лесообразующих древесных пород Саратовского Правобережья. Сравнение санитарно-гигиенических функций древесных видов проведено по показателям кислородопродуктивности, поглощению углерода и пылепоглощению. Расчеты приведены для древостоев наиболее распространенного в Саратовской области класса бонитета (III) и полноты (0,7). Оценка санитарно-гигиенических функций рассчитывалась по 20 летним возрастным периодам до возраста спелости. Для приведения результатов по породам к одному возрасту, использовался коэффициент выравнивания, равный отношению возраста спелости дуба черешчатого (у этой породы самый высокий возраст спелости - 160 лет) к возрасту спелости каждой из рассматриваемых пород. По результатам расчетов кислородопродуктивности различными древесными породами было установлено, что наибольшее количество кислорода вырабатывается древостоями, с преобладанием в составе дуба черешчатого, а наименьшее - осины (табл. 6.2). Наибольшее количество углерода также поглощается древостоями с преобладанием дуба, а наименьшее - березы. По результатам расчетов пылепоглощения, наилучшим показателем обладает сосна, а наихудшим - липа. Пылепоглотительная способность дуба, в этом случае, занимает промежуточное положение. Таким образом, приведенные расчеты основных санитарно-гигиенических функций показывают преимущество насаждений с доминированием в составе дуба черешчатого над насаждениями с преобладанием других пород.
Тем самым подтверждается необходимость рекомендуемых нами мероприятий по сохранению и формированию дубрав. 1. Применяющиеся методы ведения лесного хозяйства в противоэрозионных дубравах нарушили естественную мозаичность лесных сообществ и привели к формированию одновозрастных древостое в, в результате чего оказалась нарушена структура лесного полога, обеспечивающая защиту почв от эрозии. Без корректировки хозяйственных мероприятий с учетом популяционных особенностей лесных сообществ невозможно поддержание устойчивой структуры и воспроизводство разновозрастных противоэрозионных лесных сообществ с доминированием в составе дуба черешчатого. 2. По основным показателям выполнения санитарно-гигиенических и озеленительных функций отмечается преимущество насаждений с доминированием дуба черешчатого над насаждениями с преобладанием других лесообразующих пород. Так кислородопродуктивность дуба на 9,1 % выше чем у сосны и на 29,4% - чем у клена. Депонирование углерода у дуба выше на 6,4% по сравнению с сосной и на 28,2% по сравнению с кленом. 3. Основной лесообразующей породой в противоэрозионных лесах Правобережья Саратовской области является дуб черешчатый. Наибольшая доля его участия в составе древостоев отмечается на супесчаных и суглинистых бескарбонатных почвах, а наименьшая - на песчаных. В зависимости от положения фитоценоза в рельефе прослеживается уменьшение доли участия дуба по направлению от световых склонов и плакоров к теневым склонам и увеличение доли сопутствующих пород (сосны обыкновенной, клена остролистного, липы мелколистной, вяза шершавого и др.).
