Структура, динамика роста и продуктивность древостоев притундровых ельников печорского бассейна

На правах рукописи

Манов Алексей Валерьевич

СТРУКТУРА, ДИНАМИКА РОСТА И ПРОДУКТИВНОСТЬ

ДРЕВОСТОЕВ ПРИТУНДРОВЫХ ЕЛЬНИКОВ

ПЕЧОРСКОГО БАССЕЙНА

06.03.03 - Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Архангельск - 2009

Работа выполнена в Институте биологии Коми научного центра

Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:	доктор биологических наук, профессор Бобкова Капитолина Степановна
Официальные оппоненты:	доктор сельскохозяйственных наук, профессор Цветков Василий Фролович кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Федяев Александр Леонидович
Ведущая организация: Сыктывкарский лесной институт – филиал ГОУ ВПО «Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова»

Защита диссертации состоится « 16 » апреля 2009 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.03 при ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет» по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, главный корпус, ауд. 1228; е-mail: les@аgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.

Автореферат разослан «___» _____________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Тутыгин Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обладая высокой пластичностью и широким экологическим ареалом, ель сибирская (Picea obovata Ledeb.) формирует огромные массивы монодоминантных лесов и редколесий в высоких широтах европейского Северо-Востока России (Предтундровые леса, 1987; Леса Коми…, 1999). На территории Республики Коми насаждения с доминированием в составе древостоев ели составляют 16.2 млн. га, из них 24.3% расположены в притундровых лесах (Коренные…, 2006). Здесь они в основном сосредоточены на территории Печорского бассейна. Выступая объектом промышленной эксплуатации, еловые леса и редколесья региона выполняют исключительно важные средообразующие функции. Они являются практически неуправляемыми в лесохозяйственном отношении и для них не наработано необходимого набора нормативов, как традиционных таксационных характеристик, так и оценки биопродукционных процессов (Цветков и др., 1990).

В настоящее время уделяется большое внимание изучению динамики лесных сообществ и их компонентов под влиянием происходящих изменений климата. Особенно актуально проведение таких исследований в районах, где древесная растительность произрастает в экстремальных почвенно-климатических условиях (Ваганов и др., 1996; Krner Ch., 1999; Изменение климата…, 2003; Моисеев и др., 2004; Шиятов и др., 2005; Капралов и др., 2006 и др.). В переходной зоне «лес-тундра» в связи с потеплением климата наряду с увеличением продуктивности, следует ожидать экспансию древесных растений в зону тундр (Харук и др., 1998; Уткин, 2001). Несмотря на широкое географическое распространение, большую экологическую и хозяйственную значимость, притундровые леса и редколесья Печорского бассейна изучены недостаточно.

Цель исследования. Оценка структуры, состояния, продуктивности и динамики роста древостоев притундровых ельников Печорского бассейна.

Задачи исследования.

1. Изучить строение древостоев в ельниках разных типов.
2. Дать характеристику состояния древостоев в старовозрастных ельниках.
3. Исследовать естественный возобновительный процесс под пологом ельников, дать количественную и качественную оценку подросту.
4. Выявить закономерности роста деревьев с возрастом.
5. Проанализировать ростовые характеристики у деревьев ели в ельниках разных типов леса.
6. Определить запасы и продукцию фитомассы древостоя в типичном для притундровых лесов старовозрастном ельнике чернично-сфагновом.

Научная новизна.

• показано, что в коренных притундровых ельниках развиваются древостои разной возрастной структуры: абсолютно- и относительно разновозрастные, в редких случаях условно одновозрастные. У ели связь диаметра с высотой довольно тесная, а диаметра с возрастом отсутствует;
• в большинстве типов условий местопроизрастания еловых фитоценозов возобновительный процесс непрерывный;
• впервые проанализирована изменчивость радиального прироста и прироста по высоте ели с возрастом в зависимости от типа леса и температуры воздуха. Дана оценка накопления фитомассы древесного яруса ельника чернично-сфагнового.

Практическая значимость работы. Полученные материалы могут служить основой при разработке рекомендаций по проведению лесохозяйственных мероприятий в еловых насаждениях и оценке динамики роста древесины при изменении климата. Данные, полученные на постоянных пробных площадях, послужат основой для мониторинга еловых лесов в условиях Севера.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XIII молодежной научной конференции Института биологии Коми НЦ УрО РАН «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2006); Всероссийской конференции «Биоразнообразие растительного покрова Крайнего Севера: инвентаризация, мониторинг, охрана» (Сыктывкар, 2006); Международной конференции «Устойчивость экосистем и проблема сохранения биоразнообразия на Севере» (Кировск, 2006); XIV Всероссийской молодежной научной конференции, посвященной 45-летию Института биологии Коми НЦ УрО РАН «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2007); Всероссийской конференции молодых ученых «Экология: от Арктики до Антарктики» (Екатеринбург, 2007); XI Перфильевских научных чтениях, посвященных 125-летию со дня рождения Ивана Александровича Перфильева (1882-1942) «Биоразнообразие, охрана и рациональное использование растительных ресурсов Севера» (Архангельск, 2007); XII делегатском съезде русского ботанического общества, всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века» (Петрозаводск, 2008); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2008). Основные положения работы опубликованы в 11 источниках, в том числе в двух изданиях, по перечню ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Обоснованность и достоверность исследований подтверждается значительным экспериментальным материалом, использованием современных методов его обработки и анализа.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации (разработке программно-методических положений, сбору экспериментальных материалов, анализу и обработке полученных результатов) осуществлены автором лично или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав основного текста, иллюстраций, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 161 наименования, в том числе 15 иностранных и четырех приложений. Объем излагаемой работы составляет 121 страница, включая 19 таблиц, 18 рисунков и 12 фотографий.

Организация исследований. Диссертационная работа выполнялась с 2005 по 2008 гг. как раздел госбюджетной темы Отдела лесобиологических проблем Севера Института биологии Коми научного центра УрО РАН «Зональные закономерности динамики фитоценозов, обмена вещества и энергии в лесных экосистемах европейского Северо-Востока» (№ Гр 0120.0 603504); при поддержке грантов: РФФИ (грант № 07-04-00104-а), фундаментальные исследования Президиума РАН, EC «CARBO-NORTH» (контракт ЕС 036993).

Автор выражает сердечную благодарность научному руководителю проф. К.С. Бобковой за всестороннюю помощь в работе над диссертацией, проф. С.Г. Шиятову за консультации и ценные советы по методике исследования динамики роста деревьев, сотрудникам отдела лесобиологических проблем Севера за оказанную помощь в сборе экспериментального материала.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние вопроса

В главе изложены данные литературы о современном представлении притундровых лесов. Отмечено, что понятие «притундровые леса» не имеет пока общепризнанного толкования. Их объем, география, биологическая сущность и природно-хозяйственный статус остаются дискуссионными (Семенов и др., 1998).

Рассматривается история исследований структуры, роста и продуктивности древостоев ельников европейского Севера. Накопление знаний о строении северных лесов европейской части России началось примерно с середины XIX века. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетий бытовало мнение, что все северные леса одновозрастные (Рожков, 1912; Кузнецов, 1912; Нат, 1915; Тюрин 1916). Девственные леса Севера, состоящие из теневыносливых пород, по мнению ряда авторов, разновозрастны (Ивашкевич, 1929; Ткаченко, 1939; Баранов, Григорьев, 1955), а появление одновозрастных насаждений происходит под влиянием ветровалов, пожаров, сплошнолесосечных рубок (Воропанов, 1950; Алексеев, Молчанов, 1954; Корчагин, 1956). Исследованиями возрастной структуры древостоев коренных ельников Севера таежной зоны (Синельщиков, 1958; Воропанов, 1960; Валяев, 1961, 1963; Свалов, 1961; Гусев, 1962, 1978; Дыренков, 1984; Ярославцев, 1986; Чертовской и др., 1987; Семенов, Елизаров, 1987; Семенов и др., 1998; Пахучий, Перчаткин, 2000; Волков, 2003; Бобкова, 2006 и др.) показана их разновозрастность.

Исследования многих авторов (Комин, 1973; Полозова, Шиятов, 1975; Пугачев, 1975; Ловелиус, 1979; Борщева, 1986; Ваганов и др., 1996 и др.) показали, что в неблагоприятных условиях произрастания годичный прирост деревьев в основном определяется одним лимитирующим фактором, а в благоприятных - комплексом факторов, значимость которых меняется во времени и пространстве. Дендрохронологические работы, выполняемые в хвойных сообществах, акцентированы на изучении цикличности колебаний в приросте деревьев (Ступнева, 1981; Шиятов, Комин, 1986; Шиятов, Мазепа, 1986; Пугачев, 1986; Schweingruber et al., 1991; Briffa, 1999; Esper, 2003; Ваганов, Шиятов, 2005 и др.). На европейском Северо-Востоке дендрохронологические исследований проведены недостаточно полно (Молчанов, 1972; Феклистов, 1977; Чертовской, 1983; Гортинский и др., 1986).

Ресурсные, биосферные и социальные функции лесов тесно связаны с интенсивностью продукционного процесса. Отмечено, что масса органического вещества, его фракционный состав коррелируют с густотой и производительностью древостоев, которые в свою очередь контролируются режимом увлажнения и минерального питания (Родин, Базилевич, 1965; Молчанов, 1971; Бобкова, 1987; Базилевич, 1993; Усольцев, 2007 и др.). Биопродуктивность определяется средообразующими условиями (Уткин, 1995; Исаев и др., 1995; Швиденко и др., 2000; Усольцев, Залесов, 2005; Пулы и потоки…, 2007). Мало исследований, посвященных вопросу продукционного процесса в притундровых ельниках (Игнатенко и др., 1973; Чертовской и др., 1978; Плешиков и др., 2002).

Показано, что актуальность изучения функционирования притундровых лесов представляет большой интерес в связи с проблемой потепления климата.

Глава 2. Природно-климатические условия района исследования.

Методы и объекты

Характеристика природно-климатических условий. Исследования проводили в коренных ельниках в бассейнах нижних течений малых рек Щелина (65°54' с.ш., 52°16' в.д.) и Сосья (65°55' с.ш., 52°37' в.д.), расположенных на европейской части Северо-Востока по обеим берегам р. Печоры. Почвы сложены четвертичными суглинистыми и глинистыми отложениями, сменяющимися вблизи крупных рек обширными флювиогляциальными песчаными участками. Преобладают подзолистые, болотно-подзолистые и торфяные почвы. Для растительного покрова характерно наличие довольно крупных массивов (до 70%) еловых лесов, преимущественно заболоченных типов. Районы исследования характеризуется длинной, умеренно суровой зимой и прохладным летом. Среднегодовая температура воздуха составляет -2.0 °С. Средняя температура января -16.9, июля +14.2 °С. Вегетационный период длится 119 дней, период активного роста растительности - около 65 дней. Баланс влаги в районе положительный. Средняя сумма осадков за год - 646 мм. Величина испарения - 150-200 мм год-1. Почвы промерзают в среднем на 81 см. Для территории исследуемого региона, гидротермический коэффициент (по Т.Г. Селянинову) составляет 1.3-2.0. Избыточное увлажнение, особенно в местах со слабо расчлененным равнинным рельефом и залеганием плохо пропускающими воду тяжелыми суглинками, создает предпосылки, как для формирования лесов бореальной структуры, так и для их заболачивания.

Методы исследования. Работы выполнены по общепринятым лесоводственно-таксационным методам. Определение типов леса осуществляли по В.Н. Сукачеву, С.В. Зонну (1961). Анализ таксационных материалов проведен по «Лесотаксационный справочник…» (1986). Лесоводственную терминологию использовали согласно ГОСТу 18486-87. В преобладающих типах еловых лесов, согласно общим нормативным требованиям (ОСТ 56-69-83) закладывали пробные площади. На каждой пробной площади проведен сплошной перечет деревьев с измерением окружности ствола на высоте 1.3 м. Для определения средней высоты древостоя измерялась высота у 20-25 деревьев. Возраст древостоя определяли по кернам, взятым у шейки корня у 15-20 деревьев ели и у 5-10 - сопутствующих пород. Для оценки динамики роста деревьев на каждой пробной площади отбирали 4-5 моделей ели. При характеристике древостоев использовали таксационные показатели: средняя высота и диаметр, возраст, густота, сумма площадей сечения, запас древесины, класс бонитета (Анучин, 1960). Геоботаническое описание составлялось по А.П. Шенникову (1964). Латинские названия сосудистых растений даны по С.К. Черепанову (1995). В процессе камеральной обработки данных строились графики кривых высот для определения средней высоты древостоя. Оценка возрастной структуры проводилась по рядам распределения числа стволов и запасов по двухсантиметровым ступеням толщины и сравнивалась со схемой строения древесного полога С.А. Дыренкова (1984). Статистическую обработку проводили согласно методическим рекомендациям А.К. Митропольского (1969), С.Н. Свалова (1985) и И.И. Гусева (2002).

Описание жизненного состояния деревьев в древостоях еловых фитоценозов проводили в соответствии с методикой, используемой в международной программе-методике ICP-Forests (Manual…, 1994) и методикой, применяемой в лесах Российской Федерации (Санитарные правила…, 1998). Для оценки поврежденности деревьев использовали показатели, характеризующие развитие крон деревьев. Жизненное состояние древостоев в первом случае рассчитывали через индекс его поврежденности по формуле средневзвешенного класса повреждения, составляющих древостой деревьев, предложенной А.С. Алексеевым (1997). Во втором случае использовали формулу меры поврежденности древостоя, предложенную В.А. Алексеевым (1989).

На каждой пробной площади проведен сплошной перечет подроста. Учитывали его общее количество, высотную, возрастную структуру и состояние. Во всех фитоценозах определяли состав возобновления по породам. Подрост подразделяли на здоровый, сомнительный, усыхающий и сухой. Возраст подроста находили по срезам у шейки корня. Жизненное состояние подроста определяли по методике В.А. Алексеева (1989).

Возраст деревьев и ширина годичных колец для изучения динамики роста деревьев измерялись, в соответствии с принятой методикой в таксации при анализе хода роста (Анучин, 1960) на полуавтоматической установке LINTAB V (Rinn, 1996; Ваганов, Шашкин, 2000; Шиятов и др., 2000).

Массу и прирост органического вещества надземных органов древесных растений определяли методом модельных деревьев (Молчанов, Смирнов, 1967; Уткин, 1975). В конце вегетационного периода (конец августа) в ельнике чернично-сфагновом разбирали четыре модельных дерева ели, три модельных дерева березы, равномерно отобранных из разных ступеней толщины. Определяли массу разных фракций дерева (ствол, ветви отмершие, живые охвоенные и неохвоенные ветви, листья, генеративные органы). Данные по весу отдельных фракций модельных деревьев наносили на график. Между ними была проведена линия регрессии степенной функции (y=axb), выбранной по методу наименьших квадратов. Полученные таким образом показатели умножались на количество деревьев соответствующего диаметра, эти величины суммировались, и находился вес искомой фракции на гектар площади.

Объекты исследования. Объектом исследования явились ельники, расположенные на территории Тимано-Печорской подпровинции, Цилемского и Печорского еловых округов. Исследованиями охвачены основные типы еловых насаждений региона. В десяти типах ельников заложено 12 постоянных пробных площадей. Анализ таксационного материала показал, что исследуемые притундровые ельники представлены коренными сообществами. Они формируют смешанные по составу древостои. При доминировании в нем ели (Picea obovata Ledeb.) присутствуют всегда береза (Betula tortuosa Ledeb.), реже лиственница (Larix sibirica Ledeb.) и сосна (Pinus sylvestris L.). Древостои низкопродуктивные. Они относятся в основном к V-Vб классам бонитета. Полнота их также невелика - 10.3-21.7 м2 га-1. Запас древесины растущих деревьев колеблется от 33 до 144 м3 га-1. Морошково-сфагновый и сфагновый ельники представлены рединой с полнотой 6.1 и 5.6 м2 га-1 и запасом древесины 17.2 и 15.6 м3 га-1 соответственно. Лишь древостой ельника разнотравно-зеленомошного достигает полноты 35.6 м2 га-1 и запаса древесины 266 м3 га-1. Число растущих деревьев ели в древостоях различных типов ельника изменяется в пределах 427-1025 экз. га-1. Сухостой в основном представлен тонкомерными деревьями. Количество его меняется в зависимости от типов леса от 25 до 333 экз. га -1, с запасом древесины от 6 до 27 м3 га-1.

Глава 3. Строение и состояние древостоев притундровых ельников

разных типов

Представление о строении древостоев дает, прежде всего, распределение числа деревьев по ступеням толщины, разрядам высот и возрастам.

Распределение деревьев в древостоях по диаметру. Анализ распределения деревьев по ступеням толщины показывает, что в древостоях всех типов исследуемых ельников отмечается сильное колебание среднего диаметра у ели - от 8.5±2.7 до 17.2±6.7, у березы - от 7.3±2.5 до 26.6±2.8 см. Коэффициент вариации диаметра деревьев ели изменяется от 25.9 до 42.2 %. Асимметрия рядов распределения деревьев ели по диаметру положительная, больше нуля (правая ветвь кривой, начиная от вершины, больше левой). Эксцесс рядов распределения стволов ели по толщине в разных типах леса различный. Он имеет как положительные, так и отрицательные значения. По мнению И.И. Гусева (2002), при эксцессе больше нуля кривая имеет высоковершинное распределение. При отрицательном эксцессе кривая низковершинная, приплюснутая. Выявляется тесная связь между диаметром на высоте 1.3 м и высотой деревьев, и эта связь описывается логарифмической кривой с коэффициентом детерминации для ели в пределах 0.55-0.96. Связь между диаметром ствола и возрастом деревьев в большинстве древостоях ельников довольно низкая или отсутствует.