Особенности влияния регулярного ухода за лесом на продуктивность древостоев и качество древесины ели

Лес — один из важнейших факторов поддержания стабильности биосферы и обеспечения жизнедеятельности человека. Повышение продуктивности лесаважнейшая задача лесоводства. Необходимость решения этой задачи определяется все возрастающими объемами пользования лесной продукцией, прежде всего — древесиной.

Одной из эффективных мер повышения продуктивности леса является применение минеральных удобрений в лесном хозяйстве. Эффект повышается, если удобрения применяются в комплексе с рубками ухода за лесом. Многочисленные и длительные эксперименты с удобрениями показали высокую результативность применения их в лесу. При правильном использовании удобрений существенно возрастает прирост древостоев, их устойчивость, товарность, ускоряются восстановительные процессы в нарушенных природными факторами или деятельностью человека фитоценозах.

Рубки ухода являются фактором, который выводит биогеоценоз из состояния устойчивого подвижного равновесия и вызывает в нем ответные восстановительные реакции. Удобрение же является дополнительным ресурсом, который стимулирует биокруговорот и позволяет выявить пути реализации этого ресурса в восстановительных процессах, прежде всего в главном компоненте биогеоценоза — древостое.

В этой связи является актуальной оценка длительного и регулярного воздействия ухода за лесом на продуктивность еловых древостоев, формирование дополнительного прироста и качество древесины.

Цель работы. Изучение долгосрочного влияния рубок ухода и комплексного ухода на рост и продуктивность еловых древостоев, на структурные изменения в них, на качество древесных стволов и плотность древесины.

Основные задачи исследования. 1. Изучение долгосрочного влияния регулярного ухода на продуктивность еловых древостоев. 2. Исследование воздействия рубок ухода и комплексного ухода на характер распределения дополнительного радиального прироста по высоте ствола ели. 3. Оценка изменения формы и полнодревесности стволов ели под влиянием ухода за лесом. 4. Исследование влияния рубок ухода и комплексного ухода на плотность древесины высокопродуктивных ельников и содержание сухого вещества.

Научная новизна. Получены количественные показатели, отражающие последействие регулярного ухода за лесом на динамику запаса и общей производительности высокопродуктивных ельников, на структурные изменения в древостое. Выявлены особенности распределения радиального прироста по высоте ствола. Определены изменения показателей, отражающих форму и полнодревесность стволов ели под влиянием рубок ухода и комплексного ухода. Впервые для условий Северо-Запада России получены данные, характеризующие изменение базисной плотности стволовой древесины и запасов сухого вещества на участках ельников, пройденных рубками ухода и удобренных карбамидом.

Практическая значимость исследований состоит в получении новых данных о дополнительном приросте и структурных изменениях в древостоях, о форме древесных стволов и плотности древесины в связи с длительным последействием регулярного ухода за ельниками. Полученные результаты могут применяться лесопользователями при организации хозсекций ускоренного целевого лесовыращивания.

Личный вклад. Автором составлена программа и определена методика работ, выполнены полевые исследования на двух сериях пробных площадей, со спиливанием, обмером и раскряжевкой 60 модельных деревьев, отбором 660 образцов древесины для определения базисной плотности и прироста по диаметру на разных высотах. Выполнена аналитическая обработка полученного материала на ЭВМ, с использованием методов математической статистики и обработки данных, его обобщение и теоретическое осмысление.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается значительным объемом экспериментального материала, полученного на стационарных объектах с 30-летним сроком наблюдений и неоднократным повторением приемов рубок ухода и комплексного ухода. Данные обработаны на ЭВМ с использованием стандартных программ.

Апробация и публикация результатов работы. Основные результаты работы обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях в СПбГЛТА (2003, 2004, 2005 гг.), на Всероссийской конференции «Человек и почва в XXI веке», СПбГУ, 2004; на IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины», СПбГЛТА, 2004, на Всероссийском симпозиуме «Мелиорация, ведение лесного хозяйства и лесопользование», СПбНИИЛХ, 2006. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ.

Предмет защиты. 1. Продуктивность и дополнительный прирост древостоев ели под влиянием регулярного ухода за лесом. 2. Закономерности изменения формы и полнодревесности стволов ели в связи с длительным последействием рубок ухода и комплексного ухода. 3. Базисная плотность древесины и запасы сухого вещества в ельниках, пройденных разными видами ухода за лесом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 110 страниц, из них 16 рисунков, 25 таблиц.

Список литературы

включает 117 наименований, в том числе 12 наименований зарубежных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Реализация ресурсосберегающей функции в лесной экосистеме приводит к восстановлению общей производительности разреженного древостоя — через 20 лет после начала эксперимента она составила 89 и 90%, а через 30 лет — 93 и 97% от контроля для ельника черничного и кисличного соответственно.

Текущий прирост общей производительности ельников на секциях с комплексным уходом восстанавливался до уровня контроля уже к концу первого десятилетия, чего не наблюдалось в аналогичных вариантах без удобрения. Общая производительность древостоев после комплексного ухода достигла уровня контроля через 10−20 лет на обоих участках, а в ельнике кисличном через 30 лет после начала ухода превысила контроль на 10%.

Положительное влияние азотного удобрения, внесенного неоднократно в течение 10−12 лет в разреженный ельник, проявляется затем и через двадцать, и даже через тридцать лет после начала ухода. Величина дополнительного прироста запаса стволовой древесины, определенная путем сравнения разницы запасов ели на экспериментальных секциях с разницей на контроле в начале л опыта и спустя 30 лет, составила от 24 до 60 м /га для разреженных древостоев. Дополнительный прирост в результате комплексного ухода за этот же срок составил варьирует от 96 до 116 куб. м/га. Следовательно, дополнительный прирост в вариантах с комплексным уходом в 2−4 раза выше по сравнению с приростом стволовой древесины на секциях с рубками ухода. При сравнении дополнительного прироста в удобренных секциях с приростом в разреженных различия составили 56−72 куб. м/га за 30 лет.

2. В рядах распределения деревьев по ступеням толщины наблюдается тенденция к замедлению отпада мелких деревьев и росту доли крупных в варианте с комплексным уходом по сравнению с разреженной секцией. Это может свидетельствовать о более длительном, чем принято считать, последействии удобрений. Доля средних деревьев остается несколько сниженной. В первые два десятилетия доля числа крупных деревьев выше на удобренном варианте по сравнению с разреженным на 5,5−7%, доля суммарного количества крупных и средних деревьев — на 4,5−7,5%. В дальнейшем это превышение сохраняется, хотя и на более низком уровне.

Такая своеобразная и длительная реакция древостоя на внесение удобрений подтверждает ранее сделанный вывод о том, что несмотря на стимулирующее влияние удобрений на продуктивность, главным остается сохранение структуры древостоя с тенденцией к ее постоянному усложнению (наличие деревьев разных рангов), что приводит, в свою очередь, к усилению функции устойчивости древостоя.

3. На контрольных и опытных секциях средняя ширина годичного слоя снижается от основания ствола к высоте 0,2Н, а затем снова возрастает, т. е. образуется вогнутый характер прироста. Средняя ширина годичного слоя для всего ствола дерева находится примерно на его середине (0,5Н).

Разреживание древостоя способствует усилению «вогнутости» радиального прироста. Наиболее заметно это проявляется за счет повышенного прироста ствола на уровне пня, что свидетельствует об усилении корневой системы и общем укреплении основания дерева. Это можно объяснить пластической реакцией деревьев на изменение густоты, площади питания, условий для развития кроны. И направление этой реакции — освоение свободных ресурсов, а также усиление ветроустойчивости, что в совокупности приводит к повышению конкурентоспособности дерева.

Удобрение, в целом повышая прирост по всему стволу, несколько изменяет характер «вогнутости». Стимулирующее действие удобрения на ассимиляционный аппарат проявляется большим повышением радиального прироста в средней и верхней, т. е. кроновой части ствола, поскольку кроны в наибольшей степени развиты именно на участках с комплексным уходом.

Повышенный радиальный прирост, развитие кроны, утяжеляющее верхнюю часть ствола, должны компенсироваться адекватным развитием комлевой части, что и происходит, но не в таких резких пропорциях, как после проведения только разреживания. Выявленные закономерности наблюдаются через 30 лет после начала ухода за насаждениями, что определяет сроки последействия удобрений, применяемых в системах комплексного ухода за лесом.

4. В варианте с комплексным уходом в первые два десятилетия после начала эксперимента у деревьев из средней ступени толщины, при общем закономерном уменьшении радиального прироста, наблюдается постепенное приближение минимальной ширины годичного слоя на высоте 0,2Н к ширине на высоте груди. Такое выравнивание прироста свидетельствует о том, что наряду с усилением ветроустойчивости деревья на удобренных участках наращивают биомассу по всему стволу, не снижая прирост и в его нижней, самой ценной части.

В третье десятилетие на экспериментальных секциях наблюдается сдвиг средней ширины годичного слоя с высоты 0,5Н на высоту 0,6−0,7Н. Таким образом, этот период характеризуется меньшим снижением прироста в верхней части ствола по сравнению с нижней и средней, т. е. тенденцией к уменьшению сбежистости ствола. Кроме того, в третьем десятилетии на участках с комплексным уходом в отличие от других вариантов опыта выявлено также меньшее относительное снижение радиального прироста на середине ствола по сравнению с его нижней частью. Эта также свидетельствует об улучшении формы ствола на удобренных участках спустя весьма длительное время после начала ухода.

5. Действительный относительный сбег стволов в средней ступени толщины на экспериментальных секциях обоих опытных участков спустя 30 лет с начала экспериментов в целом не имеет достоверных отличий от контроля. Выявлена тенденция к уменьшению сбега относительно контроля, т. е. к улучшению формы ствола, что подтверждает выводы, сделанные при изучении радиального прироста. Лишь в нижней части ствола при сильном разреживании сбег имеет слабую тенденцию к увеличению, что вполне объяснимо необходимостью усиления ветроустойчивости деревьев.

У крупных деревьев в ельнике черничном на разреженных секциях наблюдается улучшение формы ствола на высотах 0,1−0,7Н. Сбег по сравнению с контролем возрастает у них лишь на вершине (0,8−0,9Н), что связано с разрастанием крон. В то же время четко прослеживается усиление основания ствола. У отставших в росте деревьев на секциях с уходом выявлены те же тенденции, что и у средних деревьев: отсутствие увеличения сбега на уровне пня, улучшение формы в средней и верхней частях. Таким образом, при сильном разреживании происходит перераспределение прироста между деревьями разного рангового положения. Крупные деревья в основном повышают свою ветроустойчивость, остальные — прирост стволовой древесины. Такая структурная перестройка в древостое обеспечивает восстановительную функцию фитоценоза, адекватность приспособительной реакции древостоя к изменившимся условиям среды и, в конечном счете, повышение его устойчивости.

В ельнике кисличном и крупные, и мелкие деревья имеют тенденцию к некоторому ухудшению формы ствола почти по всей высоте дерева, что в сочетании с «поведением» средних деревьев дает общую картину отсутствия каких-либо серьезных изменений в форме ствола на участках с относительно небольшой интенсивностью разреживания древостоев и быстрым восстановлением полноты.

6. Коэффициенты и классы формы у деревьев ели на опытных секциях в ельниках черничном и кисличном в целом практически не отличаются от контроля или даже имеют тенденцию к улучшению через 30 лет с начала экспериментов. Показатели полнодревесности на секциях с комплексным уходом, как правило, оказываются между таковыми на контроле и разреженных секциях, что свидетельствует об ускоренной реализации одной из важнейших функций древостоя — восстановительной.

7. В ельнике-черничнике толщина коры возрастает на обеих экспериментальных секциях относительно контроля, причем больше всего у мелких деревьев, а меньше всего у крупных. Деревья средней ступени толщины занимают среднее положение. Таким образом, происходит своеобразное «выравнивание» толщины коры у деревьев разной крупности при сильном разреживании древостоя. Наиболее толстая кора характерна для секции с комплексным уходом.

При относительно слабом разреживании древостоя (ельник кисличный) толщина коры возрастает в значительно меньшей степени по сравнению с контролем. Однако и в этом случае более толстая кора наблюдается в варианте с комплексным уходом по сравнению с разреженным вариантом без удобрения.

Относительный объем коры на контрольных секциях наименьший у средних деревьев, и возрастает у мелких и крупных. С улучшением условий произрастания доля объема коры заметно снижается на всех вариантах опыта. На опытных секциях обоих участков в средней ступени толщины объем коры относительно контроля возрастает.

На экспериментальных секциях по сравнению с контролем средние деревья увеличивают относительную длину кроны, причем особенно интенсивно — при сильном разреживании в ельнике черничном (на 29−35%). Выявляется тенденция к большей протяженности кроны в удобренном варианте по сравнению с неудобренным. У мелких деревьев протяженность живой кроны в результате ухода также возрастает, хотя и в меньшей степени, чем у средних. Крупные деревья при разреживании древостоя несколько снижают протяженность кроны, при комплексном уходе она остается на уровне контроля.

Увеличение толщины коры и протяженности живой части кроны является закономерной реакцией древостоя на разреживание, что сопряжено с изменением микроклимата и условий среды. При увеличении разности экстремальных температур на поверхности стволов более толстая кора обеспечивает защиту камбия. Утолщение коры может быть также результатом активизации работы камбия при общем усилении обменных процессов в живых тканях дерева при условии, если появляются дополнительные источники питания и начинает повышаться прирост. Именно такие условия и создают рубки ухода и, особенно, комплексный уход за лесом.

Разреживание создает лучшие условия для освещенности крон, поэтому протяженность крон возрастает. Изменения в кроновом пространстве древостоя, т. е. уменьшение сомкнутости полога, связанные с его разреживанием, компенсируются «подвижками» в вертикальной структуре кроновой фитомассы (увеличение протяженности крон). Удобрение в еще большей мере способствует повышению продуктивности фотосинтеза путем увеличения объема крон, что также является проявлением восстановительных процессов в древостое.

8. Различия между контролем и опытными секциями в каждом из видов определений средней величины плотности (по 6 средним моделям и 10 моделям из разных ступеней толщины) недостоверны на 5-процентном уровне. Тем не менее четко прослеживается тенденция к увеличению плотности на опытных секциях по сравнению с контрольной на обоих участках.

Вместе с тем выявляется тенденция увеличения размаха колебаний плотности древесины ели на разреженных секциях и секциях с комплексным уходом по сравнению с контролем. Такое явление не может считаться положительным с хозяйственной точки зрения, поскольку задачей ухода за лесом является формирование сравнительно однородной совокупности деревьев не только по размерам, но и по качеству древесины.

По-видимому, значительное влияние на варьирование плотности оказывает ветровая нагрузка, резко усиливающаяся в отношении отдельных (но не всех) деревьев, которые вынуждены создавать необходимую прочность ствола за счет увеличения плотности древесины. Особенно велико варьирование плотности в наиболее разреженном варианте в ельнике черничном.

С другой стороны, с точки зрения лесной экологии усиливающаяся разнородность в показателях плотности древесины свидетельствует в какой-то степени об оптимизации пользования ресурсами в древостое и распределения «пользователей», т. е. деревьев, по своим «нишам». По-видимому, это адаптивная реакция на внутриструктурную перестройку, связанную с разреживанием и внесением удобрений. После проведения рубки ухода и, особенно, последующего регулярного внесения удобрений, ослабляется внутривидовая конкуренция, расширяется экологическая ниша, соответственно усиливается вариабельность показателей, поскольку создается больше условий для разнородности в популяции.

9. У деревьев средней ступени толщины в ельнике черничном на всех вариантах опыта наблюдается падение плотности древесины в нижней половине ствола в направлении от комля к середине ствола (0,4Н), а затем возрастание плотности к вершине. Плотность древесины в нижней половине ствола на опытных секциях имеет в среднем более высокие значения по сравнению с контролем. Верхняя часть ствола на секции с комплексным уходом имеет плотность, близкую к контролю, тогда как на секции с разреживанием наблюдается заметное увеличение плотности. Особенно отчетливо эта тенденция проявляется у крупных деревьев.

Мелкие, отставшие в росте деревья, повышают плотность древесины в комлевой и нижней частях ствола и снижают ее в кроновом пространстве. Здесь, по-видимому, проявляются особенности ценотических отношений в древостое. Отставшие в росте деревья после проведения рубок ухода и, особенно, в результате последующего внесения удобрений, повышают степень своей жизнеспособности и устойчивости. Но их прирост сдерживается прессом конкуренции со стороны более крупных деревьев, который хотя и ослабляется, но не исчезает, а также наследственными, генотипическими признаками (деревья малой продуктивности). Неспособность таких деревьев повысить прирост компенсируется внутриструктурной перестройкой («внутренний прирост»), сопровождающейся повышением плотности в наиболее «ответственной» за устойчивость нижней части ствола.

В ельнике кисличном у деревьев средней ступени толщины также наблюдается падение плотности древесины в направлении от комля к середине кроны (до высоты 0,6−0,7Н), а затем возрастание плотности к вершине. Деревья на опытных секциях имеют в среднем более высокую плотность по сравнению с контролем по всему стволу — и в этом также отличие от ельника-черничника. По-видимому, выявленные особенности связаны с высокой полнотой древостоев и лучшим качеством условий местопроизрастания.

10. В результате проведения рубок ухода и внесения удобрений увеличивается ширина годичных колец по всему стволу, но одновременно прослеживается тенденция к увеличению плотности древесины.

На секциях с уходом в ельнике черничном на высоте 1,3 м процент поздней древесины у средних деревьев имеет тенденцию к возрастанию по сравнению с контролем. По-видимому, повышенная доля поздней древесины в опытных вариантах, несмотря на увеличение ширины годичных слоев, является одной из важнейших причин возрастания плотности. По литературным данным, ускоренный прирост, следующий за разреживанием средневозрастных древостоев, осуществляется на основе более равномерного баланса между ранней и поздней древесиной, что может привести к увеличению плотности.

11. На экспериментальных секциях в ельнике черничнике по сравнению с контрольным вариантом в значительно большей мере представлены запасы сухого вещества ели — породы, за которой и проводился уход. Это связано, во-первых, с уменьшением доли ели в общем запасе на контрольной секции (в последние 15−20 лет здесь уже наблюдается отрицательный прирост ели). Во-вторых, в результате внутриструктурных перестроек и восстановительных процессов плотность древесины ели на опытных секциях в целом сохранилась на уровне контроля или даже несколько возросла. В разреженном варианте запас сухого вещества древесины ели больше контроля на 16%, в удобренном — на 29%. По сравнению с разреженной секцией без внесения удобрений запасы сухого вещества ели на секции с комплексным уходом выше на 11%. При этом следует учесть, что качество древесины в целом на экспериментальных секциях в результате регулярного ухода значительно лучше: меньше мелких деревьев, практически отсутствуют деревья с пороками ствола. Кроме того, за два приема рубок ухода на опытных секциях получено дополнительно от 113 до 137 куб. м на 1 га древесины (преимущественно еловой).

В ельнике кисличном итоговые (на момент последней таксации) запасы ели и сухого вещества еловой части древостоя практически одинаковы на контроле и в варианте с комплексным уходом — соответственно 467 и 476 куб. м/га и 184 и 182 т/га. На секции с разреживанием эти показатели на 20% ниже. Это объясняется усилением здесь позиций березы (до трех единиц в составе), неравной исходной долей ели по сравнению с удобренным вариантом, отсутствием внесения удобрений. При том же итоговом составе древостоя, что и на секции с комплексным уходом, и при равных исходных запасах ели можно было ожидать в разреженном варианте уменьшения запаса ели и соответственно сухого вещества на 10% по сравнению с удобренным вариантом.

На секциях с уходом в ельнике кисличном также отсутствуют деревья с пороками ствола, и за три приема рубок ухода (в течение 20 лет) получено дополнительно еловой древесины от 176 до 267 куб. м на 1 га.

12. В результате проведенных исследований выявлено преимущество комплексного ухода перед разреживанием. Удобрения ускоряют восстановительные процессы в разреженном древостое и формируют более устойчивую структуру насаждения. Под влиянием комплексного ухода осуществляется позитивная структурная перестройка на всех уровнях: на уровне популяции (распределение деревьев по ступеням толщины), на уровне отдельных деревьев (показатели формы и полнодревесности ствола), а также на внутриструктурном уровне (плотность древесины). Выявленные закономерности подтверждают возможность реального, долговременного и устойчивого повышения производительности древостоев и увеличения выхода ценной товарной продукции на основе комплексного ухода, что делает его необходимым элементом системы ускоренного целевого лесовыращивания.