На правах рукописи Смирнов Алексей Александрович

На правах рукописи
Смирнов Алексей Александрович
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ РЕГУЛЯРНОГО УХОДА ЗА ЛЕСОМ
НА ПРОДУКТИВНОСТЬ ДРЕВОСТОЕВ
И КАЧЕСТВО ДРЕВЕСИНЫ ЕЛИ
06.03.03 – Лесоведение и лесоводство,
лесные пожары и борьба с ними
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Архангельск – 2007
Работа выполнена на кафедре лесоводства Санкт-Петербургской
государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова
Научный руководитель:
доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Мельников Евгений Сергеевич
Официальные оппоненты:
доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Цветков Василий Фролович
кандидат сельскохозяйственных наук
Федяев Александр Леонидович
Ведущая организация:
Агентство лесного хозяйства
по Ленинградской области и Санкт-Петербургу
Защита диссертации состоится 25 мая 2007 года в 13 00 часов
на заседании диссертационного совета К 212.008.01 в Архангельском
государственном техническом университете по адресу:
163002 Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17, главный корпус, ауд. 1228
E-mail les@agtu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского
государственного технического университета.
Автореферат разослан 6 апреля 2007 года.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат с.-х. наук
Г.С.Тутыгин
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
темы.
Эффективными
мерами
повышения
продуктивности лесов являются рубки ухода и применение минеральных
удобрений. Эффект повышается, если удобрения применяются в комплексе с
рубками ухода за лесом. При правильном использовании удобрений
существенно возрастает прирост древостоев, их устойчивость, товарность,
ускоряются восстановительные процессы. Задача повышения продуктивности
лесов все более увязывается с потребностью в досрочном, до наступления
технической спелости, пользовании древесиной. Поэтому необходимы
разработка и применение современных, научно обоснованных технологий
лесопользования.
В этой связи является актуальной оценка длительного и регулярного
воздействия рубок ухода и комплексного ухода на рост, продуктивность и
качество древесины еловых древостоев южной тайги.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является
изучение длительного последействия регулярного ухода на рост и
продуктивность еловых древостоев, на структурные изменения в них, на
качество древесных стволов и плотность древесины.
В соответствии с поставленной целью задачи исследований включали:
1. Изучение долгосрочного влияния регулярного ухода на рост и
продуктивность еловых древостоев.
2. Исследование воздействия разреживаний и комплексного ухода на
характер распределения радиального прироста по высоте ствола ели.
3. Оценка изменения формы и полнодревесности стволов ели под
влиянием регулярного 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
длительное последействие регулярного ухода за лесом на динамику запаса и
общей производительности высокопродуктивных ельников. Выявлены
особенности распределения радиального прироста по высоте ствола.
Определены изменения показателей, отражающих форму и полнодревесность
стволов, толщину коры и протяженность кроны 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 регулярными
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 быть использованы для корректировки параметров целевых программ
комплексного ухода в ельниках, а также применяться лесопользователями при
организации хозсекций ускоренного целевого лесовыращивания.
4
Диссертационная работа выполнялась в тесной связи с планом НИР
кафедры лесоводства Лесотехнической академии по темам: “Основные
закономерности, динамика и меры регулирования восстановительных
процессов в нарушенных хозяйственным воздействием лесных фитоценозах
Северо-Запада России”, “Совершенствование мер хозяйственного воздействия
на лесные экосистемы в целях повышения устойчивости и биоразнообразия
лесов Северо-Запада Российской Федерации”, “Лесоводственно-экологическая
оценка структурных и функциональных изменений в нарушенных
хозяйственным воздействием лесных экосистемах Северо-Запада России”.
Личный вклад. Автором составлена программа и определена методика
работ, выполнены полевые исследования, в т.ч. отбор, спиливание, обмер и
раскряжевка 60 модельных деревьев на двух сериях пробных площадей, отбор
660 образцов древесины для определения базисной плотности и прироста по
диаметру на разных высотах. Выполнена аналитическая обработка полученного
материала на ЭВМ, 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 литературы из 117 наименований. Общий объем
работы составляет 110 страниц, из них 16 рисунков, 25 таблиц.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Каждый из видов ухода за лесом (разреживание, удобрение) имеет свои
задачи, но их совместное решение позволяет добиться нового, интегрального
эффекта, не сводящегося к простому суммированию эффектов (Мельников,
1999). Одной из главных причин появления комплексного ухода за лесом стало
понимание того, что одними рубками ухода невозможно повысить общую
5
производительность древостоя (Георгиевский, 1957; Давыдов, 1971; Сеннов,
1977, 1984).
В комплексном уходе органично сочетаются положительные стороны
рубок ухода и применения удобрений в лесу. Интерес к комплексному уходу
еще более повысился в связи с разработками систем ускоренного целевого
лесовыращивания (Шутов и др., 1984). Разработанные программы рубок ухода
и комплексного ухода при правильном их применении позволяют достичь
хозяйственно необходимого эффекта при минимуме затрат. Возможность
реального повышения производительности древостоев, увеличения выхода
ценной товарной продукции делает удобрения необходимым элементом
системы целевого лесовыращивания (Сеннов, Мельников, 1986).
В результате длительного последействия ухода за лесом происходят
изменения в кроновой фитомассе, в распределении деревьев по ступеням
толщины, в формировании дополнительного радиального прироста на разных
высотах ствола, что определяет его форму и полнодревесность. Однако эти
вопросы изучены недостаточно. Внутриструктурные изменения в древостое
характеризуются плотностью древесины ельников, пройденных разными
видами ухода, распределением плотности по высоте ствола. Соотношение
между степенью и характером разреживания древостоев и плотностью
формирующейся древесины представляет собой существенный и мало
изученный аспект всей проблемы рубок ухода за лесом, поскольку с
плотностью древесины связана производительность насаждений, определяемая
по содержанию сухого вещества (Полубояринов, 1976). Недостаточно
исследованы и многие стороны долгосрочного влияния внесения удобрений на
плотность древесины.
Изучение этих вопросов необходимо для внесения коррективов в
программы рубок ухода и комплексного ухода за лесом. Оно поможет в
совершенствовании технологии и повышении эффективности ускоренного
целевого лесовыращивания.
Именно этому направлению исследований и посвящена наша работа.
2. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Программа исследований включала следующие вопросы:
1. Изучение долгосрочного влияния рубок ухода и комплексного ухода на
продуктивность еловых древостоев и формирование дополнительного
прироста.
2. Исследование характера распределения дополнительного радиального
прироста по высоте стволов ели под воздействием регулярного ухода.
3. Оценка изменения формы и полнодревесности стволов ели под
влиянием разреживаний и внесения удобрений.
4. Определение плотности древесины и содержания сухого вещества в
ельниках, пройденных разными видами ухода за лесом.
6
Исследования проводились на постоянных пробных площадях (ПП), на
которых выделялись: контрольная секция; разреженная рубками ухода;
разреженная и удобренная секции. Полученный материал обрабатывался
методами математической статистики. Расчет величины текущего и
дополнительного прироста древостоя производился по данным сплошных
перечетов. Запасы вычисляли по таблицам объемов стволов и разрядам высот.
При одинаковых исходных запасах дополнительный текущий прирост
определен как разница между накопленными запасами древостоев –
пройденного комплексным уходом, разреженного без применения удобрений,
контрольного. При неравных исходных запасах расчет произведен с учетом
первоначальной разницы.
Для определения влияния ухода за елью на базисную плотность
древесины и характеристики формы ствола на каждой из секций спиливали по
шесть модельных деревьев из средней ступени толщины. Кроме того, для
получения более полной информации о древостое, в каждой из секций
дополнительно отбирались деревья из более тонких и более толстых ступеней
толщины: по одному дереву из ступени толщины 0,6; 0,8; 1,2 и 1,4 среднего
диаметра. Таким образом характеризуется укрупненное распределение деревьев
по ступеням толщины (Крылов, 1977).
У каждого модельного дерева после рубки измерялась его высота и
протяженность живой кроны. Затем на высоте пня, на высоте груди (1,3 м) и на
относительных высотах (через 0,1Н) обмерялись диаметры в двух взаимно
перпендикулярных направлениях. Для определения базисной плотности на
всех указанных высотах отбирались образцы древесины – шайбы
(Полубояринов, 1976). Шайбы использовались также для определения толщины
коры. Таким образом, всего было исследовано на шести секциях 60 модельных
деревьев.
Динамику радиального прироста деревьев средней ступени толщины
изучали путем анализа годичных слоев, сформировавшихся за период
наблюдения, на высотах 0,0Н (высота пня); 1,3 м; 0,2H; 0,4H; 0,6H; 0,8H. Замер
годичных колец и определение доли поздней древесины осуществлялись с
помощью лупы и металлической линейки с точностью 0,1 мм.
Объем ствола определен по сложной формуле срединного сечения. Сбег
ствола, коэффициенты и классы формы, видовые числа (старое и новое)
определены для модельных деревьев по общепринятым методикам.
При обработке данных определялись средние величины для 6 моделей из
средней ступени толщины, для 10 моделей из разных ступеней толщины,
среднее из двух тонкомерных, а также среднее из двух крупномерных деревьев
на каждом варианте опыта.
Объектами исследований являются постоянные пробные площади серии
10 и 11, заложенные в 1973-74 гг. сотрудниками лаборатории лесоводства
ЛенНИИЛХ под руководством проф. С.Н.Сеннова в Государственном опытном
лесном хозяйстве “Сиверский лес” Ленинградской области. В табл. 1
представлена краткая характеристика объектов.
7
Таблица 1
Характеристика постоянных пробных площадей
Номер
ПП
10-1
10-2
10-3
11-1
11-2
11-3
Вариант
опыта
контроль
рубка
ухода
компл.
уход
контроль
рубка
ухода
компл.
уход
Год
закладки
1974
1974
1974
1973
1973
1973
Состав
древостоя
Сред.
Н, м
Сред.
D, см
N,
дер./
га
Полнота
Запас,
м3/га
0,93
1,04
0,71
(0,65)
0,61
0,73
1,33
1,08
1,00
0,94
1,03
1,00
223
433
167
(320)
144
352
404
563
283
531
297
550
при закладке ПП
при последней таксации
8Е1Б1Ос+С
6,4Е0,8С1,8Ос1Б
10ЕедС,Б,Ос
10Е ед.С
8Е1С1Б+Ос
10Е+С ед.Б
9Е1Б
8,3Е1,7Б
9Е1Б
7,1Е2,9Б
9Е1Б
8,7Е1,3Б
12,9
22,2
15,7
(24)
14,6
24,8
16,6
25,4
16,4
25,5
16,9
27,0
10,1
19,4
14,4
(23)
12,9
23,7
14,1
21,6
13,8
22,2
14,6
24,2
3380
1241
1284
(620)
1408
679
2800
1180
2100
1010
2000
940
Примечания. 1. Таксационные показатели при закладке ПП для секций с уходом
приведены после первого разреживания. 2. В 2000 г. сильный ветровал разрушил
значительную часть секции 10-2. Поэтому для этой секции на момент последней таксации
(2003 г.) приведены данные, полученные на основе экстраполяции соответствующих
показателей по предыдущим перечетам и анализу хода роста соседних секций.
Тип леса на ПП 10-й серии ельник черничник, II класс бонитета, почва
влажногрубогумусная сильноподзолистая суглинистая на покровных
суглинках. Тип леса на ПП 11-й серии ельник кисличник, Iа класс бонитета,
почва модергумусная слабоподзолистая супесчано-суглинистая на моренном
суглинке.
Возраст преобладающей породы (ели) в начале экспериментов составлял
35-45 лет. Почвы ПП характеризовались низким содержанием азота. В качестве
удобрения на опытных участках применяли гранулированную мочевину
(карбамид), вносимую в дозе 150 кг/га азота по действующему веществу за
один прием. Повторяемость внесения двух-трехкратная с интервалом в 5-10
лет. Удобрения разбрасывали вручную по поверхности почвы в ближайший
вегетационный период после разреживания древостоя.
3. ВЛИЯНИЕ РЕГУЛЯРНОГО УХОДА ЗА ЛЕСОМ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ
И ВЕЛИЧИНУ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРИРОСТА ДРЕВОСТОЕВ ЕЛИ
Разреживание ельников рубками
ухода сопровождается снижением
текущего прироста и общей производительности древостоев. Постепенное
восстановление прироста до уровня контроля начинается лишь к концу второго
(ПП 11-2), либо даже третьего десятилетия (ПП 10-2) – табл. 2.
8
Таблица 2
Динамика прироста еловых древостоев на пробных площадях за период опыта
№
ПП
Вариант
опыта
10- контроль
1
Е -черн
102
103
111
112
113
Год
таксации
Рубка, %
запаса
Запас,
м3/га
1974
-
1983
-
1993
-
2003
-
223
184
322
250
401
288
433
276
167
198
277
(320)
144
198
296
352
404
374
522
466
582
496
563
467
283
259
370
317
466
347
531
376
297
287
428
397
476
428
550
476
2-кратная
рубка
1974
1983
1993
2003
2-кратная
1974
рубка+удоб- 1983
рение (1974, 1993
1979, 1986)
2003
контроль
1973
Е-кисл
1983
25
22
1993
-
2004
-
1973
22
1983
5
1993
17
2004
-
1973
24
1983
8
1993
16
2004
-
3-кратная
рубка
3-кратная
рубка +
2-кратное
удобрение
(1973,
1983)
30
23
-
Сред. период.
прирост общей
производ- ти,
м3/га в год
-
Отпад,
м3/га в
год
-
11,6
8,2
13,3
8,7
8,4
4,0
10,5
9,0
(9,5)
13,8
9,2
10,4
-
1,7
1,6
5,4
4,9
5,2
5,2
1,6
1,6
(5,2)
1,3
1,2
4,8
-
16,8
14,2
16,7
13,7
5,4
3,3
-
5,0
5,0
4,0
4,0
7,0
5,7
-
10,7
7,8
20,6
16,9
9,4
6,4
-
3,6
3,6
0,6
0,6
4,0
4,0
-
14,2
12,9
21,4
19,3
11,6
9,3
0,3
0,3
0,3
0,3
5,3
5,3
Общая производительность
м3/га
223
184
339
266
472
353
556
393
219
325
422
(517)
214
342
450
554
404
374
572
516
739
653
804
692
355
322
462
400
668
569
781
646
393
346
535
475
749
668
888
780
% к контролю
98
96
89
(93)
96
101
95
100
88
86
81
78
90
87
97
93
97
93
94
92
101
102
110
113
Примечание. Над чертой – показатели всего насаждения, под чертой – древостоя ели.
9
Реализация ресурсосберегающей функции в лесной экосистеме приводит
со временем к постепенному восстановлению общей производительности
разреженного, без удобрений, древостоя – через 20 лет после начала
эксперимента она составила 89 и 90 %, а через 30 лет – 93 и 98 % от контроля,
для ельника черничного и кисличного соответственно (см. табл. 2). Однако
восстановления запаса до уровня контрольного не происходит.
При внесении азотных удобрений в разреженные ельники прирост
древостоя начинает быстро повышаться. Причем положительное влияние
удобрений, внесенных неоднократно в течение 10-12 лет, проявляется затем и
через десять, и двадцать, и даже тридцать лет после начала ухода. Текущий
прирост разреженных и удобренных ельников 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 % (по еловой части древостоя – на 13%). При этом
запас через три десятилетия в ельнике кисличном практически сравнялся с
контрольным.
Величина дополнительного прироста запаса стволовой древесины,
определенная путем сравнения разницы запасов ели на разреженных секциях с
разницей на контроле в начале опыта и спустя 30 лет, составила в ельниках
кисличном и черничном соответственно 24 и 60 м3/га. Дополнительный
прирост в результате комплексного ухода составил от 96 до 116 м 3/га.
Следовательно, дополнительный прирост от внесения удобрений в 2-4 раза
выше по сравнению с приростом стволовой древесины на секциях с рубками
ухода. Различия в абсолютных единицах составили 56-72 куб. м/га за 30 лет,
т.е. в среднем около 2 куб. м/га в год.
Для древостоев, испытавших воздействие разреживания и последующего
внесения удобрений, характерна тенденция замедления отпада мелких стволов
и одновременного увеличения доли крупных. Прирост крупных деревьев
стимулируется удобрениями, но усиление конкуренции с их стороны
компенсируется повышением устойчивости мелких деревьев. Это
положительно отражается на сохранении структуры древостоя (наличие
деревьев разного ранга) и повышении его устойчивости – отпад в нем резко
снижается, особенно в первые два десятилетия (см. табл. 2).
Толщина годичных слоев на разной высоте ствола в целом уменьшается в
течение рассматриваемых 30 лет, однако с разной интенсивностью в разных
вариантах опыта. Средняя ширина годичных слоев на всех вариантах опыта
снижается от основания ствола к высоте 0,2Н (здесь она имеет наименьшие
значения), а затем возрастает (рис. 1). Такой характер прироста по высоте
ствола М.Л.Дворецкий (1964) назвал вогнутым. Следует отметить, что
разреживание древостоя способствует развитию этой “вогнутости”, усилению
прогиба. Наиболее заметно это проявляется за счет прироста ствола на уровне
пня, что свидетельствует об усилении корневой системы и общем укреплении
10
основания ствола в результате пластической реакции дерева на изменение
густоты, площади питания, условий для развития кроны. Направление этой
реакции – освоение свободных ресурсов, а также усиление ветроустойчивости,
что в совокупности приводит к повышению конкурентоспособности дерева.
ширина годичных слоев, мм
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0,0Н (пень)
1,3м
0,2Н
0,4Н
0,6Н
0,8Н
Рис. 1. Средняя ширина годичного слоя за время эксперимента
(1974-2003) на относительных высотах ствола в ельнике черничнике
(слева направо: контроль, рубка ухода, комплексный уход)
Удобрение, в целом повышая прирост по всему стволу, несколько
изменяет характер “вогнутости” (рис. 1). Стимулирующее действие удобрения
на ассимиляционный аппарат дерева проявляется относительно большим
повышением радиального прироста в средней и верхней, кроновой части
ствола, и относительно меньшим – в его нижней части.
В третьем десятилетии на экспериментальных секциях обоих участков
наблюдается “сдвиг” средней ширины годичного слоя с высоты 0,5Н на высоту
0,6-0,7Н. Следовательно, этот период характеризуется относительно меньшим
снижением прироста в верхней части ствола по сравнению с нижней и средней,
т.е. тенденцией к уменьшению сбежистости ствола дерева.
Выявленные закономерности наблюдаются через 30 лет после начала
ухода за насаждениями, что определяет сроки последействия удобрений,
применяемых в системах комплексного ухода за лесом.
4. ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМЫ И ПОЛНОДРЕВЕСНОСТИ СТВОЛОВ ЕЛИ
ПОД ВЛИЯНИЕМ РЕГУЛЯРНОГО УХОДА ЗА ЛЕСОМ
В варианте с комплексным уходом в ельнике черничнике сбег
относительно контроля в средней и верхней частях ствола имеет тенденцию к
уменьшению, что свидетельствует об улучшении формы ствола. В варианте с
разреживанием сбег на высотах 0,4-0,7Н остается в среднем на уровне
контроля, а на высотах 0,8-0,9Н несколько возрастает. Таким образом, в данном
случае четко проявляются преимущества комплексного ухода перед обычным
разреживанием.
11
В ельнике кисличном подобные закономерности не выявлены. Здесь на
всех высотах, начиная с 0,1Н, сбег на опытных секциях имеет тенденцию к
снижению по сравнению с контролем. По-видимому, при относительно
небольшой интенсивности разреживания и достаточно высокой полноте у
деревьев снижается потребность в усилении ветроустойчивости.
Изменения сбега относительно контроля в большинстве случаев не
превышают +3-4 % и статистически недостоверны (для 6 средних моделей).
Лишь на высотах 0,7-0,9Н на разреженных секциях обоих участков
наблюдаются прямо противоположные по знаку, значительные и достоверные
по отношению к контролю изменения сбега. По-видимому, это связано с
особенностями разрастания крон деревьев.
У крупных деревьев в ельнике черничном на обоих экспериментальных
секциях наблюдается улучшение формы ствола на высотах 0,1-0,7Н. Сбег по
сравнению с контролем возрастает у них лишь на высоте 0,8-0,9Н, что также
может быть связано с разрастанием крон. В то же время четко прослеживается
усиление основания ствола – сбег здесь заметно увеличивается.
По показателям формы ствола средние деревья на участках с уходом в ельнике
черничном не имеют достоверных отличий от контроля (табл. 3). Различия в
большинстве случаев не превышают +2-3%.
Таблица 3
Характеристика формы ствола средних модельных деревьев в ельнике
черничном (абсолютные значения / % по отношению к контролю)
Показатели
Коэффициенты формы ствола:
q0
q1
q2
q3
Классы формы ствола:
q2/1
q3/1
Значения показателей по вариантам
10-1
10-2 (рубка
10-3 (комплекс(контроль)
ухода)
ный уход)
1,253 / 100
0,910 / 100
0,730 / 100
0,474 / 100
1,243 / 99,2
0,889 / 97,6
0,741 / 101,5
0,463 / 97,7
1,230 / 98,2
0,895 / 98,3
0,743 / 101,7
0,4875 / 102,8
0,802 / 100
0,521 / 100
0,834 / 103,9
0,521 / 100,0
0,830 / 103,5
0,5445 / 104,6
Полученные результаты подтверждают вывод С.Н.Сеннова (1984) о
восстановлении с течением времени после разреживания ухудшенной формы
ствола у оставленных деревьев. Прослеживается тенденция улучшения формы
ствола на секции с комплексным уходом – как по сравнению с контролем, так и
(в большинстве случаев) по сравнению с разреженным вариантом.
Показатели формы ствола по мелким и крупным деревьям в целом
соответствуют контрольным.
В ельнике кисличном показатели формы средних деревьев имеют
тенденцию к улучшению по всему стволу на секции с разреживанием. В
варианте с комплексным уходом они близки к контрольным (табл. 4).
12
Таблица 4
Характеристика формы ствола средних модельных деревьев в ельнике
кисличном (абсолютные значения / % по отношению к контролю)
Значения показателей по вариантам
11-1
11-2 (рубка
11-3 (комплекс(контроль)
ухода)
ный уход)
Показатели
Коэффициенты формы ствола:
q0
q1
q2
q3
Классы формы ствола:
q2/1
q3/1
1,27 / 100
0,883 / 100
0,735 / 100
0,492 / 100
1,252 / 98,6
0,902 / 102,2
0,745/ 101,4
0,514 / 104,5
1,230 / 96,9
0,883 / 100,0
0,731/ 99,5
0,489 / 99,4
0,832 / 100
0,558 / 100
0,838 / 100,7
0,569 / 102,0
0,829 / 99,7
0,554 / 99,3
Изменения показателей формы ствола по мелким и крупным моделям в
целом также соответствуют контрольным.
Таким образом, действительный относительный сбег ствола,
коэффициенты и классы формы у деревьев ели на секциях с регулярным
уходом в ельниках черничном и кисличном в целом практически не отличаются
от контроля или даже имеют тенденцию к улучшению. Последнее в большей
степени проявляется в варианте с комплексным уходом в ельнике черничном, и
на разреженной секции в ельнике кисличном. По-видимому, в более богатых
условиях
местообитания
внесение
удобрений
оказывает
меньшее
положительное последействие на сбежистость ствола, чем на более бедных
почвах.
Полнодревесность крупных деревьев, как правило, несколько снижена на
экспериментальных секциях обоих участков (табл. 5).
Таблица 5
Полнодревесность стволов ели спустя 30 лет с начала опыта
(видовое число / процент к контролю)
Вид.
число
старое
Модели
круп.
сред.
мелк.
среднее по
10 моделям
нокруп.
вое
сред.
мелк.
среднее по
10 моделям
контроль
ПП-10
ПП-11
0,519/100 0,530/100
0,549/100 0,526/100
0,556/100 0,588/100
0,544/100 0,539/100
Вариант опыта
рубка ухода
комплексный уход
ПП-10
ПП-11
ПП-10
ПП-11
0,540/104,0 0,527/99,4
0,510/98,3 0,534/100,8
0,546/99,5 0,565 /107 0,545/ 99,3 0,524 / 99,6
0,596/107,2 0,574/97,6 0,590/106,1 0,589/100,2
0,555/102,0 0,559/103,7 0,547/100,6 539/100,0
0,601/100
0,571/100
0,576/100
0,578/100
0,565/94,0
0,577/101,1
0,611/106,1
0,581/100,6
0,591/100
0,592/100
0,610/100
0,595/100
0,584/98,8
0,571/95,0 0,587/99,3
0,606/102,4 0,578/101,2 0,586 / 99,0
0,600/98,4 0,627/108,9 0,614/100,7
0,600/100,9 0,586/101,4 0,592/99,5
13
Напротив, видовые числа мелких стволов в среднем на 6-9% выше, чем
на контроле. Деревья средней ступени толщины на экспериментальных секциях
обоих участков по видовым числам близки к контролю. То же относится к
средней величине показателей полнодревесности по всем 10 модельным
деревьям. В большинстве случаев отклонения находятся в пределах + 1%.
На секциях с уходом толщина коры у деревьев разной толщины выше в
черничнике по сравнению с кисличником (у средних деревьев – на 17-18 %,
хотя и эти различия недостоверны) – табл. 6. При сильном разреживании
в ельнике-черничнике толщина коры возрастает на обеих опытных секциях
относительно контроля, причем сильнее всего у мелких деревьев (на 39-45%), а
меньше всего у крупных (на 4-21 %). Деревья средней ступени толщины
занимают
среднее
положение
(18-24 %; но это увеличение также
статистически недостоверно). Таким образом, наблюдается тенденция к
своеобразному “выравниванию” толщины коры у деревьев разной крупности
при проведении ухода за лесом. Наиболее толстая кора характерна для секции с
комплексным уходом.
Таблица 6
Толщина коры и протяженность живой кроны деревьев ели спустя 30 лет
с начала опыта (показатель / процент к контролю)
Модели
контроль
ПП-10
ПП-11
крупные
средние
мелкие
среднее по
10 моделям
крупные
средние
мелкие
среднее по
10 моделям
Вариант опыта
рубка ухода
ПП-10
ПП-11
толщина коры, мм
4,81 / 104,1 4,18 / 88,0
4,44 / 117,8 3,78 / 112,2
3,64 / 138,9 2,96 / 94,3
4,35/117,4
3,72/103,4
комплексный уход
ПП-10
ПП-11
4,62 / 100
3,77 / 100
2,62 /100
3,71/100
4,75 / 100
3,37 / 100
3,14 / 100
3,60/100
5,59 / 121,0
4,67 / 123,9
3,80 / 145,0
4,68/126,1
56,5 /100
44,4 /100
36,0 / 100
45,1/100
протяженность живой части кроны, % к длине ствола
49,0 / 100 51,0 / 90
47,0 / 96
56,5 / 100
40,3 / 100 52,7 / 119
49,2 / 122
55,5 / 125
40,5 / 100 39,0 / 108
42,5 / 105
40,5 / 113
41,9/100
49,6/110,0
47,4/113,2
52,7/116,9
4,51 / 94,9
3,97 / 117,8
3,46 / 110,2
3,98/110,6
48,5 / 99
44,2 / 110
43,0 / 106
44,8/107,0
При относительно слабом разреживании древостоя (ельник кисличный)
толщина коры возрастает в значительно меньшей степени по сравнению с
контролем. У крупных стволов даже имеется тенденция к ее снижению. Однако
и в этом случае более толстая кора наблюдается в варианте с комплексным
уходом по сравнению с разреженным вариантом без удобрения. Средние
величины по 10 моделям на обоих объектах в целом близки и по абсолютным, и
по относительным значениям к средним по 6 моделям.
14
Протяженность живой кроны на контрольных секциях растет от мелких
деревьев к крупным (см. табл. 6). На секциях с уходом средние деревья
увеличивают длину кроны, но достоверно (на 19-25%) – лишь при сильном
разреживании в ельнике черничном. Здесь также 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. У крупных
деревьев при разреживании протяженность кроны остается на уровне контроля
или несколько снижена. Показатели средних величин по 6 и 10 моделям в
общем близки.
Увеличение толщины коры и протяженности живой части кроны является
реакцией древостоя на разреживание, что сопряжено с изменением
микроклимата и условий среды. Увеличивается разность экстремальных
температур на поверхности стволов – более толстая кора обеспечивает защиту
камбия. Разреживание создает лучшие условия для освещенности крон,
включая и их нижние части – протяженность крон возрастает. Изменения в
горизонтальной структуре древостоя, связанные с его разреживанием,
компенсируются “подвижками” в вертикальной структуре кроновой фитомассы
(увеличение протяженности крон). Удобрение в большей мере способствует
повышению продуктивности фотосинтеза за счет увеличения объема крон на
секциях с комплексным уходом.
4. ПЛОТНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ ЕЛИ НА РАЗРЕЖЕННЫХ
И УДОБРЕННЫХ УЧАСТКАХ
Результаты статистической обработки данных по базисной плотности
древесины отдельных деревьев ели показали, что точность опыта в большинстве
случаев составляет 1-2 %, коэффициент вариации – 2-5 %. Различия между
контролем и опытными секциями недостоверны на 5-процентном уровне. Тем не
менее прослеживается тенденция к увеличению плотности на экспериментальных
секциях по сравнению с контрольной на обоих участках. По 6 средним моделям это
увеличение составило 0,8-3,7 %, по 10 моделям – 1,6-2,8 %.
Для более точного определения средней плотности древесины насаждений,
после установления средней плотности деревьев каждой категории – крупных,
средних и мелких – среднюю плотность древесины насаждений рассчитывают как
средневзвешенную по запасам соответствующих категорий (Полубояринов, 1976).
Средневзвешенная плотность в каждой из секций была принята нами за 100% .
Плотность древесины, определенная по шести средним моделям, несколько
больше отличается от средневзвешенной, чем плотность, определенная по десяти
моделям (табл. 7). В первом случае отклонения составляют –1,7 +3,3 %, во
втором 0 +2 %.
В опытных вариантах обоих участков увеличивается амплитуда колебаний
плотности древесины отдельных деревьев. По-видимому, решающее влияние на
варьирование плотности оказывает ветровая нагрузка, усиливающаяся в отношении
отдельных деревьев, которые вынуждены создавать необходимую прочность
15
ствола за счет увеличения плотности древесины. С другой стороны, деревья,
находящиеся в сравнительно комфортных (в отношении ветра) условиях,
формируют большую по протяженности и низкоопущенную крону, которая
способствует более активному нарастанию ширины годичных слоев, равномерному
распределению плотности вдоль ствола и в целом ее снижению.
Таблица 7
Сравнение плотности, определенной различными способами, по вариантам опыта
Номер
пр.
пл.
10-1
10-2
10-3
мелк.
контроль
29
рубка ухода
22
компл. уход
23
11-1
11-2
11-3
контроль
рубка ухода
компл. уход
Вариант
Запас древесины ели
разной крупности, %
30
23
21
сред. крупн.
24
47
25
53
25
52
22
27
25
48
50
54
Средневзвешенная
плотность
кг/м3
%
396
100
400
100
402
100
Средняя плотность по 6 моделям
кг/м3
%
392
99,0
403
100,8
395
98,3
394
399
401
397
412
402
100
100
100
100,8
103,3
100,2
Средняя плотность по 10
моделям
кг/м3
%
396
100,0
403
100,8
402
100,0
396
407
404
100,5
102,0
100,7
В целом изменчивость плотности древесины надо рассматривать, исходя из
стабильности средней плотности в разных вариантах опыта (см. табл. 7). Повидимому, это адаптивная реакция на внутриструктурную перестройку, связанную
в большей мере с разреживанием, чем с внесением удобрений. После проведения
рубки ухода ослабляется внутривидовая конкуренция, расширяется экологическая
ниша, соответственно усиливается вариабельность показателей, поскольку
создается больше условий для разнородности в популяции (Мельников, 1999).
При рассмотрении изменений плотности в продольном направлении ствола, в
ельнике черничном обнаруживается падение плотности древесины в нижней
половине ствола в направлении к его середине (0,4-0,6Н), а затем возрастание
плотности к вершине (рис. 2). При этом нижняя половина ствола на секциях с
уходом имеет в среднем более высокую плотность по сравнению с контролем –
по-видимому, вследствие необходимости усиления ветроустойчивости. Верхняя
часть ствола на секции с комплексным уходом имеет плотность, несколько
сниженную по отношению к контролю, тогда как на секции с разреживанием
наблюдается заметное увеличение плотности. Наименьшие различия плотности
между секциями наблюдаются на уровне пня и на середине ствола, наибольшие – в
нижней половине ствола (0,1-0,3Н), а также в верхней части кроны (0,7-0,9Н).
В ельнике кисличном выявляется отчетливая тенденция возрастания
плотности в вариантах с уходом на всех высотах ствола, за исключением его
основания, где происходит наибольшее увеличение ширины годичных колец.
Таким образом, на участках как разреженных, так и удобренных ельников,
различающихся по богатству условий местопроизрастания, составу древостоев,
интенсивности разреживаний, выявлена общая тенденция к увеличению плотности
древесины по сравнению с контролем.
базисная плотность, кг/м3
16
440
420
400
380
0
0,1
0,2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
440
420
400
380
контроль
0,3
0,4
0,5
0,6
относительная высота
рубка ухода
0,7
0,8
0,9
комплексный уход
Рис. 2. Распределение плотности древесины в продольном направлении
ствола в ельнике кисличном (вверху) и ельнике черничном (внизу), среднее
по 10 модельным деревьям
По-видимому, одной из важнейших причин такого результата является возраст
начала ухода за лесом. Разреживания, проводимые в молодом древостое, приводят
к увеличению процента ранней древесины и, как следствие, к уменьшению
плотности в последующие годы. В средневозрастных древостоях ускоренный
прирост, следующий за разреживанием, осуществляется на основе более
равномерного баланса между ранней и поздней древесиной, что может привести к
некоторому увеличению плотности (Полубояринов, 1976). В наших исследованиях
также выявлена тенденция к повышению доля поздней древесины на
экспериментальных секциях, при одновременном увеличении ширины годичных
слоев.
Эффективность лесохозяйственных мероприятий невозможно достаточно
точно
определить
объемными
показателями
прироста
древесины
(Полубояринов, 1976). Все более необходимым становится определение
содержания сухого вещества в древостое на основе базисной плотности
древесины.
В табл. 8 приведен расчет содержания стволового древесинного вещества в
абсолютно сухом виде по данным базисной плотности, на момент последней
таксации (2003-2004 гг.). Для ели расчет проведен по категориям крупности
деревьев в различных вариантах опыта. В категорию средних деревьев условно
включены деревья из средней ступени толщины. Остальные категории образованы
деревьями из нижних и верхних ступеней по отношению к средней. В таблице
17
также представлены данные по изъятой древесине и по отпаду за 30 лет. Для
плотности древесины сосны, березы и осины приведены литературные данные.
Общее содержание сухого вещества (с учетом промежуточного пользования и
отпада) в ельнике черничном на всех вариантах опыта составляет примерно
одинаковую величину. Лишь на разреженной секции оно несколько ниже, повидимому, вследствие некоторого “переруба” (итоговая полнота 0,65). Однако на
секциях с уходом в значительно большей мере представлены запасы сухого
вещества ели – породы, за которой и проводился уход. Это явилось результатом
уменьшения доли ели в общем запасе на контрольной секции, а также
стабилизации плотности древесины ели на уровне контроля.
На разреженной секции в ельнике черничном сухая масса древесины ели
больше контроля на 16 %, а на удобренной – на 29 %. По сравнению с разреженным
вариантом, запасы сухого вещества ели на удобренной секции выше на 11 %.
Кроме того, за два приема рубок ухода на секциях с уходом получено
дополнительно от 113 до 137 куб. м на 1 га древесины (преимущественно еловой).
Таблица 8
Содержание сухого вещества стволовой древесины по вариантам опыта
Порода
Е
С
Ос
Б
Е
Б
Категория
деревьев
Запас, м3/га
Базисная плотность,
Содержание сухого
кг/м3
вещества, т/га
К
РУ
КУ
К
РУ
КУ
К
РУ
КУ
ельник черничник, 70 лет, II класс бонитета
крупные
130
170
183
384
381
391
50
65
72
средние
66
80
88
392
403
395
26
32
35
мелкие
80
70
81
419
442
435
34
31
35
итого Е
276
320
352
110
128
142
35
400
400
400
14
78
375
29
43
490
490
21
итого
433
320
352
174
128
142
отпад+рубка 123
84+113 65+137 385
385
385
46
76
78
всего
556
517
554
222
204
220
ельник кисличник, 70 лет, Iа класс бонитета
крупные
224
188
257
389
385
389
87
72
91
средние
103
101
119
397
412
402
41
42
48
мелкие
140
87
100
399
414
425
56
36
43
итого Е
467
376
476
184
150
182
96
155
74
490
490
490
47
76
36
итого
563
531
550
231
226
218
отпад+рубка 241
74+176 71+267 385
385
385
93
96
130
всего
804
781
888
324
322
348
Примечание. К – контроль, РУ – рубка ухода, КУ – комплексный уход.
В ельнике кисличном запасы сухого вещества ели в удобренном варианте
практически одинаковы с контролем. По сравнению с разреженной секцией
содержание сухого вещества ели на удобренном варианте, с учетом
18
первоначальной разницы в запасах и последующего уменьшения доли ели, выше на
10 %. При этом так же, как и в ельнике черничном, на опытных секциях лучше
качество древесных стволов, и за три приема рубок ухода (за 20 лет) получено
дополнительно еловой древесины от 176 до 267 куб. м на 1 га.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Положительное влияние азотного удобрения, внесенного неоднократно
в течение 10-12 лет в разреженный ельник, проявляется затем и через двадцать,
и через тридцать лет после начала ухода. Абсолютная прибавка прироста за
счет внесения удобрений в ельниках черничном и кисличном составила за
тридцать лет соответственно 56 и 72 м3/га.
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. Несмотря на стимулирующее влияние удобрений на
продуктивность, главным остается сохранение структуры древостоя и усиление
функции его устойчивости.
3. Разреживание древостоя в наибольшей степени увеличивает радиальный
прирост ствола на уровне пня, что свидетельствует об усилении корневой
системы и общем укреплении основания ствола в результате пластической
реакции деревьев на изменение густоты, площади питания, условий для
развития кроны. Направление этой реакции – освоение свободных ресурсов, а
также усиление ветроустойчивости. Стимулирующее действие удобрения на
ассимиляционный аппарат деревьев проявляется относительно большим
повышением радиального прироста в средней и верхней, кроновой части
ствола, и относительно меньшим – в его нижней части.
4. 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. При сильном разреживании происходит перераспределение прироста
между деревьями разного рангового положения. Крупные деревья в основном
повышают свою ветроустойчивость, остальные – прирост стволовой древесины.
5. Коэффициенты и классы формы у деревьев ели на секциях с регулярным
уходом 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.
6. 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
19
обеспечивает защиту камбия. Разреживание создает лучшие условия для
освещенности крон, поэтому протяженность крон возрастает. Изменения в
кроновом пространстве, т.е. в горизонтальной структуре древостоя, связанные с
его разреживанием, компенсируются изменениями в вертикальной структуре
кроновой фитомассы (увеличение протяженности крон). Удобрение в еще
большей мере способствует повышению продуктивности фотосинтеза путем
увеличения объема крон.
7. Различия средних величин плотности древесины на контрольных и
опытных секциях недостоверны на 5-процентном уровне. Выявлена тенденция
к увеличению плотности на секциях с уходом. Сохранение стабильности
плотности в разных вариантах опыта – это внутриструктурная перестройка в
древостое, связанная в большей мере с разреживанием, чем с внесением
удобрений. Но комплексный уход создает более комфортные условия для
ускорения восстановительных процессов.
8. Распределение плотности вдоль ствола дерева в экспериментальных
вариантах в целом характеризуется тенденцией к возрастанию плотности
древесины ели на всех высотах. В результате проведения рубок ухода и внесения
удобрений увеличивается ширина годичных колец, но одновременно
прослеживается стабилизация доли поздней древесины. По-видимому, это является
одной из важнейших причин сохранения плотности древесины на уровне контроля.
9. При проведении комплексного ухода в смешанных елово-лиственных
древостоях в типе леса ельник черничник на разреженной секции сухая масса
древесины ели возросла за 30 лет по сравнению с контролем на 16 %, а на
удобренной – на 29 %. По сравнению с разреженным вариантом без внесения
удобрений запасы сухого вещества ели выше на 11 %. Кроме того, за два приема
рубок ухода получено дополнительно от 113 (секция с разреживанием) до 137
(секция с комплексным уходом) куб. м на 1 га преимущественно еловой древесины.
В ельнике кисличном запасы сухого вещества ели в варианте с комплексным
уходом за 30 лет опыта достигли уровня контроля. По сравнению с разреженной
секцией содержание сухого вещества ели выше на 10 %. При этом так же, как и в
ельнике черничном, на секциях с уходом лучше качество древесных стволов:
меньше мелких деревьев, практически отсутствуют деревья с пороками ствола. За
три приема рубок ухода получено дополнительно еловой древесины от 176 (секция
с разреживанием) до 267 (секция с комплексным уходом) куб. м на 1 га.
10. В результате проведенных исследований выявлено преимущество
комплексного
ухода
перед
разреживанием.
Удобрение
ускоряет
восстановительные процессы в разреженном древостое и формирует 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
20
ценной товарной продукции на основе комплексного ухода, что делает его
необходимым элементом системы ускоренного целевого лесовыращивания.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
1. Смирнов А.А. Результаты внесения азотного удобрения в почву
разреженного ельника-черничника // Человек и почва в XXI веке: тез. докл.
Всероссийской конференции “VII Докучаевские молодежные чтения”. СПб,
2004. С. 121-122.
2. Смирнов А.А. Влияние комплексного ухода на форму ствола и
плотность еловой древесины // Строение, свойства и качество древесины –
2004: Тр.IV Международного симпозиума. СПб, 2004. С. 131-133.
3. Смирнов А.А. Влияние комплексного ухода на прирост запаса, форму
ствола и плотность древесины в ельнике-черничнике // Сб. докладов молодых
ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской
лесотехнической академии. Вып. 8. СПб, 2004. С. 53-56.
4. Мельников Е.С., Смирнов А.А. Структурные изменения в еловых
древостоях под влиянием комплексного ухода // Мелиорация, ведение лесного
хозяйства и лесопользование. М-лы Всероссийского симпозиума. – СПб, 2006.
С. 202-205.
5. Мельников Е.С., Смирнов А.А. Влияние комплексного ухода на
качество древесины высокопродуктивных ельников // Лесн. журнал, 2006, № 4.
С. 89-99.
6. Смирнов А.А. Изменение формы ствола, толщины коры и
протяженности живой кроны ели под влиянием комплексного ухода // Научнотехнический прогресс в лесном хозяйстве, охране природы и ландшафтном
строительстве. Сб. статей по итогам НИР. Вып. 2. СПб: СПбГЛТА, 2007. С.
116-122.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями
просьба направлять по адресу: 163002, Архангельск, наб. Северной Двины, 17,
Архангельский государственный технический университет, Ученый совет.
СМИРНОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
АВТОРЕФЕРАТ