Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

лесоводственные основы целевого выращивания сосновых насаждений в южной подзоне тайги европейской части россии

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

Степаненко Ирина Ивановна

Архангельск - 2009

1. общая характеристика работы

Актуальность темы определяется возрастающей потребностью в деловой древесине сосны высокого качества. Наиболее остро эта потребность проявляется в освоенных лесах с развитой инфраструктурой, для которых, как правило, характерно снижение их продуктивности. Для обеспечения предприятий лесного комплекса деловой древесиной, прежде всего наиболее востребованным и рентабельным пиловочным сортиментом (далее пиловочником), необходимо решение проблем целевого выращивания леса сырьевого назначения и повышения его продуктивности с использованием эффективных приемов. К ним относятся применение интенсивных методов лесовыращивания с внесением минеральных удобрений и совершенствование устойчивого лесопользования путем формирования целевых хозяйств по выращиванию определенного сортимента с конкретным оборотом рубки.

Они обеспечивают высокие лесоводственную и экономическую эффективности. Имеющаяся информация по данным направлениям относится, в основном, к лесосырьевым плантациям (ЛСП), и крайне мало исследований по естественным лесным насаждениям и лесным культурам, преобладающим в лесном фонде России. Хотя, как показывает научный и практический опыт, они являются потенциальным эффективным источником ускоренного получения деловой древесины. До настоящего времени указанные направления не изучены с позиции единой лесоводственной системы по ускоренному выращиванию целевых сортиментов и устойчивому пользованию лесными ресурсами на этапе сформировавшегося типа леса.

Нет научной концепции, теоретической и методологической базы по применению минеральных удобрений в приспевающих и спелых сосняках для выращивания деловой древесины, в том числе пиловочника, с оптимальными для большинства ее потребителей показателями анатомического строения и физико-механических свойств. Актуальность работы заключается в необходимости обобщения вопросов теории и практики выращивания продуктивных сосновых насаждений для получения деловой древесины с заданными качественными характеристиками путем внесения минеральных удобрений и формирования целевых хозяйств с дальнейшем их развитием для разработки и совершенствования систем целевого лесовыращивания и лесопользования при ведении интенсивного лесного хозяйства. Эти системы позволят повысить продуктивность лесов, увеличить размер лесопользования и обеспечить предприятия лесного комплекса деловой древесиной сосны с определенными качественными характеристиками.

Цели и задачи исследований. Основная цель исследований - теоретическое, практическое обоснование и развитие целевого выращивания сосновых насаждений сырьевого назначения для повышения их продуктивности и получения древесины высокого качества на основе выявленных природных закономерностей, применения в лесном хозяйстве интенсивных методов с внесением минеральных удобрений и совершенствования устойчивого лесопользования путем создания целевых хозяйств в южной подзоне тайги европейской части России на примере сосняков Унженской низменности.

Для достижения поставленной цели программой исследований решались следующие задачи:

1. Анализ современного состояния сосновых фитоценозов в преобладающих типах леса южной подзоны тайги европейской части России.

2. Лесоводственное обоснование и оценка опыта интенсивного лесовыращивания с применением минеральных удобрений.

3. Совершенствование лесопользования путем создания целевых хозяйств.

4. Разработка научной концепции, теоретической, методологической основ и практических рекомендаций по целевому выращиванию и повышению продуктивности сосновых насаждений для получения деловой древесины высокого качества с применением минеральных удобрений.

Теоретическая значимость и научная новизна исследований. Сформулирована и обоснована научная концепция целевого выращивания и повышения продуктивности сосновых насаждений сырьевого назначения на этапе сформировавшегося типа леса с использованием минеральных удобрений. На ее основе решается проблема ускоренного выращивания деловой древесины высокого качества в естественных приспевающих и спелых сосновых насаждениях, произрастающих в условиях южной подзоны тайги европейской части России. В концепции представлены закономерности влияния минеральных удобрений на основные компоненты лесных фитоценозов и их динамику (лесную почву, живой напочвенный покров, подлесок, самосев, подрост, древостой); на текущий прирост древостоев, макро-, микроструктуру и физико-механические свойства древесины сосны в связи с лесоводственными факторами: типами леса, классами роста и размерами крон деревьев; регламентами применения туков: видами, дозами, повторностью внесения. Показаны положительное и отрицательное действие удобрений на лесные фитоценозы и строение древесины сосны.

Разработаны теоретические положения применения удобрений при выращивании сосновых насаждений сырьевого назначения на основе динамической типологии леса, отдельного этапа сформировавшегося типа леса. Они опираются на системный подход, закономерности природных процессов, структурно-функциональные связи, зависимости и свойства лесных фитоценозов. Разработан метод целевого выращивания сосновых насаждений для ускоренного получения деловой древесины с применением минеральных удобрений. Предложены критерии оценки качества древесины сосны, получаемой в результате интенсивного лесовыращивания. Впервые рассчитаны математические модели прогноза влияния азотных удобрений на макроструктуру древесины сосны. Для ведения интенсивного лесного хозяйства в сосновых насаждениях разработаны системы лесоводственных мероприятий по формированию целевых хозяйств по выращиванию пиловочника и применению минеральных удобрений.

Дана оценка современного состояния лесов региона и процессов естественного возобновления под пологом сосновых насаждений. Изучено строение древесины сосны за период жизни древостоев в сосняках преобладающих типов леса. Разработанные теоретические положения и научное обоснование с лесоводственной позиции целевого выращивания сосновых насаждений сырьевого назначения позволят: повысить продуктивность лесов, размер лесопользования за счет сокращения срока выращивания леса на десять лет, увеличить запас деловой древесины, выход пиловочника и других целевых сортиментов с оптимальными качественными показателями древесины сосны, обеспечить быстрые и высокие биологическую и экономическую эффективности при наименьших производственных затратах.

На защиту выносятся:

1. Выявленные закономерности процессов естественного возобновления леса; формирования древесины за период жизни древостоев; влияния минеральных удобрений на лесные фитоценозы, их основные компоненты; на текущий прирост древостоев, макро-, микроструктуру и физико-механические свойства древесины сосны в преобладающих типах леса южной подзоны тайги европейской части России.

2. Лесоводственное обоснование целевого выращивания леса для получения деловой древесины в результате применения интенсивных методов лесовыращивания с внесением минеральных удобрений и совершенствования устойчивого лесопользования путем формирования целевых хозяйств.

3. Научно обоснованная концепция целевого выращивания и повышения продуктивности сосновых насаждений сырьевого назначения на этапе сформировавшегося типа леса для получения деловой древесины, в том числе пиловочника, с заданными качественными характеристиками древесины с использованием минеральных удобрений .

4.Теоретические положения, методические и практические рекомендации по применению минеральных удобрений и формированию целевых хозяйств для ускоренного выращивания высокопродуктивности сосновых насаждений сырьевого назначения в южной подзоне тайги европейской части России на примере сосняков Унженской низменности.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Разработаны научно-методологические основы целевого выращивания деловой древесины сосны высокого качества путем повышения эффективности применения минеральных удобрений при уходе за лесом в приспевающих и спелых сосновых насаждениях и формирования целевых хозяйств. На основании проведенных исследований сделаны выводы и разработаны практические рекомендации по целевому выращиванию и повышению продуктивности сосновых насаждений сырьевого назначения путем создания целевых хозяйств и внесения минеральных удобрений.

В сосняках основных типов леса южной подзоны тайги Унженской низменности определены региональные показатели, характеризующие качество древесины по её макро-, микроструктуре, физическим и механическим свойствам. Разработаны рекомендации по целевому выращиванию сосновых насаждений с применением минеральных удобрений для получения деловой древесины и пиловочника высокого качества с определенными показателями макро- и микроструктуры. Усовершенствована технология внесения минеральных удобрений на лесные объекты с помощью вертолетов, отвечающая требованиям охраны природы.

Полученные результаты исследований позволят: увеличить выход деловой древесины, пиловочника и других целевых сортиментов на 9…12 %, сократить срок их выращивания на десять лет по сравнению с контрольными (неудобренными) древостоями; обеспечить оптимальные показатели качества древесины (анатомического строения и физико-механических свойств), отвечающие требованиям потребителей; повысить эффективность применения удобрений в лесных насаждениях. Предлагаемые рекомендации могут применяться лесопользователями на арендованных участках лесного фонда в сосновых насаждениях при организации целевых хозяйств и хозяйственных секций по ускоренному выращиванию пиловочника и других целевых сортиментов. Положения диссертации используются в учебных курсах «Лесоведение» и «Лесоводство» для студентов лесного факультета Московского государственного университета леса. Результаты исследований заложены в основу практических рекомендаций, которые прошли опытно-производственную проверку при непосредственном участии автора и внедрены в производстве.

Личный вклад. Определено научное направление, разработаны программа и методика исследований, проведены полевые работы, лабораторные опыты. Выполнена аналитическая обработка экспериментального материала с использованием математических и статистических методов, его обобщение, теоретическое и практическое обоснование. Разработана научная концепция целевого выращивания сосновых насаждений, в которую включен ряд новых принципиальных положений, существенно дополнивших знания по применению удобрений в лесных насаждениях. Разработаны практические рекомендации, осуществлено их внедрение на лесохозяйственных предприятиях.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и докладывались на международной научно-технической конференции «Достижения науки и техники в области ресурсосбережения и экологии» (Гомель, 1989), конференции «Интенсификация лесного хозяйства в Западном регионе СССР» (Гомель, 1990), симпозиуме Координационного совета по современным проблемам древесиноведения (Москва, 1990), Второй Всесоюзной научно-технической конференции «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (Москва, 1991), совещании Координационного совета по проблемам древесиноведения (Петрозаводск, 1992), международной конференции «Экология таежных массивов» (Сыктывкар, 1998), международных симпозиумах «Строение, свойства и качество древесины» (Петрозаводск, 2000; С.-Петербург, 2004), Всероссийском совещании «Дендрохронология: достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), международной научной конференции по проблемам лесоведения и лесоводства, посвященной 100-летию со дня рождения И. С. Мелехова (Москва, 2005), ежегодных научно-технических конференциях МГУЛ (1987-2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, в том числе 16 по перечню ВАК.

2. Целевое выращивание лесов сырьевого назначения и пользование ими

Целевое выращивание лесов сырьевого назначения для получения древесины заданного строения, свойств и качества с определением, созданием для этого оптимальных условий и применением различных лесохозяйственных приемов является актуальной проблемой лесоводства, вызывающей к ней научный и практический интерес. Впервые эта проблема была поставлена и обоснована в России И.С. Мелеховым (1932, 1934). Решение её анатомических аспектов раскрыто в ряде работ отечественных и зарубежных ученых (Вихров, 1949, 1954; Косиченко, 2000, 2004; Мелехов, 1932, 1934, 1949, 1954; Мелехов, Бабич, Корчагов, 2003, 2005; Москалева 1976, 1984, 1990; Полубояринов, 1974, 1979, 1991; Серый, 1980; Сляднев, 1971, 1972; Чавчавадзе, 1979; Чибисов, 1968, 1994, 2005; Ширнин, 1990, 2004; Яценко-Хмелевский, 1954, 1961; Baas, 1976, 1982; Burley, 1963, 1982; Ewers, 1985; Klem, 1967, 1968, 1972; Polge, 1985; Zobel, 1961,1981 и др.).

В настоящее время выращивание леса для получения древесины заданного качества с применением лесохозяйственных приемов, в том числе минеральных удобрений, является перспективным направлением. Это вызвано двумя причинами. Первая причина - возрастание спроса на хвойную деловую древесину рентабельных сортиментов - пиловочник и балансы. Пиловочник высокого качества - наиболее универсальный лесоматериал, удовлетворяющий требования разных потребителей древесины. Вторая причина - снижение продуктивности эксплуатационных лесов в результате интенсивных рубок (Гиряев, 2003; Исаев, 2003; Мелехов, 1989; Моисеев, 2004; Писаренко, Страхов, 2004; Шутов, 2008). Дефицит хвойной деловой древесины, в первую очередь пиловочника, наиболее остро проявляется в освоенных лесах, в которых продолжается их интенсивная эксплуатация, развиты транспортные пути, инфраструктура, сосредоточены предприятия по переработки древесины (Гиряев, 2003; Мелехов, 1989; Моисеев, 2003, 2008; Шутов, 2008).

Одним из наиболее эффективных и быстрых приемов повышения продуктивности и целевого выращивания леса является применение минеральных удобрений. Они оказывают комплексное воздействие на лесные биогеоценозы, повышают древесную, биологическую, экологическую продуктивности лесных насаждений. Удобрения способствуют улучшению роста древостоев в лесных насаждениях и на ЛСП, получению значительных запасов древесины, сокращению оборота рубки (Бузыкин, 1983; Паавилайнен, 1983; Победов, 1981, 1984, Цветков, Сизов, 1986; Штукин, 1988; Шумаков, 1971, 1977; Шутов и др., 1984; Cregg, 1988; Steinbeck, 1971 и др). Они увеличивают биомассу нижних ярусов леса, особенно живого напочвенного покрова (Валк, 1986; Луганский, 1994; Мельников, 1999; Пшеничникова, 1986 и др.); способствуют ускоренному разложению лесной подстилки и интенсификации биологического круговорота веществ (Кореньков, 1973; Луганский, 1994; Мельников, 1999; Орфанитская, Шестакова, 1973 и др.). Туки повышают устойчивость, улучшают рост и состояние лесных насаждений, ослабленных в результате неблагоприятных природных и антропогенных воздействий (Гримальский,1986; Паавилайнен,1983; Панкратова, Цветков, 1986; Цареградская, Аршинова, 1987; Derom, 1990 и др.). Целесообразность использования удобрений в лесу определяется их рентабельностью. Наиболее рентабельно и перспективно применение туков при целевом выращивании древостоев для получения деловой древесины заданных сортиментов и строения на лесосырьевых плантациях и в приспевающих и спелых насаждениях за 5…15 лет до рубки главного пользования (Доценко, 1975; Ковалев, 1986; Козубов, Бобкова, 1990; Победов, 1975; Победов, Булавик и др.,1986; Якас, 1974; Fight, 1990; Ondro, 1990; Steinbeck, 1971).

Как показывает опыт, использование удобрений в лесу является безопасным мероприятием для окружающей среды при учете физиологической потребности растений в питательных веществах, плодородии почвы; климатических условий; соблюдении технологических требований при внесении туков (Воронкова, 1986, 1989; Паавилайнен, 1983; Победов и др.1982; Смольянинов, 1978; Niemann, 1975 и др.).

Обзор литературных источников показывает, что по проблеме применения удобрений в лесу недостаточно исследованы вопросы: целевой направленности использования туков; их комплексного воздействия на компоненты лесных фитоценозов, процессы возобновления леса; экономической эффективности; повторности, способов внесения туков. Влияние удобрений на лесные насаждения не рассматривалось с позиции динамической типологии леса, по этапам его формирования. Нет теоретической базы по применению удобрений при выращивании высокопродуктивных насаждений на этапе сформировавшегося типа леса (в возрасте приспевания и спелости древостоев) для получения древесины высокого качества.

Влияние удобрений на строение древесины сосны с позиции целевого лесовыращивания наиболее полно изучено в молодых и средневозрастных лесных плантациях и лесных культурах (Вярбила, 1983; Гелес, Шубин, Коржицкая, 1986, 1987; Левкина, 1984; Матюшкина, Коржицкая, 1986, 1987; Сляднев, 1971, 1972; Anderson, 1978; Dutilleul, 1998; Guo, 2005; Jozsa, Brix 1989; Klem, 1968; Lackner, 1990; Senft et al., 1985; Smith et al., 1978; Zobel, 1981 и др.). В меньшей степени вопрос изучен в приспевающих и спелых сосняках (Годовалов, 1979; Звирбуль, Некрасова, Полубояринов, 1976; Кищенко, 1985; Меле, 1974; Паршевников, Серый, Хабарова, 1976; Серый, 1980; Ярунов, 1979, 1986; Kao Hsu, 1975; Makinen, 1992; Polge, 1985; Von Lear, 1973; Yang, 1988 и др.). В результате анализов научных источников установлено влияние удобрений на строение древесины сосны в зависимости от регламентов их применения, экологических, лесоводственных факторов. Однако на все вопросы строения, свойств и качества древесины, удобренных древостоев изучены достаточно полно. Имеется много противоречий относительно характера изменений структуры и качества древесины. Во многих исследованиях не учитывались типы леса, возраст, классы роста деревьев и другие факторы. Остается нерешенным вопрос оценки качества древесины, получаемой в результате интенсивного лесовыращивания, в зависимости от её целевого назначения и требований потребителей.

Эффективный прием повышения продуктивности леса - рациональное, устойчивое лесопользование (Гиряев, 2003, Мелехов, 1972, 1973, 1989; Моисеев, 2004, 2007). Организация целевых хозяйств по выращиванию определенного сортимента с конкретным оборотом рубки является объектом оптимизации лесопользования, перспективным методом повышения продуктивности леса и целевого лесовыращивания на арендованных участках лесного фонда (Гиряев, 2003, 2004; Шутов и др., 1984, 2008). Обзор научных исследований по данной проблеме показывает, что в отечественном лесоводстве недостаточно проработаны её практические и методические аспекты с учетом конкретных природных и экономических условий. Необходим комплексный системный подход для изучения в единстве целевых лесовыращивания и лесопользования для их широкого применения в практике лесного хозяйства.

В результате анализа состояния вопроса по проблеме целевого выращивания леса была определена цель и сформулированы задачи исследования.

3. Программа, методика, объем исследований

Программа исследований включает:

1. Изучение процессов возобновления лесообразующих пород, строения и формирования древесины сосны за период жизни древостоев в естественных сосновых насаждениях в наиболее представленных типах леса южной подзоны тайги европейской части России.

2. Оценку влияния минеральных удобрений на главные компоненты лесных фитоценозов и их динамику в преобладающих типах леса: лесную почву, живой напочвенный покров, подлесок, самосев, подрост, древостой, с учетом регламентов применения туков (видов, доз, повторности их внесения), почвенных, климатических, лесоводственных факторов.

3. Исследования влияния лесоводственных факторов: типов леса, возраста древостоев, классов роста, размеров крон деревьев; регламентов применения туков: видов, доз, повторности внесения на показатели макроструктуры древесины: ширину годичных слоев, процент поздней древесины в годичных слоях сосны, количество годичных слоев в 1 см; текущие приросты радиальный и по запасу.

4. Разработку математических моделей прогнозах влияния минеральных удобрений на макроструктуру древесины сосны.

5. Определение действия удобрений на микроструктуру древесины сосны: толщину стенок, диаметры и длину трахеид.

6. Оценку физико-механических свойств древесины сосны в связи с типами леса и применением минеральных удобрений.

7. Разработку системы мероприятий по формированию целевых хозяйств по выращиванию пиловочника сосны.

8. Совершенствование авиационной технологии внесения минеральных удобрений в лесные насаждения с помощью вертолетов Ка-26 и Ми-2, отвечающей природоохранным требованиям.

9. Оценку экономической эффективности применения минеральных удобрений в связи с их регламентами (видом, дозой, повторностью, способом внесения), продолжительностью действия и типами леса.

10. Разработку научно обоснованной концепции, теоретических положений и метода целевого выращивания и повышения продуктивности сосновых насаждений с применением минеральных удобрений для получения деловой древесины, в том числе пиловочника, высокого качества.

11. Разработку практических рекомендаций для целевого выращивания и повышения продуктивности сосновых насаждений сырьевого назначения путем внесение минеральных удобрений и формирования целевых хозяйств.

Основные проблемные направления исследований по программным вопросам показаны на рис. 1.

Рис. 1. Направления исследований целевого выращивания леса и древесины в сосняках преобладающих типов леса подзоны южной тайги европейской части России

Исследования проводились по этапам: полевые, лабораторные работы; обработка результатов исследований в соответствии с разработанными методиками.

В полевые работы входило внесение минеральных удобрений. Закладка и реконструкция пробных площадей, их таксационная и лесоводственная характеристика. Изучение почв и нижних ярусов лесных фитоценозов. Подбор модельных деревьев, их разделка на кряжи и образцы для испытаний. Закладка пробных площадей и внесение минеральных удобрений в лесные насаждения в виде гранулированной аммиачной селитры (34 % N) проводилось вертолетами Ми-2 и Ка-26, оборудованными серийным туннельным и центробежным разбрасывателями. Закладка пробных площадей и ручное внесение минеральных удобрений (1-й, 2-й приемы) в сосняки 4-х типов леса Костромской области в бывшем Опытном лесхозе «Чернолуховский», в настоящее время входящем в состав Макарьевского лесничества, осуществлял ВНИИХлесхоз под руководством проф., д-ра с.-х. наук К.Д. Мухамедшина и канд. с.-х. наук В.И. Мальщукова. В 1-й прием (1982 г.) применялись 4 вида удобрений: азотные - карбамид (46 % N), фосфорные - гранулированный суперфосфат (20 % P₂O₅), калийные - хлористый калий (54 % K₂O), смешанные - сочетание перечисленных видов туков (NPK) по 3 дозы (100, 150, 200 кг/га) действующего вещества (д.в.). Во 2-й прием (1987 г.) был внесен карбамид в дозе 150 кг/га д.в. на опытные участки: N100, N150, (NPK)150, P150, K150.

Лабораторные исследования включали физико-механический анализ почв; фиксацию образцов древесины, приготовление микропрепаратов, мацерацию древесины для изучения длины древесных волокон, варку древесины для получения целлюлозы, измерение анатомических элементов, отбор, изготовление образцов древесины и проведение испытаний физико-механических свойств древесины сосны. Изучение почв выполнялось в соответствии с методическими указаниями А.А. Роде (1972), И.П. Гречина (1964), А.В. Вадюниной (1986). Лесоводственные исследования осуществлялись с учетом этапов формирования лесных фитоценозов на основе динамической типологии леса, согласно методическим рекомендациям В.Н. Сукачева, С.В. Зонна (1961), И.С. Мелехова (1960, 1965, 1976, 1980), Л.П. Рысина (1969, 1982), А.В. Побединского (1965, 1966, 1972). Изучение строения древесины проводилось по методикам А.А. Яценко-Хмелевского (1954, 1961), И.С. Мелехова (1932, 1934, 1948, 1979), В.Е. Вихрова (1949), В.С. Чавчавадзе (1979), М.Н. Прозиной (1960), определение этапов онтогенеза в формировании древесины сосны за период жизни древостоев осуществлялось по методике Н.Е. Косиченко (2000, 2004).

Изучались элементы макро- и микрострруктуры древесины сосны. Определение физико-механических свойств древесины проводилось по стандартным методикам с учетом рекомендаций кафедры древесиноведения МГУЛ (Б.Н. Уголев и др., 1989, 1993). Авиационно-полевые опыты выполнялись в соответствии с Инструкциями, Наставлениями, Указаниями гражданской авиации. Определение целевого назначения лесов и организация целевых хозяйств проводились с учетом рекомендаций Н.А. Моисеева (2004), М.Д. Гиряева (2003, 2004), И.С. Мелехова (1966), экономическая оценка применения удобрений в лесных насаждениях - по методике Н.А. Моисеева (1988). Экспериментальные данные обрабатывались методами вариационной статистики (Плохинский, 1961; Доспехов, 1968; Свалов, 1977). Текущий прирост деревьев по запасу древесины рассчитывался по методу В.В. Загреева (1981) через площадь боковой поверхности деревьев. Площадь и объем крон деревьев по их фактическим размерам и закартированным проекциям определялись с помощью математической программы (Чумаченко, 2006). Расчет средних таксационных показателей для 94 кварталов в Опытном лесхозе «Чернолуховский» при организации целевых хозяйств по выращиванию соснового пиловочника проводился с использованием базы данных Центрального государственного лесоустроительного предприятия.

Объем исследований. Исследования осуществлялись в течение 1985-2007 лет в трех областях: Костромской, Нижегородской, Московской, на 198 пробных площадях. Большая часть экспериментальных работ выполнялась в Опытном лесхозе «Чернолуховский», на 162 пробных площадях в 4-х преобладающих типах леса южной подзоны тайги: сосняках брусничном, черничном, лишайниковом, долгомошном. При проведении почвенных исследований в указанных типах леса на 74 пробных площадях взято 402 смешанных образца почвы. В Почвенном институте им. В.В. Докучаева при участии автора выполнено 3230 анализов для определения физико-химических свойств почв. Исследования строения древесины проводились за период жизни древостоев, за период действия удобрений по типам леса, по классам роста (по Крафту), по размерам крон деревьев (3270 образцов древесины, 3500 микропрепаратов). Для совершенствования авиационной технологии внесения удобрений в лесные насаждения, отвечающей природоохранным требованиям, и её опытно-производственной проверки были проведены авиационные испытания с помощью вертолетов. При формировании целевого хозяйства по выращиванию пиловочника в бывшем Опытном лесхозе «Чернолуховский» было подобрано 94 квартала.

Опытно-производственная проверка и внедрение результатов исследований (в 1986, 1987, 2006 гг.) позволили отработать системы лесоводственных мероприятий по целевому выращиванию лесов сырьевого назначения для получения деловой древесины высокого качества с применением минеральных удобрений, а также технологию внесения туков в лесные насаждения с использованием вертолетов Ка-26 и Ми-2. (Воронкова, Степаненко, 1989; Степаненко, 1987, 1988).

4. Характеристика объектов исследований

Основной объем исследований проводился в лесах Унженской низменности. Они являются типичным и наиболее удовлетворительным объектом хвойных лесов подзоны южной тайги европейской части России для изучения целевого выращивания сосновых насаждений сырьевого назначения для получения деловой древесины. Леса Унженской низменности произрастают в центрально-восточной части Костромской и северо-западной части Нижегородской областей в бассейне рек Унжи и Ветлуги. Климат изучаемого региона умеренно-континентальный с теплым летом и холодной зимой, основная почвообразующая порода - различной мощности песок. Район исследований занимает общую площадь более 1,5 млн га и согласно лесорастительному районированию относится к Уженско-Камскому округу южной подзоны тайги, к сосновым лесам Унженской низменности (Курнаев, 1973, 1982). На сосновые насаждения приходится 63,9 % покрытой лесом площади. Преобладающими типами леса являются сосняки зеленомошные (черничные (свежие), брусничные), вересковые, лишайниковые, травяные, долгомошные, сфагновые. В сосновых насаждениях региона доминируют дерново-подзолистые песчаные почвы, которые нуждаются в улучшении минерального питания, прежде всего азотом, а также фосфором и калием. Недостаток основных элементов питания в этих лесах является главным, лимитирующим их рост фактором.

Современное состояние и продуктивность освоенных лесов Унженской низменности - результат их длительной эксплуатации (около трех столетий), достигшей наибольших размеров в 50-е годы 20-го столетия, когда применялись сплошные концентрированные рубки на обширных площадях. В настоящее время лесные насаждения имеют неравномерную возрастную структуру с преобладанием молодых и средневозрастных сосняков простой формы. Они имеют средний запас древостоев 145 м³/га, который в 2…3 раза уступает запасу лесов до их интенсивной эксплуатации. Внесение минеральных удобрений в рентабельные, производительные типы леса: сосняки брусничные, черничные, лишайниковые, в которых ухудшение минерального питания и снижение продуктивности произошло в результате проведения сплошных концентрированных рубок, позволит улучшить их рост, продуктивность и экономическую доходность. Изучаемые насаждения представлены приспевающими и спелыми сосняками брусничными, черничными (свежими), лишайниковыми в возрасте 80…100 л., сосняками долгомошными - 70…90 л.

5. Влияние удобрений на свойства почв и нижние ярусы сосновых насаждений в связи с типами леса

Почвы в сосняках преобладающих типов леса южной подзоны тайги европейской части России, в основном, бедные с низким содержанием гумуса, валового азота, обменных оснований и подвижных соединений фосфора и калия. Сосняк черничный лучше обеспечен элементами почвенного питания, чем другие типы леса. Почвы - кислые (рН 3,0…4,0), однородные по механическому составу с преобладанием фракций мелкого или среднего песка с содержанием глины менее 3 % в сосняках брусничном, лишайниковом, долгомошном и до 5 % - в сосняке черничном, с высокой водопроницаемостью и низкой водоудерживающей способностью.

Однократное и повторное применение азотных удобрений в дозе 150 кг/га в изучаемых сосняках повышает плодородие почвы за счет увеличения содержания валового азота. Через 6 лет после 1-го и 2-го приемов внесения удобрений в лесной подстилке и верхних горизонтах почвы содержание валового азота повышается в сосняках брусничном, лишайниковым, черничном в 2,0… 2,2 раза, в сосняках долгомошном - в 1,8 раз по сравнению с контролем. Характер изменений в агрохимических свойствах почвы зависит от типа леса, вида, дозы и повторности внесения удобрений. Продолжительность действия удобрений на почвы в зависимости от типа леса составляет 6…12 лет. Длительное действие удобрений в лесу объясняется более интенсивным биологическим круговоротом веществ в результате увеличения роста растений, опада и активной минерализацией биомассы лесных фитоценозов.

Живой надпочвенный покров и подлесок. Минеральные удобрения оказывают разное влияние на соотношение видов живого напочвенного покрова (ЖНП), их проективное покрытие и встречаемость в зависимости от вида, дозы, повторности внесения туков и типа леса. Положительное - на кустарнички: вереск, бруснику, чернику, багульник, злаки: вейники тростниковидный и наземный; большинство видов трав и папоротник орляк (сосняк черничный), увеличивая их проективное покрытие и встречаемость в среднем за 5 лет после 1-го и 6 лет после 2-го приемов внесения туков соответственно на 9,5… 61,1 и 9,0…34,0 % по сравнению с контролем. Отрицательное - на мхи: плеуроциум Шребери, дикранум многоножковый, хилокомиум блестящий, кукушкин лен, сфагнум и лишайники: кладонии лесную и альпийскую, снижая их проективное покрытие и встречаемость после 1-го и 2-го приемов внесения туков соответственно на 9,0…48,1 и 9,6…30,0 % по сравнению с контролем. Наибольшее влияние на ЖНП и подлесок оказывают удобрения, содержащие азот в дозах 150, 200 кг/га, и калий в дозе 200 кг/га. Живой напочвенный покров увеличивает период последействия удобрений в результате своевременного закрепления части питательных веществ, вносимых с ними, и его минерализации. Следовательно, ЖПП является с одной стороны, конкурентом древостою, с другой стороны, аккумулятором питательных веществ.

В изучаемых сосняках преобладает по густоте средний и редкий подлесок 1,5…3,3 тыс. шт./га из рябины обыкновенной, ракитника русского, крушины ломкой, можжевельника обыкновенного и других пород. Внесение удобрений не влияет на состав подлеска, но несколько увеличивает его количество и встречаемость в сосняках брусничном и черничном. Комбинации туков, содержащих азот в дозах 150, 200 кг/га, в указанных типах леса увеличивают количество и встречаемость подлеска соответственно после однократного удобрения на 20,6…26,8 и 12,9…18,6 %; после повторного удобрения - на 32,7…43,1 и 17,7…21,4 %, а также во всех типах леса повышают средний текущий прироста в высоту у подлеска в 1,2…2,0 раза по сравнению с контролем. Удобрения влияют на ЖНП и подлесок в течение 5…6 лет. Изменения в живом напочвенном покрове и подлеске в удобренных насаждениях при полноте древостоев 0,6 и сомкнутости их крон 0,5…0,6 создают благоприятные условия в нижних ярусах лесных фитоценозов в сосняках брусничном и лишайниковом для успешного естественного возобновления сосны.

Естественного возобновления леса под пологом сосновых насаждений. Важными факторами, влияющими на продуктивность лесных биогеоценозов, являются процессы естественного возобновления леса и размещение подроста в насаждении и на вырубке (Мелехов, 1954, 1960, 1966, 1980, 1989; Злобин, 1970; Касимов, 1960; Мартынов, 1995; Обыденников, 1977, 1995; Сеннов, 2005). Исследования лесовозобновительных процессов под пологом сосновых насаждений показали, что в естественных сосняках преобладающих типов леса Унженской низменности с полнотой 0,6…0,9 количество жизнеспособного подроста главных пород недостаточно для успешного возобновления леса. В зависимости от типа леса оно составляет 0,058...1,817 тыс.шт./га, минимальное - в сосняках долгомошных, наибольшее - в сосняках брусничных. По составу древостоев под пологом леса в сосняках брусничных и лишайниковых формируются чистые сосновые молодняки (с участием сосны 90…100 %), в сосняках долгомошных - смешанные сосново-березовые молодняки с примесью ели (участие сосны - 50, березы - 36, если - 14 %), в сосняках черничных - еловые молодняки (участие ели -78…80, сосны - 17…18, березы - 2 %).

Внесение минеральных удобрений существенно улучшает предварительное возобновление хвойных пород в сосняках преобладающих типов леса подзоны южной тайги с полнотой и сомкнутостью крон древостоев 0,5...0,6. Наиболее эффективны туки, содержащие азот в дозах 150, 200 кг/га. В среднем за 6 лет после 1-го и 2-го приемов их внесения количество подроста главных пород всех категорий по высоте повышается соответственно в сосняках брусничных на 28,7…122,1 и 55,7…135,3 % лишайниковых - на 26,2…105,1 и 46,7…125,0 %, черничных - на 42,1…92,6 и 26,3…100,4 %, долгомошных после однократного удобрения - на 25,9…65,5 % по сравнению с контролем. Во всех типах леса общее количество подроста по высоте увеличивается за счет мелкой и средней категорий. Максимальное количество самосева и подроста наблюдается в сосняках брусничных. В этих опытах в сосняках брусничных количество жизнеспособного подроста становится достаточным для успешного возобновления вырубок и создания лесных культур не требуется, в остальных типах леса: сосняках лишайниковых, черничных, долгомошных - недостаточное, в них необходимо проведение искусственного лесовосстановления.

Однократное и повторное внесение азотных и смешанных туков в среднем за 6 лет их действия улучшается качество и рост самосева и подроста хвойных пород за счет повышения количества здоровых растений на 8,7…12,3 % и увеличения их среднего текущего прироста в высоту в 1,2…3,4 раза по сравнению с контролем. В изучаемых сосняках удобрения не влияют на состав древостоев.

В результате исследования процессов естественного возобновления в удобренных сосняках установлено, что изменения в количестве подроста хвойных пород зависят от типа леса, вида и дозы вносимых удобрений. Для оценки влияния этих факторов был проведены графический, двухфакторный дисперсионный анализ, который показал, что наибольшее действие на количество благонадежного подроста хвойных пород в изучаемых типах леса оказывают смешанные и азотные удобрения; они наиболее эффективны в сосняках брусничных и лишайниковых; доля влияния на количество подроста хвойных пород вида и дозы удобрений в этих опытах примерно одинакова во всех исследуемых типах леса и составляет 42,7… 49,8 (вид) и 50,2…57,5 % (доза); доля влияния на количество подроста хвойных пород дозы азотных и смешанных туков (150, 200 кг/га) и типа леса - 4,8…9,5 (доза) и 91,0…95,3 % (тип леса), что свидетельствует о доминирующем влияние типа леса на количество подроста в опытах с удобрениями. Исследования в удобренных сосновых насаждениях свидетельствуют, что туки, содержащие азот в дозах 150, 200 кг/га, с учетом типов леса являются эффективным приемом в содействии естественному возобновлению сосновых насаждений. Удобрения могут существенно ускорить и улучшить процесс возобновления леса ценными хвойными породами, сократить срок и расходы на его выращивание.

6. Влияние лесоводственных факторов и минеральных удобрений на формирование макроструктуры древесины в естественных сосновых насаждениях

Формирование древесины сосны в зависимости от возраста и типа леса. С целью определения влияния возраста древостоев и типа леса на строение древесины сосны были проведены исследования в сосняках основных типов леса южной подзоны тайги в онтогенезе - индивидуальном развитии за весь период жизни древостоев, с разделением на 3 этапа. Исследования показали, что формирование макроструктуры древесины сосны зависит от возраста (этапа онтогенеза) и типа леса. Динамика формирования древесины сосны по этапам онтогенеза показана на примере сосняка брусничного (рис. 2).

В изучаемых сосняках 1-й этап - ювенильной древесины продолжается 5…8 лет. После 1-го этапа, когда древесина обретает типичные черты, следует 2-й этап - молодой формирующейся древесины, характеризующейся формированием размеров ее элементов, он отличается своей продолжительностью в зависимости от типа леса. В начале этого этапа с 6 до16 лет происходит увеличение ширины годичного слоя (ШГС), ширины ранней (ШРД) и поздней древесины (ШПД). Затем следует более длительный этап уменьшения и стабилизации ШГС (рис.2). Он продолжается в сосняках черничных до 30, брусничных - до 40, лишайниковых - до 45, долгомошных - до 50 лет. 3-й этап - зрелой дефинитивной древесины, наиболее продолжительный по сравнению с другими этапами онтогенеза. В зависимости от типа леса он начинается с 30…50 лет после стабилизации ШГС и процента поздней древесины с последующим их снижением до 110 лет (наибольший возраст изучаемых сосняков). С наступлением этого этапа происходит дальнейшая редукция годичного слоя, связанная с уменьшением ШГС и увеличением (до 50…55 лет), а затем снижением процента поздней древесины (рис.2).

Рис. 2. Формирование древесины сосны за период жизни древостоев в

сосняках брусничных (обозначения: - радиальный прирост (ШГС), - ширина поздней древесины (ШПД), мм; - процент поздней древесины, %

Наши исследования свидетельствуют, что в сосняках изучаемых типов леса, несмотря на снижение их продуктивности, формируется древесина, соответствующая требованиям высокого качества по показателям её макроструктуры для условий подзоны южной тайги европейской части России (Перелыгин, 1954, Яценко-Хмелевский, 1954). Спелая древесина сосны характеризуется мелкослойной - 0,8 и средней - 0,8…1,5 мм шириной годичных слоёв, средним числом годичных слоёв в 1 см - 4…21 шт./см, средним и высоким содержанием в годичных слоях доли поздней древесины - 33…45 %. Древесина сосны указанного строения может отвечать требованиям любого потребителя.

Влияние лесоводственных факторов и минеральных удобрений на формирование макроструктуры древесины в естественных сосновых насаждениях. В результате исследований установлено, что внесение минеральных удобрений в естественные приспевающие и спелые сосняки влияет на величину, динамику текущего радиального прироста и содержания поздней древесины в годичных слоях сосны в зависимости от типа леса, климатических факторов и регламентов применения туков (вида, дозы, повторности внесения). В изучаемых типах леса удобрения вносились в оптимальный срок - в начале подъема радиального прироста в дендроцикле за 2…3 года до его максимума после 1-го и за 3…4 года после 2-го приёмов их применения при благоприятных климатических условиях (температуре воздуха, количестве осадков) в первые дни, в течение года и за период действия туков (6 лет). Это существенно увеличило эффективность и продолжительность влияния туков на рост сосняков и формирование древесины. В большинстве опытов удобрения оказывают положительное действие на макроструктуру древесины сосны после 1-го приема их внесения в течение 5…8, после 2-го приёма - 6…12 лет. Оно проявляется в повышении ШГС, доли поздней древесины и в снижении количества годичных слоев в 1 см до средних значений по сравнению с контрольными древостоями (табл.1). Отрицательное действие туков связано со снижением ШГС, доли поздней древесины и увеличением количества годичных слоев в 1 см. Оно наблюдается в сосняках лишайниковых в опытах с N200 в течение 6 лет (на 7…12-й годы после удобрения), калийными туками - 5…13 лет (в 1…4-й и 7…19-й годы после удобрения); в сосняках долгомошных в опыте с К150 - 12 лет (на 7…18-й годы после удобрения).

Исследования показали, что удобрения наиболее эффективны в сосняках брусничных и черничных, менее эффективны - в сосняках лишайниковых, малоэффективны - в сосняках долгомошных. В сосняках брусничных, черничных все изучаемые удобрения в разной степени в зависимости от их вида, дозы, повторности внесения способствуют увеличению текущего радиального прироста за счет повышения ШГС и доли поздней древесины в годичных слоях сосны. В сосняках лишайниковых аналогичные изменения в макроструктуре древесины вызывает применение удобрений, содержащих азот (табл.1).

Таблица 1 - Влияние удобрений на показатели макроструктуры древесины сосны и дополнительный текущий прирост по запасу в зависимости от типа леса

Примечания: 1- Приведены средние значения на пробных площадях по деревьям II кл. роста; 2* - различие, с которым существенно с вероятностью 0,90 (t_ф>t_т, t_т=1,70); 3 - числитель - абсолютное значение признака после 1-го приема внесения удобрений (в среднем за 6 лет), знаменатель - абсолютное значение признака после 2-го приема внесения удобрений (в среднем за 12 лет); 4^х -2-й прием внесения N150; 5 - в сосняке долгомошном 2-го приема внесения N150 не было.

Во всех изучаемых типах леса наиболее существенное улучшение показателей макроструктуры древесины сосны происходит при однократном внесении азотных и смешанных туков, особенно в дозах 150, 200 кг/га, и повторном внесении азотных удобрений в дозе 150 кг/га. В этих опытах удобрения в среднем за 6 лет после 1-го и за 12 лет после 2-го приемов их внесения в сосняках брусничных, черничных и лишайниковых соответственно повышают ШГС на 54,0…117,9, 40,3…131,7, 17,7…59,7 %; долю поздней древесины - на 9,6…30,7, 11,7 …24,5, 9,8…20,8 %; снижают число слоев в 1 см на 40,4…54,1, 29,5…56,8, 15,0…37,4 % по сравнению с контролем (табл. 1). Позволяют получить дополнительный текущий прирост сосны по запасу после 1-го и 2-го приемов внесения туков соответственно: в сосняках брусничных - 20,1…31,2 и 30,7…57,2, черничных - 22,0…34,0 и 22,5…57,1, лишайниковых - 7,4…16,1 и 12,6…30,0 м³/га (табл. 1). Внесение фосфорных и калийных туков в изучаемых типах леса менее эффективно, чем азотных и смешанных. В сосняках лишайниковых калийные удобрения отрицательно действуют на показатели макроструктуры древесины, особенно в опыте с К200. Калийные удобрения в дозе 200 кг/га вызывают достоверное снижение ШГС на 18,5 % и доли поздней древесины - на 9,6…11,2 % и повышают число годичных слоев в 1 см на 22,7 % по сравнению с контролем.

В формировании макроструктуры древесины сосны после внесения удобрений имелись две противоположные тенденции: первая была связана с увеличением радиального прироста и процента поздней древесины в первые 3 года после однократного и в первые 4 года после повторного внесения туков, вторая - с их снижением в последующие 4…12 лет после внесения удобрений. Наибольших значений показатели макроструктуры древесины достигают на 2…3-й годы после 1-го и 2…4-й годы после 2-го приемов удобрения.

В сосняках брусничных и черничных древесина равномерного строения формируется во всех опытах с однократным удобрением и в опытах с повторным удобрением на фоне азотных и смешанных туков. В сосняках лишайниковых древесина имеет равномерное строение в опытах с однократным внесением азотных, фосфорных, калийных (кроме К100) удобрений, неравномерное строение - в опытах с однократным внесением смешанных туков и во всех опытах с повторным удобрением из-за резких перепадов в показателях макроструктуры до и после повторного внесения азотных туков.

В сосняке долгомошном однократное внесение удобрений в среднем за 6 лет их действия мало влияет на ШГС и вызывает другой характер изменений в структуре древесины по сравнению с ранее рассмотренными типами леса: N150, N200, (NPK)150 увеличивают ШГС на 10,2…24,5 %; N200, (NPK)150 снижают долю поздней древесины на 9,3…17,4 % (табл.1). Азотные и смешанные удобрения способствуют формированию неравномерных годичных слоев и продуцируют дополнительно 5,3…11,7 м³/га древесины сосны. Для повышения эффективности применения удобрений в этом типе леса перед их внесением необходимо проводить осушительную лесомелиорацию.

В результате исследования макроструктуры годичных слоёв удобренных сосняков установлено, что изменения в ШГС и проценте поздней древесины зависят от типа леса, вида и дозы вносимых удобрений. Для оценки влияния этих факторов и их взаимных сочетаний на показатели макроструктуры древесины сосны был проведён трёхфакторный дисперсионный анализ, который показал, что наибольшее влияние на ШГС и процент поздней древесины оказывает сочетание двух факторов: типа леса и дозы удобрений, доля их участия из всех учитываемых факторов составила соответственно 30,0 и 18,5 %. Довольно значительное и достоверное действие на изучаемые показатели оказывают вид и доза удобрений, сила их влияния составляет соответственно на ШГС 12,3 и 9,0 %, на процент поздней древесины - 13,7 и 12,5 %. Влияние других факторов менее значительно.

Некоторые удобрения повышают устойчивость сосновых древостоев к неблагоприятным климатическим условиям. В 1985 г. (на 4-й год после 1-го приема внесения туков) в августе наблюдались высокая температура воздуха, особенно во 2-ой декаде месяца (+32 ⁰С), и недостаток влаги воздуха в течение декады (2,4 мм) и всего месяца (41,4 мм), значительно снизившие радиальный прирост и долю поздней древесины в годичных слоях сосны в большинстве опытов с удобрениями и в контрольных древостоях. Но в удобренных сосняках: брусничных (N150), лишайниковых и черничных (N200), долгомошных (Р150) удобрения уменьшают отрицательное влияние засухи и способствуют формированию более равномерных, широких годичных слоев с оптимальной структурой по сравнению с контрольными и другими вариантами опыта.