Лесоводственные основы целевого выращивания сосновых насаждений в южной подзоне тайги европейской части России

В удобренных древостоях между показателями макроструктуры древесины существует различная связь в зависимости то типа леса, вариантов опыта и продолжительности действия туков. При синхронных изменениях ШГС и процента поздней древесины за период действия удобрений между ними существует прямая, тесная и средняя связь (r = 0,60… 0,96), при различных изменениях показателей макроструктуры связь между ними слабая, а в некоторых опытах - обратная (r= -0,28…0,46 ).

Изучение активности и продолжительности деятельности камбия в средневозрастных и спелых сосняках брусничных Московской области после внесения азотных удобрений (N150) свидетельствует о его более раннем пробуждении (на 7…10 дней), более позднем окончании работы (на 8…12 дней) и увеличении интенсивности деятельности. В результате этого формируется более широкие годичные слои за счет увеличения в них количества ранних и поздних трахеид.

Следовательно, при выращивании деловой древесины сосны, в приспевающих и спелых сосняках брусничных, черничных и лишайниковых внесение удобрений, содержащих азот в дозах 150, 200 кг/га, - однократное и повторное в сосняках брусничных и черничных, однократное - в сосняках лишайниковых, способствует получению значительных запасов древесины сосны с оптимальными показателями макроструктуры, отвечающей требованиям большинства потребителей.

Математические модели прогноза влияния минеральных удобрений на макроструктуру древесины сосны. При целевом выращивании леса сырьевого назначения для получения древесины высокого качества с заданными строением и свойствами эффективным приёмом является математическое моделирование, позволяющее прогнозировать рост древостоев с учетом ведущих факторов. В наших исследованиях впервые в отечественной практике целевого выращивания древесины разработаны математические модели прогноза влияния однократного и повторного внесения минеральных удобрений на строение древесины сосны. Они предусмотрены для прогнозирования влияния азотных удобрений в разных дозах (100, 150, 200 кг/га) на формирование макроструктуры древесины сосны при их внесении в начале подъема дендроцикла радиального прироста, когда от их применения можно получить максимальный эффект. В качестве базового варианта взяты деревья преобладающего II класса роста (по Крафту), произрастающие в условиях сосняка брусничного, характерного для южной тайги типа леса. Разработанные математические модели, описывающие изменения в показателях макроструктуры древесины, рассмотрены на примере опыта с однократным и повторным внесением азотных туков в дозе 150 кг/га (рис. 3…5).

Математические модели прогноза влияния удобрений на текущий радиальный прирост состоят из двух частей. Первая часть описывает подъем ШГС в первые 3, 4 года, вторая - спад в последующие 3…8 лет. Полученные зависимости влияния 1-го и 2-го приемов внесения азотных туков в дозе 150 кг/га на текущий радиальный прирост описываются соответственно моделями 1 (рис. 3) и 2 (рис. 4) .

Рис. 3. Математическая модель влияния первого приёма внесения N150 на радиальный прирост (а - - - - - фактические значения ШГС, мм; б - -- теоретические значения ШГС, мм); 1- первый этап влияния удобрений на ШГС -подъём; (у₁- ШГС 1-го этапа, x -1…3 - годы 1-го этапа); 2 - второй этап влияния удобрений на ШГС - спад (у₂ - ШГС 2-го этапа, x - 4…12 - годы 2-го этапа)

Математические модели прогноза влияния азотных удобрений в разных дозах на ширину поздней древесины в годичных слоях сосны, рассчитаны по показателю динамики накопления суммы ШПД. Это связано с неравномерным характером изменения ШПД во всех опытах после внесения туков и необходимостью использования более наглядно показателя, характеризующего указанный процесс. При разработке математических моделей, описывающих влияние 2-го приема удобрения, полученные данные за этот период были приведены к общему началу внесения и действия удобрений. Математические модели прогноза влияния 1-го (модель 3) и 2-го (модель 4) приемов удобрения на содержание поздней древесины в годичных слоях сосны показаны на рис. 5

Рис.4. Математическая модель влияния второго приёма внесения N150+N150 на радиальный прирост (а - - - - - фактические значения ШГС, мм; б - -- теоретические значения ШГС, мм); 1- первый этап влияния удобрений на ШГС - подъём (у₁ - ШГС 1-го этапа, x -1…4 - годы 1-го этапа); 2- второй этап влияния удобрений на ШГС - спад (у₂ - ШГС 2-го этапа, x - 5…12 - годы 2-го этапа)

Рис. 5. Математические модели влияния первого внесения N150 - модель-3 и второго приема внесения N150+N150 - модель - 4 на динамику накопления поздней древесины в годичных слоях сосны (теоретические значения)

Разработанные математические модели с достаточно высокой точностью (коэффициент детерминирования R²=0,8970…0,9998) описывают изменения в текущем радиальном приросте и содержании поздней древесины в годичных слоях сосны в зависимости от дозы, повторности и продолжительности действия удобрений. Они могут быть базовым вариантом в расчетах других математических моделей, описывающих влияние интенсивных методов лесовыращивания, с учетом определяющих факторов для конкретных условий.

Влияние минеральных удобрений на макроструктуру годичных слоев сосны по классам роста деревьев (по Крафту). Исследования в удобренном сосняке брусничном макроструктуры древесины сосны у деревьев разных классов роста по Крафту свидетельствуют, что они по-разному реагируют на удобрения. На деревья I кл. наибольшее положительное влияние оказывают туки, содержащие азот. У них в среднем за 6 лет после 1-го и 2-го приемов внесения удобрений ШГС возрастает в 1,2…1,9 раз, процент поздней древесины - на 10,4…25,2 %, число слоев снижается в 1,6…1,9 раз (до 7…10 шт./см). Оптимальными из них являются азотные и смешанные туки в минимальной дозе 100 кг/га. С увеличением дозы их эффект уменьшается. Фосфорные и калийные удобрения у деревьев I кл. в среднем за 6 лет их действия повышают ШГС на 26,1…52,0 %, снижают число слоев в 1 см на 20,7…34,3 %, но не влияет на структуру годичных слоев. У фосфорных удобрений наиболее эффективна доза 200 кг/га, калийных - 100 кг/га, что, видимо, связано в данных условиях с большей потребностью деревьев лучшего роста в фосфоре, чем в калие.

Наиболее отзывчивые на удобрения деревья II и III кл. У деревьев II кл. удобрения после 1-го и 2-го приемов их внесения почти во всех вариантах опыта вызывают положительные изменения в макроструктуре древесины, но наиболее эффективны азотные и смешанные в дозах 150 и 200 кг/га (табл.1). У деревьев III кл. также самые широкие годичные слои формируются в опытах с азотными и смешанными туками, действие которых возрастает с повышением дозы азота. В этих опытах в среднем за 6 лет действия удобрений ШГС увеличивается в 1,4…2,2 раза, процент поздней древесины - на 23,2…34,7 %, число слоев в 1 см снижается в 1,4…2,0 раза (до 11…17 шт./см) по сравнению с контрольными древостоями. Однократное внесение фосфорных и калийных удобрений менее эффективно, чем азотных и смешанных. Отрицательное влияние на структуру годичных слоев деревьев III кл. оказывают калийные удобрения в дозе 200 кг/га. Они в среднем за 23 года после их внесения снижают долю поздней древесины на 13,8…16,4 % (до 28,3…29,0 %) по сравнению с контролем. В среднем за 6 лет действия туков во всех вариантах опыта, кроме К200, формируется высококачественная древесина сосны со средним показателями макроструктуры: ШГС - 0,429…1,616 мм; процентом поздней древесины - 33,6…46,0 %; числом годичных слоев в 1 см - 6,0…23,3 шт./см. У деревьев I и III кл. древесина равномерного строения формируется в опытах: N150, N200, (NPK)100, (NPK)150, (NPK)200, N150+N150, (NPK)150+N150; неравномерного строения - в опытах: N100, N100+N150, P150+N150, K150+N150.

Деревья IV-V кл. почти не реагируют на удобрения. Только внесение туков, содержащих азот, в среднем за 6 лет их действия несколько увеличивает ШГС и процент поздней древесины на 8,9…18,8 % и снижает количество годичных слоев в 1 см на 8,6…14,9 % по сравнению с контролем. То есть, дополнительное минеральное питание, получаемое деревьями этих классов роста с удобрениями уже существенно не улучшает их рост и не влияет на строение древесины сосны.

Для оценки влияния классов роста деревьев (по Крафту), вида и дозы удобрений на показатели макроструктуры был проведен трехфакторный дисперсионный анализ. Он подтвердил значительное влияние естественной дифференциации деревьев в лесу (классов Крафта) на ШГС, процент поздней древесины, доля участия которой составила соответственно 31,7 и 31,9 %, довольно существенное влияние вида удобрений соответственно 13,6 и 14,0 %, а также сочетаний вида с дозой удобрений соответственно 9,4 и 10,0 %. Учитывая особенности распределения деревьев по классам Крафта (на I…III кл. приходится большая половина деревьев в древостое) для всего насаждения сосняка брусничного оптимальными являются однократное и повторное внесение азотные удобрений в дозе 150 кг/га.

Макроструктура древесины сосны в зависимости от размеров крон деревьев и минеральных удобрений.. В результате исследований установлено, что удобрения способствуют существенному повышению площади крон деревьев на 12,4…15,3 % и объема крон - на 10,6…17,1 %, при этом ШГС и доля поздней древесины возрастают соответственно на 12,6…146,8 и 9,5…31,3 % по сравнению с контролем. Наиболее значительное увеличение размеров крон наблюдается у деревьев I…III кл. в опытах с азотными и смешанными туками в дозе 150 кг/га. Между показателями макроструктуры и размерами крон деревьев существует различная связь в зависимости от класса роста деревьев и вариантов опыта. В опытах с удобрениями прямая, тесная и средняя связь между ШГС и объемом, ШГС и площадью кроны у деревьев I, древесину. (r=0,53… 0,99), менее тесная - у деревьев III-V кл. (r=0,41…0,91), а также между процентом поздней древесины и объемом, площадью кроны (r=0,42… 0,93).

Деревья III и IV кл. Крафта по-разному реагируют на удобрения. В среднем за 6 лет действия удобрений у одной части деревьев показатели макроструктуры древесины не изменяется. У другой части деревьев происходит увеличение: ШГС III кл. - в 1,7 раз, IV кл. - в 1,6 раз, процента поздней древесины III кл. - на 8,8 % по сравнению с деревьями, не отреагировавшими на удобрения. Деревья III и IV кл., отреагировавшие на удобрения, имеют соответственно площадь кроны в 1,6 и 1,4 раза, объем кроны - в 2,2 и 1,7 раз больше, чем деревья, не отреагировавшие на удобрения. Проведенные исследования обосновывают необходимость оставления деревьев III кл. с развитыми кронами при проведении рубок ухода перед внесением туков для выращивания деловой древесины и целевых сортиментов высокого качества.

Выявленные зависимости между размерами крон деревьев и строением древесины сосны в опытах с удобрениями свидетельствуют, с одной стороны, о высокой отзывчивости кроны деревьев I…III кл. на улучшение минерального питания путем внесения туков, особенно азотных и смешанных, с другой стороны, о значительном влиянии площади и объема крон деревьев на радиальный прирост (в большей степени) и содержание в нем поздней древесины (в меньшей степени).

7. Изменения микроструктуры и физико-механических свойств древесины сосны от внесения минеральных удобрений

Применение минеральных удобрений в приспевающих и спелых сосняках в зависимости от регламентов их внесения и типа леса вызывает разные изменения в микроструктуре древесины сосны. Наиболее значительные изменения происходят в количестве и соотношении ранних и поздних трахеид. В сосняках брусничных и лишайниковых 1-й и 2-й приемы внесения удобрений в основном способствуют увеличению количества трахеид на 18,7…107,3 %, особенно поздних - на 17,8…139,2 %, за счет этого происходит повышение ШГС на 17,7…118,3 % и доли поздней древесины - на 9,6…30,0 %. Только в сосняках лишайниковых в опытах с калийными туками происходит снижение радиального прироста и доли поздней древесины в результате уменьшения общего количества трахеид на 16,4…20,4 %, поздних трахеид - на 14,0…22,0 %. В сосняках долгомошных N200 увеличивают общее количество рядов трахеид на 10,9 %, за счет повышения ранних трахеид на 19,4 %, в результате этого происходит снижение доли поздней древесины на 10,3 %. В опыте с N150 этого не наблюдается, так как повышение ШГС (на 15,6 %) происходит за счет ранних и поздних трахеид.

В сосняках брусничных однократное внесение удобрений в среднем за 5 лет их действия способствует утолщению стенок ранних и поздних трахеид на 8,7…18,2 %, увеличению диаметров поздних трахеид в радиальном направлении на 9,4…12,7 %. Повторное внесение азотных удобрений (N150) в среднем за 13 лет их действия повышает толщину стенок ранних и поздних трахеид на 8,7…10,9 %, а в опыте (NPK)150+N150 диаметры поздних трахеид в радиальном направлении - на 9,3 %. В сосняках лишайниковых способствуют увеличению диаметров и толщины стенок ранних и поздних трахеид P200, (NPK)100, K150, K200, только поздних трахеид - однократное и повторное внесение азотных туков, (NPK)150, P150, K100. В этих опытах в среднем за 5 лет после однократного и 13 лет после повторного внесения удобрений толщина стенок трахеид увеличивается на 8,8…15,4 %, диаметры трахеид в радиальном направлении - на 8,8…14,1 %. Отрицательно действует на диаметры поздних трахеид в радиальном направлении P100, снижая их значения на 11,7 %. В сосняках долгомошных во всех опытах удобрения вызывают утолщение стенок трахеид на 8,7…17,0 %; N150, N200 повышают диаметры ранних трахеид в радиальном направлении на 9,4…10,5 % по сравнению с контролем .

В результате внесения удобрений происходят изменения в длине трахеид. В сосняках брусничных во всех опытах с однократном и повторным удобрением наблюдается увеличение длины поздних трахеид на 2,8…13,6 %. Длина ранних трахеид в одних случаях повышается: N200, (NPK)200, K200, (NPK)150+N150 (на 6,5…8,8 %); в других остается без изменений: N100, N150, все опыты с повторным удобрением, кроме (NPK)150+N150; в третьих уменьшается - P200 (на 3,8 %). В сосняках лишайниковых удлинению ранних и поздних трахеид способствуют P150, P200 (на 4,1…7,1 %), только поздних трахеид - (NPK)200 (на 3,6 %), а K150 и K200 снижают длину ранних и поздних трахеид (на 3,6...8,9 %). В сосняках долгомошных повышают длину ранних трахеид на 3,7…4,8 % N150, N200, (NPK)150. В опытах с азотными и смешанными туками, в которых значительно повышаются ШГС и процент поздней древесины, отмечена прямая, средняя и тесная связь между ШГС и длинной поздних трахеид.(r=0,67…0,99). Это дает основание использовать длину поздних трахеид в качестве одного из индикаторов интенсивности роста сосны.

В изучаемых типах леса влияние однократного и повторного внесения удобрений на диаметры и толщину стенок трахеид продолжается 4…7 лет, на длину трахеид после однократного удобрения - 5…7 лет, после повторного удобрения - не более 13 лет. Максимальных размеров трахеиды достигают на 2…5-й годы после внесения минеральных удобрений. Проведенные исследования свидетельствуют, что применение минеральных удобрений в приспевающих и спелых сосняках преобладающих типов леса подзоны южной тайги положительно влияет на микроструктуру древесины и позволяет выращивать сосновые древостои с заданными размерами древесных волокон.

Физико-механические свойства древесины в сосняках Унженской низменности. Исследования в контрольных и удобренных сосняках брусничных и лишайниковых Унженской низменности физических свой-ств древесины сосны: базисной плотности, усушки в радиальном и тангенциальном направлениях и механических свойств древесины: предела прочности при сжатии вдоль волокон и предела прочности на статическом изгибе свидетельствуют об их оптимальных значениях, характерных для высококачественной древесины сосны. Результаты исследований представлены в табл.2.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в сосняках брусничных и лишайниковых тип леса и минеральные удобрения не влияют на средние значения базисной плотности деревьев на высоте 1,3 м (табл. 2). Другая тенденции на этой же высоте наблюдается в периферийной зоне стволов деревьев после внесения азотных удобрения в дозе 200 кг/га, в которой удобрения за период их действия вызывают существенное повышение ШГС, процента поздней древесины, толщины стенок и диаметров поздних трахеид. В этом опыте удобрения достоверно увеличивают базисную плотность древесины сосны на 3…6 % в течение 6…8 лет после их внесения. Исследования изменения базисной плотности в зависимости от показателей макроструктуры древесины сосны в изучаемых древостоях показали прямую, тесную связь между базисной плотностью и процентом поздней древесины (r = 0,70…0,74); прямую, среднюю и слабую связь с количеством годичных слоев в 1 см (r = 0,42…0,68); обратную, среднюю и тесную связь с ШГС (r = -0,57…-0,83).

Таблица 2 - Физико-механические свойства древесины в сосновых древостоях по типам леса

Примечания: 1. Приведены средние значения по модельным деревьям II кл. роста на пробных площадях; 2.* - различие с контролем существенно с вероятностью 0,95 и 0,90 (tф>tт), t _0,05=1,98; t _0,10=1,67; 3. с_б - базисная плотность, кг/м³; 4. в^r_max, в^t_max - максимальная усушка соответственно в радиальном и тангенциальном направлениях образцов, %; 5. k^r_в, k^t_в - коэффициент усушки соответственно в радиальном и тангенциальном направлениях образцов, %; 6. д_w - предел прочности при влажности в момент испытания, МПа; 7. д₁₂ - предел прочности при нормализованной влажности, МПа.

В контрольных сосняках брусничных и лишайниковых тип леса не влияет на максимальную усушку, коэффициент усушки и механические свойства древесины (предел прочности). В сосняках лишайниковых удобрения также не оказывают действия на указанные показатели, а в сосняках брусничных вызывают у них разные изменения в зависимости от повторности внесения туков. В сосняках брусничных внесение азотных удобрений повышает максимальную усушку и коэффициент усушки: однократное (N200) - на 14,3…17,9 % (в радиальном и тангенциальном направлениях), повторное (N150+N150) соответственно - на 17,2 % и 17,1 % (в тангенциальном направлении) по сравнению с контролем (табл. 2). Изменения в усушке, видимо, связаны с повышением общей массы и размеров клеток поздней зоны в сосняках брусничных после внесения туков.

Однократное внесение удобрений в сосняках брусничных способствует увеличению предела прочности на статический изгиб на 12,7 %, повторное удобрение - снижению предел прочности при сжатии вдоль волокон на 9,8 % по сравнению с контролем (табл. 2). Различный характер изменения предела прочности при сжатии вдоль волокон и предела прочности на статический изгиб в опытах с однократным и повторным удобрением в сосняке брусничном, видимо, связан с изменениями в этих опытах в макро- и в микроструктуре древесины. Указанные изменения не выходят за пределы допустимых значений на высококачественную древесину сосны. Таким образом, азотные удобрения не ухудшают или положительно влияют на основные физико-механические свойства древесины сосны в приспевающих и спелых сосняках брусничных и лишайниковых.

Изменения в строении древесины влияют на содержание в ней целлюлозы. В результате улучшения макро- и микроструктуры древесины после внесения удобрений (N200) в сосняках брусничных выход целлюлозы увеличивается на 2,14 %. Следовательно, применение азотных удобрений в приспевающих и спелых сосняках позволяет получать деловую древесину сосны с оптимальными качественными характеристиками.

8. Организация устойчивого лесопользования в целевом хозяйстве по выращиванию пиловочника

Организация целевых хозяйств по выращиванию определенного сортимента с конкретным оборотом рубки - является объектом оптимизации лесопользования и повышения комплексной продуктивности лесов. Проведенные нами исследования по формированию целевого хозяйства по выращиванию пиловочника (ЦХП) апробированы в Опытном лесхозе «Чернолуховский» Костромской области. Исследования были ориентированы на организацию устойчивого лесопользования в целевом хозяйстве для удовлетворения потребностей арендаторов в пиловочнике высокого качества и повышение продуктивности лесов Унженской низменности.

Характеристика лесного фонда и использование лесосырьевых ресурсов в целевом хозяйстве. Для формирования целевого хозяйства по выращиванию пиловочника в лесном фонде Опытного лесхоза «Чернолуховский» были подобраны 94 квартала, общей площадью 35608 га. Покрытые лесной растительностью земли в ЦХП занимают 31500,7 га, или 89,0 % общей площади хозяйства. Целевой породой является сосна, запас которой составляет 3833,2 тыс. м³ (85,3 % общего запаса ЦХП). Насаждения целевого хозяйства имеют удовлетворительное состояние, характеризуются средними таксационными показателями: составом - 7,1С2,2Б0,3Е0,3Ос0,1Олч+Л,Олс,Ивд,Лп,К; возрастом - 45 л.; бонитетом - в II.1; полнотой -0,68; запасом -143 м³/га. В насаждениях преобладают производительные типы леса: сосняки брусничные и черничные, что говорит об их высокой потенциальной продуктивности. Возрастная структура насаждений имеет неравномерный характер распределения. На территории целевого хозяйства (ЦХ) преобладают молодняки (48,9 %), средневозрастные (41,7 %) и крайне мало спелых (2,8 %) и приспевающих (6,6 %) насаждений. Это объясняется интенсивной рубкой спелых и перестойных насаждений в эксплуатируемых лесах и заменой их молодняками. Наличие в ЦХП значительных площадей средневозрастных насаждений дает возможность в течение ближайших 10…20 лет существенно повысить их продуктивность, запасы деловой древесины, в том числе пиловочника, доходность ведения целевого лесного хозяйства в результате внесения минеральных удобрений.

Система лесоводственных мероприятий в целевом хозяйстве. На территории целевого хозяйства образованы две секции: хвойная с преобладанием насаждений сосны - целевой породы, мягколиственная, включающая все произрастающие в ней мягколиственные породы. Возраст количественной спелости по сосне установлен 55 лет, возраст технической спелости на крупный и средний пиловочник - 81…85 лет, соответственно возраст и оборот рубки - 85 лет.

В ЦХП в результате определения ежегодного размера главного пользования по целевой породе (сосне) максимальная расчетная лесосека по площади составила 370,6 га/год, а размер фонда реконструкции, подлежащей ежегодному освоению - 47,5 га. По форме хозяйства следует проводить в хвойной секции сплошнолесосечные рубки, в мягколиственной секции - реконструктивные рубки, с частичным или полным созданием лесных плантаций или культур. Для повышения эффективности ведения лесного хозяйства предлагается выделять и проводить лесоводственные мероприятия в лесах целевого назначения с использованием ландшафтного подхода на водосборно-бассейновом принципе.

Теоретические положения и практическое значение применения минеральных удобрений в целевом хозяйстве при ускоренном выращивании леса. В целевом хозяйстве по выращиванию пиловочника для ускоренного получения целевого сырья - среднего и крупного пиловочника, обеспечения непрерывного и неистощительного лесопользования и повышения продуктивности леса целесообразно применение интенсивные методы лесовыращивания с внесением минеральных удобрений. В результате наших исследований установлено, что использование минеральных удобрений в сосняках преобладающих типов леса подзоны южной тайги, произрастающих на бедных песчаных почвах, оказывает комплексное воздействие на лесные фитоценозы: повышает плодородие лесных почв, количество благонадежного самосева и подроста под пологом леса, увеличивает запасы древесины, улучшает её строение и физико-механические свойства. Исследования, проведенные в приспевающих и спелых сосняках брусничных в контрольных и удобренных вариантах опыта, показали, что внесение азотных удобрений в дозе 200 кг/га в приспевающие древостои (64 г.) способствует снижению возраста рубки на 10 лет (с 85 до 75 лет) и получению дополнительно неполного среднего прироста деловой древесины 0,43 м³/га в год и 4,3 м³/га за 10 лет, пиловочника соответственно - 0,32 м³/га в год и 3,2 м³/га за 10 лет. В этом опыте удобрения (N200) за 6…21 год их действия увеличивают объем хлыста на 10,7…12,2 %, выход крупной и средней деловой древесины на 8,7…11,6, в том числе пиловочника - на 8,8…10,5 % по сравнению с контрольным древостоем, наибольший эффект от удобрений в 75 лет через 11 лет после их внесения.

Для повышения эффективности применения минеральных удобрений при целевом выращивании леса сырьевого назначения в результате экспериментальных и теоретических исследований на основе системного подхода разработаны системы применения минеральных удобрений на разных уровнях по этапам формирования леса (рис. 6, 7) и концепция выращивания сосновых насаждений для получения деловой древесины высокого качества с применением удобрений на этапе сформировавшегося типа леса. Они опираются на учения И.С. Мелехова по динамической типологии леса (1980), системе мероприятий по повышению древесной продуктивности (1987, 1989) разработанную им классификации таежных сосновых лесов по наличию запасов пиловочника и других сортиментов (1966); методические рекомендации Н.А. Моисеева по классификации лесов по целевому назначению и режиму их использования (1993, 2004), М.Д. Гиряева по организации целевых хозяйств (2003).

Система использования удобрений при формировании целевых хозяйств, основанная на динамической типологии леса (Мелехов,1980) объединяет естественные, искусственные насаждения и разные регламенты внесения удобрений, что позволяет оценить их в совокупности как единое целое по этапам возобновления и развития леса. Она включает применение удобрений в лесокультурном и плантационном производствах на ранних стадиях роста леса в условиях формирования определенных типов вырубок, а затем и типов леса; в лесовыращивании естественных насаждений на этапах, предшествующих образованию леса (типах вырубок), и этапах формирующегося леса (типов леса). На выходе системы образуется сформировавшийся тип леса с преобладанием главной породы в древостое (рис. 6). Выбор этапов и регламентов применения удобрений в целевых хозяйствах зависит от целевой направленности хозяйства и конкретных природных и экономических условий.

Рис.6. Система использования удобрений при формировании целевых хозяйств на основе динамической типологии леса: Л - лес, В - вырубка

Основываясь на высоких лесоводственной и экономической эффективностях применения туков в приспевающих и спелых сосняках, их комплексном воздействии на главные компоненты лесных фитоценозов, предложена концепция целевого выращивания и повышения продуктивности сосновых насаждений сырьевого назначения для получения деловой древесины, в том числе пиловочника, высокого качества на этапе сформировавшегося типа леса.

Рис. 7. Система применения минеральных удобрений в целевых хозяйствах в сосняках преобладающих типов леса южно-таёжного лесного района европейской части Российской Федерации

На основе данной концепции разработана система применения минеральных удобрений в целевых хозяйствах в сосняках преобладающих типов леса южно-таёжного лесного района европейской части Российской Федерации (рис 7). Данная система позволяет в целевых хозяйствах выбрать оптимальные регламенты применения туков с учетом их целевой направленности и типов леса.

Для получения деловой древесины, в том числе пиловочника, высокого качества с применением минеральных удобрений на этапе сформировавшегося типа леса нами разработан метод, включающий комплекс факторов: почвенных; лесоводственных: типов леса, лесорастительных условий, структуры и особенностей роста насаждений, с учетом классов роста и развития деревьев, размеров их крон, дендроцикла и интенсивности формирования прироста, срока главной рубки после внесения удобрений; регламентов применения туков: видов, доз, повторности, способа внесения, продолжительности их действия (рис.8).

Рис.8. Схема метода целевого выращивания сосновых насаждений для получения деловой древесины высокого качества на этапе сформировавшегося типа леса

Разработанный метод может использоваться при организации целевых хозяйств или хозяйственных секций по выращиванию деловой древесины, пиловочника и других ценных сортиментов древесины сосны высокого качества при интенсивном ведении лесного хозяйства.

При уходе за лесом с внесением удобрений для сосняков преобладающих типов леса подзоны южной тайги Унженской низменности в результате экспериментальных исследований установлены региональные показатели критерия качества древесины сосны по индикаторам: макроструктуре древесины - ширине годичных слоёв (ШГС), проценту поздней древесины, числу годичных слоёв в 1 см; микроструктуре древесины - толщине стенок трахеид, диаметрам и длине трахеид; физическим свойствам древесины - плотности (базисной), усушке (максимальной усушке, коэффициенту усушки); механическим свойствам древесины - пределу прочности при сжатии вдоль волокон и пределу прочности на статический изгиб.

Для характеристики качества древесины сосны при интенсивном лесовыращивании нами предлагается применять комплексный показатель, включающий основные элементы макроструктуры древесины: ширину годичных слоев, процент поздней древесины, число годичных слоев в 1 см. В зависимости от изменений в макроструктуре годичных слоев рекомендуем выделять три класса критерия качества древесины: 1 кл. - высокое: ШГС - 0,5…1,5 мм; процент поздней древесины - 30…40 % и более; число годичных слоев в 1 см - 7…20 шт./см; 2 кл. - среднее: ШГС - 1,5…3,5 мм; процент поздней древесины - 20…35 % и более; число годичных слоев в 1 см - 3…7 шт./см; 3 кл. - низкое качество: ШГС - более 3,5 мм; процент поздней древесины - 25 % и менее; число годичных слоев в 1 см - менее 3 шт./см.

Региональные показатели и предлагаемые классы качества древесины сосны могут найти применение в практике лесного хозяйства и лесной промышленности при оценке качества древесины сосны, получаемой в результате интенсивного лесовыращивания, и сертификации.

Совершенствование авиационной технологи внесения минеральных удобрений в лесные насаждения. Эффективность применения минеральных удобрений в значительной степени зависит от способа их внесения. В отечественной лесоводственной практике существующие способы подкормки удобрениями лесных объектов (ручной, механизированный с использованием наземной техники, авиационный с применением самолета Ан-2) не полностью отвечают современным лесоводственным, природоохранным требованиям, не обеспечивают необходимые качество и производительность работ. По программе ГКНТ (Государственного комитета по науке и технике) диссертантом с соавторами (Степаненко, 1987, 1988; Воронкова, Степаненко, 1989) проведены авиационные и лесоводственные исследования, на основании которых усовершенствована авиационная технология внесения удобрений с помощью вертолетов Ка-26 и Ми-2. Предложенная технология при двойном перекрытии обрабатываемой площади обеспечивает высокое качество работ за счет своевременной отсечки и равномерного распределения удобрений по площади (коэффициенту вариации: Ка-26 - 9,2, Ми-2 - 19…38 %). Использование вертолетов в 13…15 раз повышает производительность труда по сравнению с ручным способом, обеспечивает быстрое, своевременное внесение туков, хорошее качество работ, отвечает лесоводственным, природоохранным требованиям и является эффективным способом внесения удобрений на лесных площадях 50…100 га.

Экономическая оценка применения минеральных удобрений при интенсивном ведение целевого лесного хозяйства по выращиванию пиловочника в средневозрастных, приспевающих и спелых сосняках преобладающих типов леса подзоны южной тайги в условиях Унженской низменности показала их высокую экономическую эффективность на разных уровнях: 1) от получения дополнительного запаса деловой древесины крупных, средних сортиментов, в том числе, пиловочника высокого качества; 2) от сокращения возраста и оборота рубки на 10 лет; 3) от сокращения периода естественного возобновления сосны и снижения денежных средств и производственных ресурсов на искусственное лесовосстановление. В целевом хозяйстве по выращиванию пиловочника, в хвойном хозяйственной секции наибольшую лесоводственную и экономическую доходности (по ценам на 20.03.2007 г., при механизированном способе внесения МВУ-0,5) обеспечивают в сосняках брусничных, черничных однократное и повторное применение азотных и смешанных туков в дозах 150, 200 кг/га; в сосняках лишайников - однократное внесение азотных удобрений в дозах 150, 200 кг/га с рубкой главного пользования через 6 лет, а в сосняке черничном в опыте с N200 - с главной рубкой через 12 лет после внесения удобрений, когда дополнительный экономический эффект от внесения удобрений составляет 8,7…22,0 тыс. руб./га, индекс доходности - 1,74…4,88 руб. (на 1 руб. затрат). Снижение возраста рубки за счет применения удобрений на 10 лет с 85 до 75 лет способствует выходу дополнительного сырья в год на 1 га: деловой древесины на 15,0, пиловочника - на 21,9 %. В спелом сосняке брусничном внесение азотных удобрений (N200) является эффективным приёмом для содействия естественному возобновлению под пологом леса, способствующим увеличению количества подроста до значений, когда не требуется создания лесных культур. В этом случае за счёт применения туков дополнительный экономический эффект от них составляет 28,7 тыс. руб./га, индекс доходности - 6,4 руб. (на 1 руб. затрат), экономия прямых производственных затрат - 14,0 тыс. руб./га, или 80,9 %. Следовательно, при интенсивном ведении целевого лесного хозяйства по выращиванию леса сырьевого назначения, в том числе пиловочника, применение минеральных удобрений является перспективным приемом в повышения продуктивности леса, ускоренного получения древесины высокого качества, и обеспечения наибольших лесоводственной и экономической доходностей.

Заключение

В результате проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований сделаны выводы и рекомендации:

1. Дана оценка современного состояния лесов и лесного фонда Унженской низменности, свидетельствующая о снижении продуктивности лесов за последние полтора-два столетия в 2…3 раза в результате их интенсивной эксплуатации и лесных пожаров. В настоящее время в лесных насаждениях средний запас составляет 145 м³/га, они имеют неравномерную возрастную структуру с преобладанием средневозрастных древостоев простой формы; под пологом леса идет неудовлетворительно процесс естественного возобновления главными породами. В сосняках основных типов леса: черничных, брусничный, лишайниковых и долгомошных за период жизни древостоев формируется древесина высокого качества с оптимальными показателями макро- и микроструктуры. Что свидетельствует о больших потенциальных возможностях лесопользования в изучаемом регионе при повышении их продуктивности.

2. Разработаны и научно обоснованы новые подходы целевого выращивания и повышения продуктивности сосновых насаждений с использованием естественных природных процессов, методов интенсивного ведения лесного хозяйства с внесением минеральных удобрений и формированием целевых хозяйств (ЦХ) по выращиванию деловой древесины. На их основе разработана научная концепция целевого выращивания и повышения продуктивности сосновых насаждений сырьевого назначения для получения деловой древесины высокого качества на этапе сформировавшегося типа леса с использованием минеральных удобрений. При формировании ЦХ предложена система лесоводственных мероприятий по организации хозяйственных секций, форм хозяйства, возрастов и оборотов рубок целевых сортиментов, в ЦХ сырьевого назначения обосновано внесение туков. Разработаны системы применения минеральных удобрений при целевом выращивании сосновых насаждений сырьевого назначения на основе динамической типологии леса, отдельного этапа - сформировавшегося типа леса и завершенных лесокультурном и плантационном производствах, опирающиеся на системный подход, закономерности природных процессов, структурно-функциональные связи, зависимости и свойства лесных фитоценозов.

3. Установлено комплексное, положительное и продолжительное (5…12 лет) влияние удобрений, содержащих азот, в приспевающих и спелых сосняках на этапе сформировавшегося типа леса на основные компоненты лесных фитоценозов и их продуктивность. Оно проявляется в улучшении почвенного плодородия за счет возрастания в почве валового азота в 1,8…2,2 раза; изменении в соотношении видов растений в ЖНП, благоприятно влияющем на возобновления леса; увеличении количества жизнеспособного подроста хвойных пород в 1,2…2,3 раза. В повышении устойчивости сосновых насаждений к неблагоприятным климатическим условиям (засухе). При целевом выращивании пиловочника выявлено существенное повышение текущего радиального прироста в зависимости от типов леса в 1,3…2,3 раза; продуцирование дополнительного текущего прироста по запасу после 1-го и 2-го приемов внесения туков соответственно 7…34 и 13…57 м³/га; увеличение выхода крупной и средней деловой древесины на 8,7…11,6 в том числе пиловочника - на 8,8…10,5 %; сокращение возраста и оборота рубки на 10 лет (с 85 до 75) и получение 15…22 % дополнительного сырья.

4. Выявлено влияние минеральных удобрений в приспевающих и спелых сосняках на формирование и анатомическое строение древесины сосны в течение 5…12 лет в зависимости от регламентов их применения, типов леса, классов роста и размеров крон деревьев. Удобрения способствуют увеличению деятельности камбия и удлинению периода его активности за счет более ранней реактивации (на 7…10 дней) и более позднего окончания его работы (на 8…12 дней) после внесения азотных туков. Они вызывают положительные изменениями в макроструктуре древесины в большинстве опытов с туками в результате увеличения ШГС в 1,2…2,3 раза, процента поздней древесины - на 8,6…30,7 %, снижения числа годичных слоев в 1 см на 15,0…56,8 % до средних значений; в микроструктуре древесины за счёт повышения общего количества рядов трахеид на 18,7…107,3, поздних трахеид - на 17,8…139,3 %, увеличения радиальных диаметров трахеид на 9,4…12,7 %, толщины их стенок - на 8,7…18,2 %, длины трахеид - на 2,8…13,6 %. Применение минеральных удобрений в приспевающих и спелых сосняках брусничных, черничных и лишайниковых положительно влияет на анатомическое строение древесины сосны.

5. Изменения в макро- и микроструктуре древесины сосны в сосняках брусничных и лишайниковых после внесения азотных туков в дозе 200 кг/га положительно действуют на ее базисную плотность, увеличивая ее за период действия удобрений на 3…6 %, и не ухудшают физико-механи-ческие свойства древесины. Применение азотных удобрений в приспевающих и спелых сосняках брусничных и лишайниковых позволяет получать деловую древесину сосны, в том числе пиловочника, с оптимальными качественными характеристиками.

6. Разработан научно обоснованный метод целевого выращивания сосновых насаждений для получения деловой древесины высоко качества с применением минеральных удобрений. Предложены и обоснованы критерии качества древесины сосны при интенсивном лесовыращивании по показателям макроструктуры годичных слоев. Определены региональные показатели качества древесины сосны (по макро-, микроструктуре, физическим и механическим свойствам). Созданы математические модели прогноза влияния минеральных удобрений на макроструктуру древесины сосны. Установлено влияние азотных туков на выход целлюлозы. Усовершенствована авиационная технология внесения минеральных удобрений на лесные объекты вертолётами Ми-2 и Ка-26, отвечающая требованиям охраны природы. Показаны лесоводственная и экономическая эффективности применения минеральных удобрений в южной подзоне тайги европейской части России на этапе сформировавшегося типа леса. Доказана возможность целевого выращивания древесины сосны с заданными строением, качеством, свойствами и повышения продуктивности сосновых насаждений путем внесения минеральных удобрений и формированием целевых хозяйств.

7. Для организации устойчивого лесопользования, повышения продуктивности лесов и обеспечения их целевого назначения на предприятиях лесного хозяйства рекомендуется формировать ЦХ по выращиванию определенного сортимента с сокращенным оборотом рубки. В подзоне южной тайги европейской части России (на примере сосняков Унженской низменности) в лесах сырьевого назначения предлагается создание целевых хозяйств по выращиванию товарных сортиментов. При выделении лесных насаждений целевого назначения и формировании соответствующих целевых хозяйств целесообразно использовать ландшафтный подход на водосборно-бассейновом принципе.

8. В целевом хозяйстве по выращиванию пиловочника (ЦХП) следует использовать гибкие возрасты и обороты рубок в зависимости от методов ведения лесного хозяйства: при традиционном - возраст и оборот рубки - 85 лет; при интенсивном методе с применением удобрений (N200) в ЦХП в приспевающих сосняках для получения крупного и среднего пиловочника - 75 лет. По форме хозяйства в ЦХП в хвойной секции рекомендуется проводить сплошнолесосечные рубки, в мягколиственной - реконструктивные рубки с частичным или полным созданием лесных культур.

9. При целевом выращивании деловой древесины, пиловочника и других сортиментов для обеспечения непрерывного и неистощительного пользования лесом, повышения его продуктивности и сокращения периода его выращивания в хвойной хозяйственной секции целесообразно использовать минеральных удобрения на основе системного подхода, с учетом происхождения, структуры насаждений, этапов их роста и формирования, типов леса, регламентов применения туков. В южной подзоне тайги европейской части России в сосняках преобладающих типов леса для повышения почвенного плодородия, увеличения жизнеспособного самосева и подроста хвойных пород, а в сосняке брусничном для обеспечения успешного возобновления вырубок, без создания лесных культур; для получения наибольших запасов дополнительного текущего прироста деловой древесины высокого качества с оптимальным строением и физико-механическими свойствами целесообразно однократное внесение азотных и смешанных удобрений в дозах 150, 200 кг/га (в сосняках брусничных, черничных, лишайниковых) и повторное (через 5) внесение азотных в дозе 150 кг/га на фоне азотных и смешанных туков в дозе 150 кг/га (в сосняках брусничных, черничных) с рубкой главного пользования через 6 лет, а в сосняке черничном с применением N200 - с главной рубкой через 12 лет после внесения удобрений. В сосняке долгомошном перед внесением туков рекомендуется проведение осушительной лесомелиорации.

10. Для внесения минеральных удобрений на лесных площадях 50…100 га целесообразно применение вертолетов Ми-2 и Ка-26, оборудованных туннельным и центробежным (ЦБР) разбрасывателями, которые при двухкратном перекрытии обрабатываемых полос обеспечивают высокую производительность, равномерный рассев туков, а также отвечают природоохранным требованиям. Применение Ка-26 с ЦБР обеспечивает более равномерный рассев и высокое качество внесения туков.

Теоретические положения и практические рекомендации, изложенные в работе, могут служить основой для разработки других систем применения минеральных удобрений для их эффективного использования при интенсивном лесовыращивании.

Таким образом, результаты исследований позволяют решить важную народнохозяйственную проблему повышения продуктивности леса путем его целевого выращивания, рационального пользования лесными ресурсами и получения от них наибольших лесоводственной и экономической доходностей на основе традиционных и новых подходов ведения лесного хозяйства с применением методов интенсивного лесовыращивания и совершенствованием устойчивого лесопользования

сосновый древесина удобрение продуктивность

Основные публикации по теме диссертации

В изданиях по перечню ВАК:

1. Степаненко И.И. Влияние удобрений на строение древесины в сосняке брусничном [Текст] / И.И. Степаненко // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 1989. - № 6. - С. 127-130.

2. Степаненко И.И. Влияние удобрений на анатомическое строение древесины сосны в разных типах леса [Текст] / Степаненко, И.И. // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал - 2000. - № 4. - С. 126-134.

3. Степаненко И.И. Радиальный прирост и его динамика в удобренных сосняках лишайниковом и долгомошном [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2003. - № 3 (38). - С. 112-116.

4. Степаненко И.И. Влияние однократного внесения удобрения на радиальный прирост сосняка брусничного [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2003. - № 3. - С. 8-11.

5. Степаненко И.И. Особенности изменения микроструктуры древесины в опытах с фосфорными и калийными удобрениями в сосняке лишайниковом [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2004. - № 2 (33) - С. 15-21.

6. Степаненко И.И. Азотные удобрения и динамика микроструктуры древесины в сосняке долгомошном [Текст] / И.И.Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2004. - № 4 (35). - С. 36-41.

7. Степаненко И.И. Климатические факторы и эффективность действия азотных удобрений на радиальный прирост сосны в разных типах леса [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2005. - № 2 (38) - С. 5-9.

8. Степаненко И.И. Динамика радиального прироста и некоторых его анатомических показателей в результате внесения азотных удобрений в сосняк брусничный [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2005. - № 2 (38). - С. 12-17.

9. Степаненко И.И. Повышение продуктивности сосновых насаждений в результате внесения минеральных удобрений [Текст] / И.И. Степаненко // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2005 - № 4. - С. 61-69.

10. Рожков А.А. Повышение плодородия почв в опытах с минеральными удобрениями в сосняках Унженской низменности [Текст] / В.А Рожков, И.И Степаненко, О.В. Кормилицина // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник.- 2005. - № 5 (41). - С. 38-48.

11. Степаненко И.И. Динамика макро- и микроструктуры древесины сосны в опытах с полными удобрениями в разных типах леса [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2006. - № 1 (43). - С.11-20.

12. Степаненко И.И. Изменения в живом напочвенном покрове в опытах с минеральными удобрениями в разных типах леса [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2006. - № 6 (48). - С. 4-12.

13. Степаненко И.И. Естественное возобновление леса в удобренных сосняках Унженской низменности [Текст] / И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2007.- № 1 (50) - С. 23-32.

14. Чумаченко С.И. Влияние классов роста и размеров крон деревьев на строение древесины сосны при внесении минеральных удобрений [Текст] / С.И. Чумаченко, И.И. Степаненко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2007. - № 6 (56). - С. 7 -13.

15. Чумаченко С.И. Использование математических моделей, прогнозирующих влияние интенсивных методов выращивания леса на строение древесины [Текст] / С.И. Чумаченко, И.И. Степаненко // Лесное хозяйство. - 2008. - № 4. - С. 36-38.

16. Степаненко И.И. Применение математических моделей для прогнозирования влияния минеральных удобрений на формирование и строение древесины сосны [Текст] / И.И. Степаненко, С.И. Чумаченко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник.. - 2008. - № 6 (63). - С. 32 - 37.

Прочие:

17. Степаненко И.И. Новая технология внесения минеральных удобрений в лесные насаждения [Текст] / И.И. Степаненко // Всесоюзная школа молодых ученых и специалистов по современным проблемам защитного лесоразведения и охраны природы: тр., Минск, 19-25 окт. 1987. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 1987. - С. 104-105.

18. Степаненко И.И. Авиационное внесение минеральных удобрений в лесные насаждения на базе вертолета Ка-26 [Текст] / И.И.Степаненко - М.: деп. в ЦБНТИ лесхоз, 1988.- № 5 (199). - С. 120.

19. Воронкова А.Б. Новое в технологии авиационного внесения минеральных удобрений в лесные насаждения с применением вертолетной техники [Текст] / А.Б. Воронкова, И.И. Степаненко // Повышение плодородия лесных почв. - М.: ВНИИЛМ, 1989. - С. 95-108.

20. Степаненко И.И. Влияние азотных удобрений на структуру древесины сосны [Текст] / И.И. Степаненко // Науч. тр. Моск. гос. ун-та леса. - 1989.- Вып. 210.- С. 55-58.

21. Степаненко И.И. Макроструктура годичных слоев сосны в разных типах леса в результате внесения минеральных удобрений [Текст] / И.И. Степаненко // Науч. тр. Моск. гос. ун-та леса. - 1990.- Вып. 234.- С. 38- 41.

22. Степаненко И.И. Изменения в макро- и микроструктуре годичных слоев сосны после удобрения в лишайниковом и долгомошном типах леса [Текст] / И.И. Степаненко // Науч. тр. Моск. гос. ун-та леса. - 1992.- Вып. 257.- С. 33-38.

23. Степаненко И.И. Влияние минеральных удобрений на качество древесины сосны у деревьев разных категорий (классов Крафта) [Текст] / И.И. Степаненко // Науч. тр. Моск. гос. ун-та леса. - Вып. 274. - 1995.- С. 108-116.

24. Степаненко И.И. Вегетационная динамика формирования годичных слоев в удобренных сосняках [Текст] / И.И. Степаненко // Науч. тр. Моск. гос. ун-та леса. - 1998. - Вып. 289.- С. 116-126.