Фитонасыщенность полезащитных лесных полос как фактор их мелиоративного влияния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фитонасыщенность полезащитных лесных полос как фактор их мелиоративного влияния

Целью научного исследования являлось определение степени мелиоративного влияния полезащитных лесных полос через их фитонасыщенность - отношение массы растительного вещества к объему надземной части насаждения. Установлено, что фитонасыщенность лесных полос зависит от лесорастительных условий, породного состава, возраста и запаса древесины. Фитонасыщенность определяет мелиоративное влияние лесных полос через ветровой режим и снегонакопление на межполосных полях. Анализ фитонасыщенности лесных полос в различных лесомелиоративных районах Ростовской области показал, что высокая фитонасыщенность характеризуется показателем более 0,65 кг/мі, средняя - от 0,34 до 0,65, низкая - менее 0,34 кг/мі. Ветровой режим предложено характеризовать коэффициентом кинетической энергии ветра - отношением этой энергии в зоне мелиоративного влияния лесных полос и на контрольном участке (середина межполосного поля). Снегонакопление предложено характеризовать коэффициентом запасов снеговой воды - отношением этих запасов в зоне мелиоративного влияния лесных полос и на контрольном участке межполосного поля. Получены уравнения множественной связи коэффициентов кинетической энергии ветра и запасов снеговой воды на межполосных полях с фитонасыщенностью и шириной лесных полос. Результаты проведенных исследований были использованы для прогнозирования мелиоративного влияния лесных полос, что позволило уточнить их наиболее перспективный породный состав в различных лесомелиоративных районах Ростовской области.

В последние годы в полезащитных лесных полосах степной зоны, как правило, не проводятся лесоводственные уходы, направленные на создание и поддержание ажурных и продуваемых конструкций. Несмотря на это, эффективность таких лесных полос остается высокой [1].

Можно полагать, что при сильных ветрах лесные полосы определенной ширины сами регулируют свою ветропроницаемость, т. к. кроны деревьев временно принимают флагообразную форму. Такая форма может оставаться постоянной в районах с сильными ветрами одного направления.

Кроме того, по мере нарастания фитомассы лесных полос с возрастом их мелиоративное влияние увеличивается [2, 3]. Исследование фитомассы лесных насаждений проводили разные авторы [4, 5], однако гипотезу о мелиоративном влиянии фитомассы лесных полос впервые выдвинул М. И. Долгилевич [6]. Такая гипотеза требует экспериментального подтверждения и теоретического обоснования.

Мелиоративное влияние лесных полос проявляется через фитонасыщенность, под которой понимают массу растительного вещества в единице объема надземной части насаждения [2].

Недостаточная изученность мелиоративного влияния фитомассы лесных полос определила задачу исследований - установление мелиоративной роли полезащитных лесных полос разной фитонасыщенности и ширины с учетом лесомелиоративного районирования Ростовской области [1].

Эксперименты проводились в 2011-2012 гг. Модальные лесные полосы подбирались путем статистического анализа в среде Microsoft Оffice Ехсеl 2003 материалов единовременной инвентаризации защитных лесонасаждений на землях сельскохозяйственного назначения Ростовской области (2006 г.), проведенной НПЦ «Кадастр» при участии авторов. Видовой состав лесных полос - робиния ложноакациевая, гледичия трехколючковая, ясень зеленый, вяз приземистый, дуб черешчатый, тополь черный. С учетом материалов инвентаризации были подготовлены таблицы роста основных пород лесных полос Ростовской области [7]. С использованием таблиц роста были подобраны модальные лесные полосы на основе анализа лесных насаждений на общей площади 116866 га (71 % общей площади лесных полос региона исследований).

В выбранных лесных полосах закладывались пробные площади тренировочного типа с учетом особенностей таксации лесных полос [8] и тонкомерного леса [9]. Плотность конструкции насаждений определялась в облиственном состоянии фотооптическим методом, площадь просветов в продольном профиле составляла 13-15 %, что характеризует их плотную конструкцию.

Исследования надземной фитомассы лесных полос проводили на пробных площадях. При этом модельные деревья отбирали в каждом из рядов. Надземная фитомасса модельных деревьев подразделялась на укрупненные фракции: ствол с корой, ветви, древесная зелень (листья и побеги диаметром не более 8 мм). Масса нижних ярусов (кустарники, произрастающие под пологом модельных деревьев) распределялась по вышеуказанным фракциям. Массу фракции определяли в свежесрубленном состоянии на платформенных весах с точностью до 100 г. После этого отбирали образцы древесины для определения содержания сухого вещества по ГОСТ 16483.1-84 (СТ СЭВ 388-76) «Древесина. Метод определения плотности», а также, ориентируясь на ГОСТ 21769-84 «Зелень древесная. Технические условия», отбирали листья (древесную зелень) с последующей сушкой и определением массы в воздушно-сухом состоянии.

Объем надземной части насаждения, оказывающей непосредственное влияние на ветровой режим и снегораспределение межполосного поля, рассчитывали как произведение средней высоты, ширины и протяженности лесополосы. Фитонасыщенность лесополосы определяли как отношение надземной фитомассы к объему надземной части насаждения.

Оценку фитонасыщенности проводили по данным обработки статистических рядов с получением средних и стандартных ошибок Гаусса.

Изучение влияния лесных полос с различной фитонасыщенностью на ветровой режим примыкающего сельскохозяйственного поля (агрофон - озимая пшеница или чистый пар) проводили на профилях, которые закладывались перпендикулярно центральной части каждого насаждения. На каждой лесополосе закладывали по 2 профиля с расстоянием между ними 100 м. Скорость ветра определяли при помощи анемометров МС-13, которые устанавливали так, чтобы высота крыльчаток соответствовала 0,1 ( - высота лесополосы). Исследование ветрового режима проводили при направлениях ветра, пересекающих лесополосу под углом 90°, согласно данным Ю. П. Хрусталева [10]. Замеры скоростей ветра проводили в июле-августе в контрольных точках, удаленных от лесополосы на расстояние, кратное : 1 , 2 , 5 , 10 , 20 , 30 и 35 (контроль). Полученные значения скорости переводили в кинетическую энергию ветра по методике Датской ассоциации производителей ветротурбин [11]:

,

где - кинетическая энергия ветра поперечного сечения потока, Дж/м²;

- средняя скорость ветра, м/с.

Используя полученные значения, рассчитали коэффициенты кинетической энергии ветра по соотношению:

,

где - коэффициент кинетической энергии ветра;

и - кинетическая энергия ветра в -ой и контрольной точке наблюдения поперечного сечения потока соответственно, Дж/м².

Чем выше , тем меньше снижение энергии ветрового потока в зоне мелиоративного влияния лесных полос.

Накопление снеговой воды на межполосных полях в зоне мелиоративного влияния лесных полос с различной фитонасыщенностью определяли при помощи снегомерной съемки на профилях в вышеуказанных точках в январе-феврале 2011-2012 гг. Мощность снежного покрова устанавливали при помощи снегомерной рейки в пятикратной повторности. Плотность снега определяли при помощи плотномера-снегомера Любославского. Запас воды на точках вычисляли по известной формуле:

,

где - запас воды в снеге, мм;

- средняя мощность снежного покрова на варианте, см;

- средняя плотность снега на варианте, г/см³.

Используя полученные данные, рассчитывали коэффициенты запаса снеговой воды:

,

где - коэффициент запаса снеговой воды;

и - запасы снеговой воды в -ой и контрольной точках наблюдений соответственно, мм.

Чем выше , тем больше снега накапливается в зоне мелиоративного влияния (до 30 ) лесных полос.

Основные таксационные показатели модальных лесных полос и их фитонасыщенность приведены в таблице 1.

Таблица 1. Таксационные показатели и фитонасыщенность лесных полос

мелиоративный лесной породный

По данным таблицы 1, фитонасыщенность этих лесных полос широко варьирует, что объясняется условиями местопроизрастания. Так, на пробных площадях 1-3 (Сальско-Манычский лесомелиоративный район (ЛМР), сухая степь, каштановые почвы) основные породы представлены робинией, ясенем и вязом возрастом около 35 лет, схема посадки 4Ч1 м. Средняя высота пород не превышает 7 м, диаметр равен 8-12 см, запас древесины около 44 м³. Надземная фитомасса этих полос изменяется от 17105 до 35521 кг/га, что определяет изменения фитонасыщенности от 0,201 до 0,468 кг/м³ надземного объема насаждения. Ширина лесных полос изменяется от 18 до 25 м.

Пробные площади 4-17 характеризуют Приазовский ЛМР. Лесные полосы созданы по схеме посадки 3Ч1 м и образованы робинией, ясенем, вязом, гледичией и дубом низкоствольным. Здесь, в степной зоне, распространены черноземы обыкновенные, что создает благоприятные условия для роста и развития насаждений. Пробы 4-9 характеризуют молодняки из робинии возрастом 15-20 лет. Они состоят из 4-8 рядов, со средней высотой древостоя 7-10 м и средним диаметром 7-10 см. Значения надземной фитомассы меняются от 20962 до 46235 кг/га. Пробные площади 10-17 характеризуют 35-летние насаждения. Фитонасыщенность этих лесных полос может достигать 0,826 кг/м³ надземного профиля лесополосы. Минимальная фитонасыщенность в этой возрастной группе характерна для робиниевых лесополос - 0,563 кг/м³. Ширина насаждений определяется количеством рядов (от 3 до 6) и составляет 9-18 м.

Пробные площади 18-22 характеризуют лесные полосы Нижне-Донского ЛМР (Донская пойма, черноземовидные и аллювиально-луговые почвы). Лесные полосы образованы робинией, ясенем, вязом, гледичией и тополем. Они созданы по схеме посадки 3Ч1 м, имеют возраст 35 лет и надземную фитомассу, изменяющуюся от 48,2 до 75 т/га, что обеспечивает фитонасыщенность насаждений в пределах от 0,507 до 0,731 кг/м³ (соответственно у ясеневых и гледичиевых лесных полос). Ширина лесных полос в этом лесомелиоративном районе колеблется от 3 м (однорядные тополевые насаждения) до 30 м (десятирядные ясеневые лесные полосы).

Пробные площади 23-34 представляют молодняки и средневозрастные насаждения из робинии, ясеня, вяза, гледичии, тополя и дуба, произрастающие в Доно-Донецком ЛМР в степной зоне с преобладанием южных черноземов. Схема посадки 3Ч1 м, что определяет густоту древостоя в пределах от 1157 шт./га до 1741 шт./га. Количество рядов колеблется от 1 (гледичия, тополь) до 7-8 (дуб, робиния), что определяет ширину лесополос от 3 м до 24 м. При этом фитонасыщенность изменяется от 0,247 (молодняки, состоящие из робинии) до 0,743 кг/м³ (средневозрастные гледичиевые лесополосы).

Оценка фитонасыщенности лесных полос (по Гауссу) показала (таблица 1), что ее средняя величина изменяется в пределах от 0,344 до 0,654 кг/м³, низкая фитонасыщенность характеризуется показателем менее 0,344, высокая - более 0,654. Средней фитонасыщенностью характеризуются средневозрастные вязовые насаждения Сальско-Манычского ЛМР (средний запас стволовой древесины 44,2 м³/га), робиниевые молодняки и средневозрастные насаждения Приазовского ЛМР с запасом древесины
41-98 м³/га, а также вязовые и ясеневые лесные полосы с объемом древесины 99-109 м³/га. К насаждениям со средней фитонасыщенностью относятся и 35-летние лесные полосы Нижне-Донского ЛМР и Доно-Донецкого ЛМР (за исключением гледичиевых лесных полос). Высокой фитонасыщенностью характеризуются 40-летние насаждения робинии в Приазовском ЛМР (запас древесины достигает 147 м³/га), а также средневозрастные лесные полосы из гледичии и дуба. Гледичия формирует также насаждения с высокой фитонасыщенностью в Нижне-Донском и Доно-Донецком ЛМР (пробные площади 12, 13, 16, 17, 22, 33). Низкая фитонасыщенность характерна для средневозрастных робиниевых и ясеневых лесных полос Сальско-Манычского ЛМР с запасом стволовой древесины 20-23 м³/га, а также для робиниевых молодняков Приазовского и Доно-Донецкого ЛМР с запасом древесины, соответственно, 13 и 25 м³/га (пробные площади 1, 3-5, 24-26).

Регрессионный анализ данных таблицы 1 позволил установить связь логарифмического вида между фитонасыщенностью надземной части лесных полос (, кг/м³) и их возрастом (, лет):

при = 0,564,

где - коэффициент детерминации.

Как следует из решения данного уравнения, фитонасыщенность агролесомелиоративных насаждений с возрастом увеличивается. Так, в 15 лет она не превышает 0,310 кг/м³, а в 40 лет - достигает 0,580 кг/м³ и более. Данная особенность объясняется приростами пород в лесных полосах в диаметре
(, см), на что указывает уравнение (1) с высокой теснотой связи:

при = 0,649

По уравнению (1) при диаметре древостоя 6 см (молодняки) фитонасыщенность лесной полосы составляет не более 0,230 кг/м³, а при диаметре 15 см - достигает 0,720 кг/м³ и более.

При этом не обнаружено тесной связи между фитонасыщенностью и высотой древостоя (коэффициент детерминации = 0,377). Это можно объяснить тем, что прирост лесных полос по высоте приводит к пропорциональному увеличению объема надземной части насаждений.

Очевидно, что основную часть фитомассы составляет фракция стволовой древесины (78-88 % от общей массы), поэтому была проанализирована зависимость между фитонасыщенностью лесной полосы и запасом древесины, в результате чего между ними обнаружена тесная связь (, м³/га):

при = 0,708

Из уравнения (2) следует, что низкая фитонасыщенность (менее 0,344 кг/м³) характерна для древостоев с запасом древесины 12,5-26,5 м³/га; средней фитонасыщенностью (0,344-0,654 кг/м³) обладают древостои с запасом 27-115 м³/га; высокая фитонасыщенность (более 0,654 кг/м³) характерна для лесных полос с запасом древесины от 116 м³/га до 147 м³/га и более. Следовательно, запас древесины - это индикатор фитонасыщенности лесной полосы.

В таблице 2 приводятся результаты исследования кинетической энергии ветра и запасов снеговой воды на межполосных полях в зоне мелиоративного влияния лесных полос различной фитонасыщенности. Также в таблице приводятся рассчитанные коэффициенты кинетической энергии ветра и запасов снеговой воды.

Регрессионный анализ экспериментальных данных позволил получить обратное уравнение множественной линейной регрессии, характеризующее связь коэффициента кинетической энергии ветра межполосного поля () с фитонасыщенностью надземной части лесной полосы (, кг/м³), а также с ее шириной (, м):

при = 0,640

где - множественный коэффициент корреляции.

Графическое решение уравнения (3) для лесных полос с низкой (0,30 кг/м³), средней (0,50 кг/м³) и высокой (0,70 кг/м³) фитонасыщенностью представлено на рисунке 1.

По данным рисунка 1, наименьшие коэффициенты кинетической энергии ветра (характеризует наибольшее снижение скорости ветра) характерны для зон мелиоративного влияния лесных полос с высокой фитонасыщенностью, а максимальные коэффициенты - для низкой фитонасыщенности. Лесные полосы с высокой фитонасыщенностью шириной 9-15 м характеризуются снижением кинетической энергии ветрового потока в зоне своего мелиоративного влияния на 64-68 % значений на контроле (35 ). При низкой фитонасыщенности такие лесные полосы снижают кинетическую энергию ветра на 48-52 %. Более широкие лесные полосы (18-27 м) с высокой фитонасыщенностью снижают кинетическую энергию ветра на 70-76 %. При низкой фитонасыщенности снижение происходит на 54-60 %.

Таблица 2 . Мелиоративная характеристика лесных полос

Рисунок 1. Связь коэффициента кинетической энергии
ветра в зоне мелиоративного влияния лесных полос
с их шириной и фитонасыщенностью

Множественная зависимость коэффициентов запаса снеговой воды в зоне мелиоративного влияния () от фитонасыщенности и ширины лесной полосы имеет вид:

при = 0,73

Графическое решение прямого множественного уравнения регрессии (4) представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. Связь коэффициентов запаса снеговой воды в зоне мелиоративного влияния лесных полос с их фитонасыщенностью

Анализируя данные рисунка 2, заключаем, что при возрастании фитонасыщенности и ширины лесных полос увеличиваются запасы снеговой воды в зоне мелиоративного влияния насаждений (до 30 ) по сравнению с контролем (35 ).

Лесные полосы шириной от 9 до 27 м с высокой фитонасыщенностью характеризуются коэффициентами запаса снеговой воды от 1,9 до 2,3, а с низкой фитонасыщенностью - от 1,31 до 1,72. Лесные полосы со средней фитонасыщенностью характеризуются значением этих коэффициентов от 1,6 до 2,0.

Породный состав лесных полос, соответствующий высокой и средней фитонасыщенности, для различных лесомелиоративных районов Ростовской области можно уточнить по данным таблицы 1: в Доно-Донецком ЛМР - дуб, робиния и гледичия; в Нижне-Донском ЛМР - робиния, вяз, ясень, тополь и гледичия; в Приазовском ЛМР - робиния, вяз, ясень, гледичия и дуб; в Сальско-Манычском ЛМР наиболее перспективной породой по фитонасыщенности является вяз приземистый.

Выводы

мелиоративный лесной породный

1 Мелиоративное влияние полезащитных лесных полос степной зоны проявляется через их фитомассу, которая характеризуется фитонасыщенностью - массой растительного вещества в единице объема надземной части насаждения.

2 Оценена фитонасыщенность лесных полос (высокая - более 0,65 кг/м3; средняя - от 0,34 до 0,65; низкая - менее 0,34 кг/м3), которая зависит от лесорастительных условий, породного состава, возраста и запаса древесины, в различных лесомелиоративных районах Ростовской области.

3 Ветровой режим межполосного поля предложено характери-зовать коэффициентом кинетической энергии ветра ( ), отражающим изменение скорости ветра в зоне мелиоративного влияния лесных полос. Снижение коэффициента характеризует повышение мелиоративного влияния лесных полос на ветровой режим. Накопление запасов снеговой воды на межполосном поле предложено характеризовать коэффициентом запаса снеговой воды ( ). Чем выше этот коэффициент, тем больше снеговой воды накапливается в зоне мелиоративного влияния лесных полос.

4 Анализ уравнений множественной регрессии коэффициента кинетической энергии ветра и запасов снеговой воды на межполосных полях с фитонасыщенностью и шириной лесных полос позволяет прогнозировать мелиоративную роль насаждений. Уточнен наиболее перспективный породный состав лесных полос, соответствующий высокой и средней фитонасыщенности, для лесомелиоративных районов Ростовской области: Доно-Донецкий - дуб низкоствольный, робиния и гледичия; Нижне-Донской - робиния, гледичия, вяз, ясень и тополь; Приазовский - дуб низкоствольный, робиния, гледичия, ясень и вяз; Сальско-Манычский - вяз.

Список использованных источников

мелиоративный лесной породный

1. Ивонин, В. М. Адаптивная лесомелиорация степных агроландшафтов / В. М. Ивонин, В. В. Танюкевич. - М.: Вузовская книга, 2011. - 240 с.

2. Танюкевич, В. В. Надземная фитомасса лесных полос, их влияние на ветровой режим и влагонакопление агроландшафтов [Электронный ресурс] / В. В. Танюкевич // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. - Электрон. журн. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - № 91(07). - Режим доступа: http://ej.kub-agro.ru/2013/07/pdf/38.pdf.

3. Танюкевич, В. В. Фитомасса лесных полос, как фактор мелиоративного влия-ния на агроландшафт / В. В. Танюкевич, В. М. Ивонин // Мелиорация и водное хозяйство. - 2013. - № 6. - С. 39-41.

4. Попов, В. П. Рост и надземная биомасса лиственницы сибирской в полезащитных лесных полосах Ширинской степи / В. П. Попов // Формирование лесных полос и их влияние на распределение снега. - Красноярск, 1978. - С. 33-43.

5. Князева, Л. А. Защитное лесоразведение в сухой степи Западного Казахстана / Л. А. Князева. - М.: Наука, 1975. - 95 с.

6. Долгилевич, М. И. Особенности роста и формирование малорядных полезащитных лесных полос в Кулунде / М. И. Долгилевич, В. П. Попов, О. С. Попова // Бюл. ВНИАЛМИ. - Вып. 3(39). - Волгоград, 1982. - С. 8-14.

7. Ивонин, В. М. Таблицы хода роста основных пород лесных полос Ростовской области: рекомендации лесоустроителю / В. М. Ивонин, В. В. Танюкевич. - Новочеркасск: НГМА, 2010. - 25 с.

Размещено на Allbest.ru