Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение

Необходимость углубления знаний почвенно-экологических особенностей гидроморфных комплексов как научной основы устойчивого природопользования по-прежнему сохраняет свою актуаль
_________________
*Работа поддержана РФФИ (гранты № 08-04-92501 НЦНИЛ_а и № 09-04-00234)
ность. Осушение болот – единственный путь формирования высокопродуктивных насаждений. Гидролесомелиорация, практически прекратившаяся в условиях современной России, безусловно, будет возобновлена по мере улучшения экономической ситуации в стране (Константинов и др., 1999).
Правильный выбор исходных объектов осушения очень важен, так как определяет экономическую и природоохранную целесообразность гидротехнической мелиорации. Известно, что эффект осушения даже близких в лесотипологическом отношении объектов определяется различиями в свойствах торфяных почв, то есть уровнем их плодородия. Между тем, вооруженность специалистов лесной отрасли действенными и оперативными методами индикации болотных местообитаний остается по-прежнему недостаточной.
Цель нашей работы: а) выполнить бонитировку условий произрастания болотных сосняков, то есть дать им количественную оценку относительно местообитаний с максимальным лесоводственным эффектом, б) обосновать возможность использования в практике гидролесомелиорации морфометрических параметров хвои как наиболее доступных и результативных показателей для типизации и оценки эффективности осушения болотных сосняков.

Объекты и методы

Объектами исследования послужили сосновые древостои (Pinussylvestris L.) на болотах естественного ряда развития и их осушенные 30-35 лет назад участки в Тимирязевском лесхозе Томской области. Изучались девственные леса, не пройденные рубками. Валовые запасы биогенных элементов и физико-химические показатели торфяных почв, а также таксационные показатели древостоев определены общепринятыми в почвоведении и лесоведении методами однократно. Исследования морфометрических и химических показателей хвои, выполненные в течение 3-4 лет, характеризуют её пространственно-временную изменчивость. Объем выборки варьирует в пределах 300-4810 наблюдений по длине хвои и от 30 до 210 пакетов по 100 пар для массы в зависимости от количества пробных площадей в конкретном типе местообитания. Отбор хвои в полевых условиях выполнен по известной методике Верманна. Сопряженно в сезонной динамике изучались влажность торфяных почв и уровень стояния почвенно-грунтовых вод. К оценке гидрологических условий привлекались и ранее опубликованные по этому вопросу материалы (Ефремов, 1972; Ефремова, 1986; Мелентьева, 1980).

Результаты и обсуждение

В условиях южнотаёжной подзоны Западной Сибири методами многомерной статистики достоверно выделено 9 формализованных типов условий произрастания болотных сосняков, включая осушенные в разной степени варианты (Ефремова и др., 2002). В естественном ряду развития эколого-ценотические типы сгруппировались в следующие кластеры – олиготрофный (индекс О-0), олиго-мезотрофный+мезотрофный (ОМ-0+М-0), мезо-евтрофный (МЕ-0) и евтрофный (Е-0). Результатом формализованного разбиения осушенных местообитаний стали такие группы: слабо осушенные мезотрофные+мезо-евтрофные (М-1+МЕ-1), слабо осушенные евтрофные (Е-1), умеренно осушенные мезо-евтрофные (МЕ-2), умеренно осушенные евтрофные (Е-2), а также переосушенные+интенсивно осушенные мезотрофные (М-3+М-4).
Общепризнано, что исходным условием эффективности гидролесомелиорации является производительная способность местообитаний, то есть уровень плодородия почв. Трудности эффективной оценки лесных торфяных почв заключаются в выборе критериев продуктивности, поскольку до сих пор нет единого мнения относительно принципов и методов их бонитировки. Мы использовали комплекс достоверных в кластерном и дискриминантном анализе признаков, выявленных в процессе группировки типов местообитания болотных сосняков (Ефремова и др., 2002). Они касаются химических свойств торфяных почв, таксационных показателей древостоев, данных хвое-листового анализа и характеристики побегов (всего 24 показателя). Почвенные включают: степень насыщенности основаниями и запасы в слое торфа 0-20 см – зольных веществ, N, P2O5, CaО, MgO. Показатели хвое-листового анализа следующие: длина однолетней хвои и текущего года заложения, масса хвои указанных возрастов, содержание в хвое – зольных веществ, N, Mg. Далее – длина наиболее развитого побега 3-ей верхушечной мутовки, число пар хвои на побеге. Таксационные показатели – средняя высота деревьев, средний диаметр деревьев, запасы древесины, среднегодовой прирост древесины. Для сопоставимости данных, имеющих разные единицы измерения, все анализируемые переменные были стандартизованы. Средняя из стандартизованных показателей евтрофного умеренно осушенного типа была принята за эталон бонитировочного стандарта, относительно которого рассчитаны баллы (%) всех других местообитаний болотных сосняков южнотаёжной подзоны Западной Сибири. Евтрофный умеренно осушенный тип характеризуется наиболее высокой продуктивностью насаждений, трофностью почв выше пороговых показателей и благоприятным гидрологическим режимом (Ефремова и др., 1993).
Оценочные баллы, характеризующие мелиоративную значимость объектов, обобщают два важнейших критерия плодородия – количество питательных веществ в почве и урожайность биомассы (производительность древостоев и состояние фотосинтезирующего аппарата – хвои). Как следует из рисунка 1, мелиоративная ценность лесных неосушенных болот резко возрастает от олиготрофного типа – 10 баллов к евтрофному – 65. Мезотрофные и мезо-евтрофные местообитания практически равны по лесорастительным свойствам (18-21 балл) и примыкают ближе к олиготрофному типу по уровню плодородия.
Лесоводственная продуктивность осушенных болот значительно более высокая по сравнению с исходными типами. Она тесно связана как с уровнем плодородия исходных типов, так и с интенсивностью мелиорации. Так, евтрофные, мезотрофные и мезо-евтрофные местообитания, которые в естественном состоянии оцениваются 65 и 18-21 баллами, в случае сходного режима осушения также значительно различаются по уровню плодородия. В частности, при слабом дренировании их лесопригодность составляет соответственно 84 и 43 балла. В то же время, интенсивное и умеренное осушение мезотрофных и мезо-евтрофных местообитаний повышает их лесоводственную эффективность до уровня 70-77 баллов, то есть приближает к богатым условиям евтрофного типа.

Рисунок 1 – Бонитировочная шкала типов местообитаний болотных сосняков. Неосушенные типы местообитания: Е-0 – евтрофный, МЕ-0 – мезо-евтрофный, ОМ-0+М-0 – олиго-мезотрофный+мезотрофный, О-0 – олиготрофный. Осушенные типы местообитания: М-1+МЕ-1 – мезотрофный+мезо-евтрофный слабо осушенный, М-3+М-4 – мезотрофный интенсивно осушенный, МЕ-2 – мезо-евтрофный умеренно осушенный, Е-1 – евтрофный слабо осушенный, Е-2 – евтрофный умеренно осушенный

Количественная оценка лесопригодности болотных местообитаний обеспечивает возможность научно-обоснованного выбора объектов мелиорации в свете требований рационального природопользования. Как показывает опыт гидролесомелиорации, олиготрофные местообитания осушать нецелесообразно из-за низкого экономического эффекта. Лесомелиорацию евтрофных болот можно ограничить регулированием водного режима. Олиго-мезотрофные+мезотрофные и мезо-евтрофные местообитания, помимо гидротехнической мелиорации, нуждаются, как правило, в применении удобрений. В условиях южной тайги Западной Сибири можно, прежде всего, рекомендовать азотные

удобрения, так как недостаток азота в торфяных почвах верхового и переходного типов относится к числу основных факторов, лимитирующих производительность болотных сосняков (Ефремова и др., 1995).
Вместе с тем, реальное использование бонитировочной шкалы в практике лесоосушения, безусловно, затруднено из-за сложности получения разнообразного первичного материала. Поэтому, обратились к косвенным показателям, в частности, биометрическим параметрам хвои. Ранее показано, что методы растительной диагностики по сравнению с почвенными и таксационными являются более тонкими индикаторами неосушенных местообитаний (Ефремова и др., 2002).
Удачный опыт использования длины и массы хвои для оценки минерального питания хвойных пород, лесорастительных свойств почв и продуктивности насаждений имеется в различных регионах России, а также дальнего и ближнего зарубежья (Вайчис, Руткаускас, 1973; Корчагина, 1986; Орлов, Кошельков, 1971; Поргасаар, 1977; Прокушкин, 1982; Amponsach and other, 2005; Ohlson, 1995; Wheeier and other, 1992; Yang, 1998; Youngblood, Ferguson, 2003 и др.).
Результаты статистической обработки морфометрических показателей однолетней хвои за 3-4-летний период изучения приведены в таблице 1. По сравнению с хвоей текущего года однолетняя дает более точную оценку болотным типам местообитаний (Ефремова и др., 1996). Согласно коэффициенту вариации < 33 %, изучаемая совокупность является более или менее однородной, а средние по длине и массе хвои – типичными величинами соответствующих местообитаний (оценка по: Чекотовский, 2002). Коэффициенты выравненности материала (Доспехов, 1973) составляет по длине хвои 78-89 %, по массе – 71-86 %. Таким образом, изменчивость показателей по длине и массе хвои достаточно близкая и характеризуется средним варьированием.
Существенность разности средних показателей морфометрии хвои различных условий

Таблица 1 - Морфометрические показатели хвои сосны обыкновенной в болотных типах условий произрастания

Статистические показатели	Индексы типов местообитаний1)
	неосушенные местообитания							осушенные в разной степени
	О-0	ОМ-0+ М-0		МЕ-0		Е-0		М-1 + МЕ-1		Е-1	МЕ-2	Е-2	М-3+ М-4
Длина однолетней хвои, мм
Среднее2)	33	41		40		60		56	64		74	72	71
Ошибка среднего	±0,4	±0,4		±0,5		±0,6		±0,5	±0,5		±0,6	±0,5	±0,5
Минимум	12	15		19		34		34	42		44	46	48
Максимум	67	70		73		83		77	88		97	92	91
s3)	7,4	8,5		8,6		9,2		8,6	9,7		10,2	8,1	9,1
V4),%	22	21		21		15		15	15		14	11	13
Масса 100 пар хвои, г
Среднее2)	1,88		2,41		2,43		3,60	3,70		4,84	5,25	5,51	4,97
Ошибка среднего	±0,03		±0,05		±0,06		±0,2	±0,08		±0,09	±0,22	±0,17	±0,09
Минимум	1,22		1,78		1,74		1,90	1,72		3,56	2,37	3,85	3,38
Максимум	2,75		4,16		3,25		5,63	5,20		6,30	7,08	6,93	6,93
s3)	0,36		0,51		0,49		1,04	0,60		0,69	1,22	0,93	0,69
V4),%	19		21		20		29	16		14	23	17	14

Примечание: 1) индексы типов местообитания см. в тексте,  2) усредненные данные за 1994-1997 годы; 3) стандартное отклонение, 4) коэффициент вариации.
Таблица 2 - Уровни значимости различий (р-критерий) типов местообитаний болотных сосняков по длине и массе 100 пар однолетней хвои

Индексы местообитаний	Индексы типов местообитания
	неосушенные местообитания								осушенные в разной степени
	О-0	ОМ-0+ М-0			МЕ-0		Е-0		М-1+ МЕ-1		Е-1		МЕ-2		Е-2
Длина хвои
М-0+ОМ-0	0,000	-
МЕ-0	0,000	0,057*			-
Е-0	0,000	0,000			0,000		-
М-1+МЕ-1	0,000	0,000			0,000		0,000		-
Е-1	0,000	0,000			0,000		0,000		0,000		-
МЕ-2	0,000	0,000			0,000		0,000		0,000		0,000		-
Е-2	0,000	0,000			0,000		0,000		0,000		0,000		0,001		-
М-3+М-4	0,000	0,000			0,000		0,000		0,000		0,000		0,000		0,039
Масса 100 пар хвои
М-0+ОМ-0	0,000		-
МЕ-0	0,000		0,378	-
Е-0	0,000		0,000	0,000		-
М-1+МЕ-1	0,000		0,000	0,000		0,279		-
Е-1	0,000		0,000	0,000		0,000		0,000		-
МЕ-2	0,000		0,000	0,000		0,000		0,000		0,024		-
Е-2	0,000		0,000	0,000		0,000		0,000		0,000		0,107		-
М-3+М-4	0,000		0,000	0,000		0,000		0,000		0,147		0,089		0,001

Примечание: *) выделены не значимые с доверительным уровнем вероятности 95%. произрастания оценивалась по t-критерию Стьюдента.

Таблица 3 - Эколого-ценотическая характеристика местообитаний болотных сосняков южной тайги Западной Сибири и оценка их лесопригодности

Индексы местообитаний	Эдафические условия			Доминирующий тип леса	V2), м3/га	Класс возраста
	Трофотоп	Гидротоп1)
		Категория	W,%
1	2	3	4	5	6	7
О-0	Олиготрофный	Неосушенный УГВ = 18 см	50,4-95,0	Кустарничково-сфагновый	0,7	III
ОМ-0+М-0	Олиго-мезотроф-ный + мезотрофный	Неосушенный УГВ = 14 см	62,2-93,2	Осоково-сфагново-кустарничковый	1,2	III
МЕ-0	Мезо-евтрофный	Неосушенный УГВ = 9 см	74,0-98,2	Осоково-кустарнич-ково-гипновый	1,8	II
Е-0	Евтрофный	Неосушенный УГВ = 6 см	85,6-90,9	Осоково-гипновый	2,6	II
М-1+МЕ-1	Мезотрофный + мезо-евтрофный	Слабо осушенный УГВ = 18-25 см	47,5-91,5	Зеленомошно-осоковый	2,8	II
Е-1	Евтрофный	Слабо осушенный УГВ = 18 см	55,3-91,2	Осоково-вейни-ково-гипновый	3,5	II
МЕ-2	Мезо-евтрофный	Умеренно осушенный УГВ = 35 см	34,8-93,8	Вейниково-зеленомошный	3,7	II
Е-2	Евтрофный	Умеренно осушенный УГВ = 40 см	28,5-81,8	Крапивный	3,9	II
М-3+М-4	Мезотрофный	Интенсивно  осушенный УГВ = 60-90 см	6,7-68,2	Мятликово-крапивный	3,8	II

Окончание таблицы 3

Индексы местообитаний	Трофотоп	Биометрия хвои3)		Оцено-чный балл	Класс бони- тета	Лесохозяйственные мероприятия
		Длина, мм	Масса4), г
8	9	10	11	12	13	14
О-0	Олиготрофный	33±0,4	1,9±0,03	10	V-Vб	Условно лесопригоден, требуется коренная мелиорация
ОМ-0+М-0	Олиго-мезотроф-ный+мезотрофный	41±0,4	2,4±0,05	18	V-Vа	Умеренное осушение с применением удобрений
МЕ-0	Мезо-евтрофный	40±0,5	2,4±0,06	21	V-Vа	Умеренное осушение с применением удобрений
Е-0	Евтрофный	60±0,6	3,6±0,16	65	III	Умеренная гидротехническая мелиорация
М-1+МЕ-1	Мезотрофный + мезо-евтрофный	56±0,5	3,7±0,08	43	III	Дополнительное регулирование водного режима+удобрение
Е-1	Евтрофный	64±0,5	4,8±0,09	84	III-II	Дополнительное регулирование водного режима
МЕ-2	Мезо-евтрофный	74±0,6	5,2±0,22	77	II	Надзор за состоянием осушительной сети
Е-2	Евтрофный	72±0,5	5,5±0,17	100	II-I	Надзор за состоянием осушительной сети
М-3+М-4	Мезотрофный	71±0,5	5,0±0,09	70	II-I	Двустороннее регулирование водного режима

Примечание: 1)среднемноголетние пределы колебаний уровня почвенно-грунтовых вод и объемной влажности торфа в корнеобитаемом слое (0-30 см) за вегетационный период,  2) среднегодовой прирост древесины при полноте 0,7,   3) средние показатели за 3-4 года наблюдений,4) абсолютно сухая.

Таблица 4 - Агрохимические показатели торфяных почв различных типов местообитания болотных сосняков

Типы местообитания	Индексы	S*,%	Запасы в слое 0-20 см, кг/га
			Зола	N	Р2О5	СаО	МgО
Неосушенные типы местообитаний
Олиготрофный	О-0	9,1	3995	823	37	270	97
Олиго-мезотрофный + мезотрофный	ОМ-0+М-0	17,1	8596	1796	136	560	198
Мезо-евтрофный	МЕ-0	23,1	12209	3706	406	850	281
Евтрофный	Е-0	60,1	22737	5091	2372	4757	706
Слабо осушенные типы местообитаний
Мезотрофный + мезо-евтрофный	М-1+МЕ-1	18,5	11674	3581	374	874	259
Евтрофный	Е-1	79,2	30525	5960	3235	7960	410
Умеренно осушенные типы местообитаний
Мезо-евтрофный	МЕ-2	20,5	12096	4032	403	826	346
Евтрофный	Е-2	78,4	44998	10060	5680	10370	1770
Интенсивно осушенные типы местообитаний
Мезотрофный	М-3+М-4	21,0	22768	6990	1317	1719	490

Примечание: *) степень насыщенности основаниями.

первой половине лета. Запасы элементов минерального питания в торфе соответствуют пороговому уровню обеспеченности сосновых насаждений. Рекомендуется дополнительное регулирование водного режима.
Мезо-евтрофный умеренно осушенный тип местообитания (МЕ-2). Бонитировочный балл - 77. Длина хвои – 74±0,6 мм, масса – 5,2±0,22 г. Благоприятная влажность в корнеобитаемом слое (0-20 см) устанавливается к августу. Торфяные почвы характеризуются относительно высокими запасами биогенных элементов, которые приближаются к пороговому уровню. Требуется надзор за состоянием осушительной сети.
Мезотрофный интенсивно осушенный тип местообитания (М-3+М-4). Бонитировочный балл – 70. Длина хвои – 71±0,5 мм, масса – 5,0±0,09 г. Влажность почвы в течение вегетации находится преимущественно ниже интервала оптимальной (38-75 %), опускаясь в отдельные периоды за пределы доступной влаги (<16,5 %). Запасы биогенных элементов в почве соответствуют порогу обеспеченности. Нуждается в двойном регулировании водного режима.
Евтрофный умеренно осушенный тип (Е-2). Принят за эталон бонитировочного стандарта местообитаний болотных сосняков южной тайги Западной Сибири. Бонитировочный балл – 100. Длина хвои – 72±0,5 мм, масса – 5,5±0,17 г. Влажность корненасыщенного слоя находится в пределах оптимальной (28-82 %). Запасы в торфе элементов минерального питания соответствуют пороговому уровню обеспеченности болотных сосняков. Требуется надзор за состоянием осушительной сети.

Выводы

1. Впервые в условиях южнотаёжной подзоны Западной Сибири создана бонитировочная шкала местообитаний болотных сосняков, количественно характеризующая их гидролесомелиоративную значимость в свете задач устойчивого природопользования.
2. Обоснована возможность использования длины хвои для идентификации местообитаний болотных сосняков при решении вопроса о целесообразности их осушения. Для получения результата с уровнем вероятности > 95 % целесообразно в осенний период измерить длину не менее 100 пар случайных хвоинок в среднем образце, составленном из многолетней хвои побегов 3-ей верхушечной мутовки 10-ти деревьев в возрасте 30-40 лет.
3. Предложена линейная функция связи среднегодового прироста древесины и длины хвои, которая может применяться для оценки эффективности осушения болотных сосняков с лесохозяйственных позиций.

Библиографический список

Вайчис, М. Шкала оценки плодородия лесных почв и производительности насаждений / М. Вайчис, А. Руткаускас. – Каунас: ЛитНИИЛХ, 1973. – 8 с.

Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследования) / Б.А. Доспехов. – М.: Колос, 1973. – 336 с.
Ефремов, С.П. Естественное залесение осушенных болот лесной зоны Западной Сибири / С.П. Ефремов. – М.: Наука, 1972. – 155 с.
Ефремова, Т.Т. Гумусное состояние почв болотных сосняков Западной Сибири / Т.Т. Ефремова // Почвы сосновых лесов Сибири. – Красноярск, 1986. – С.33-46.
Ефремова, Т.Т. Связь производительности болотных сосняков Западной Сибири с почвенными условиями / Т.Т. Ефремова, С.П. Ефремов, В.П. Черкашин // Лесоведение. – 1995. – № 2. – С. 50-59.
Ефремова, Т.Т. Трофическая оценка лесоводственной продуктивности торфяных почв Западной Сибири / Т.Т. Ефремова, С.П. Ефремов, В.П. Черкашин // Сибирский биологический журнал. – 1993. – № 6. – С. 41-48.
Ефремова, Т.Т., Оценка плодородия лесных торфяных почв Западной Сибири методами растительной диагностики / Т.Т. Ефремова [и др.] // Почвоведение. – 1996. – № 7. – С. 879-887.
Ефремова, Т.Т. Опыт применения методов многомерного статистического анализа для группировки типов условий произрастания болотных сосняков Западной Сибири / Т.Т. Ефремова [и др.] // Лесоведение. – 2002. – №2. – С. 53-62.
Згуровская, Л.Н. Исследование хвои сосны и кедра на болотах разных типов / Л.Н. Згуровская // Ботанический журнал. – 1965. – Том 50. – № 2. – С. 234-237.
Константинов В.К. Современное состояние гидролесомелиорации: актуальные практические и научные задачи / В.К. Константинов, Н.А. Красильников, С.В. Хитрин // Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользования. – М.: Геос, 1999. – С. 261-264.
Корчагина, М.П. Морфометрическая характеристика хвои сосны обыкновенной на осушенных торфяных почвах / М.П. Корчагина // Изменение лесоболотных биогеоценозов под влиянием осушения. – Петрозаводск, 1986. – С. 62-82.
Мелентьева, Н.В. Почвы осушенных лесных болот / Н.В. Мелентьева. – Новосибирск: Наука, 1980. – 128 с.
Орлов, А.Я. Почвенная экология сосны / А.Я. Орлов, С.П. Кошельков. – М.: Наука, 1971. – 324 с.
Поргасаар, В.И. Диагностика минерального питания сосны обыкновенной / В.И. Поргасаар // Агрохимия. – 1977. – № 5. – С. 120-127.
Прокушкин, С.Г. Минеральное питание сосны / С.Г. Прокушкин. – Новосибирск: Наука, 1982. – 190 с.
Чекотовский, Э.В. Графический анализ статистических данных в Microsoft Excel 2000 / Э.В. Чекотовский. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. – 464 с.
Amponsach, I.G. Effects of repeated fertilization on needle longevity, foliar nutrition, effective leaf area index, and growth characteristics of lodgepole pine in interior British Columbia, Canada / I.G. Amponsach, P.G. Comeau, R.P. Brockley, V.J. Lieffers // Can. J. For. Res. – 2005. – V. 35. – № 2. – P. 440-451.
Ohlson, M.Growth and nutrient characteristics in bog and fen populations of Scots pine (Pinus sylvestris) / М. Ohlson // Plant and Soil. – 1995. – V. 172. – № 2. – P. 235-245.
Wheeler, B.D. Phytometric assessment of the fertility of underained rich-fen soils / B.D. Wheeler, S.C. Shaw, R.E.D. Cook // J. Appl. Ecol. – 1992. – № 2. – P. 466-475.
Yang, R.C. Foliage and shard growth responses of semimature lodgepole pine to thinning and fertilization / R.C. Yang // Can. J. For. Res. – 1998. – V. 28. – № 12. – P. 1794-1804.
Youngblood, A. Changes needle morphology of shade tolerant seedlings after partial overstory canopy removal / A. Youngblood, D.E. Ferguson // Can. J. For. Res. – 2003. – V. 33. – № 7. – P. 1315-1322.