Студенту

УДК 630.231
Динамика естественного возобновления леса в очагах массового размножения сибирского шелкопряда
И.Н.Павлов (СибГТУ)

Сибирский шелкопряд – наиболее опасный хвоегрызущий вредитель лесов Северной Азии [1, 2, 6]. По ориентировочным расчетам, в лесах Средней Сибири с 1878 по 1969г. площади «шелкопрядников» — насаждений, погиб­ших в результате периодических вспышек массового размножения сибирского шелкопряда и последующего развития в этих массивах хронических очагов усача и возникновения лесных пожаров, составляют не менее 8 млн. га [3].
Изучение закономерностей развития лесной растительности после массового размножения сибирского шелкопряда представляет значительный научный и практический интерес. Лес – явление динамическое (Мелехов, 1980). Иногда выводы справедливы только для определенной стадии развития. Для рационального  лесопользования и лесовосстановления необходимо знать естественный ход развития лесной растительности. Не пытаться бороться с природой, навязывая ей свой путь лесовосстановления, а осуществлять мероприятия в русле естественного сукцессионного цикла.
Исследования на постоянных пробных площадях чрезвычайно трудоемки, а с учетом отсутствия в настоящее время системы их учета, утери большой части, нет возможности получить на данном этапе информацию о динамике состава и структуры древостоев, сукцесионных процессах для большинства биогеоценозов. Особенно это актуально для лесов, подверженных интенсивному антропогенному и биогенному воздействию.  В свою очередь, в лесоинвентаризационных материалах содержится огромная информация о лесном фонде. Современные технические средства позволяют ее использовать для изучения динамики лесных экосистем на больших площадях в течение достаточно длительного времени.
По материалам 5-й Московской аэрофотоустроительной экспедиции центрального лесоустроительного предприятия В/О «Леспроект» и Брянской специализированной лесоустроительной экспедиции выбрана территория, подверженная массовому размножению сибирского шелкопряда (Dendrolimus superans sibiricus Tschetv.) в период 1953-1957 гг. и отличающаяся широким разнообразием типов леса, рельефа, категорий земель (верхнее течение реки Чичка-Юл, юго-восточная часть Томской области). По материалам лесоинвентаризации было сделано предположение о возникновении вспышки 50 годов именно в этом месте. При этом отмечается соседство предшествующих очагов.
На данную территорию (Тегульдетский лесхоз, Средне-Чулымское лесничество)   были подобраны таксационные описания и планово-картографические материалы за все предыдущие лесоинвентаризации (1953, 1968, 1980, 1996 гг.). За основу принят план лесонасаждений Средне-Чулымского лесничества 1996 года.
Использование материалов лесоинвентаризации для изучения динамики изменения таксационных и лесоводственных показателей сопряжено с рядом трудностей. Основной является изменение границ выделов, а иногда и квартальной сети при последующей лесоинвентаризации. Для устранения этой проблемы нами с использованием геоинформационных технологий (программа ESRI ArcGis) предложено следующее решение. При наложении нескольких слоев выделов (лесоустройство 1953, 1968, 1980, 1996 гг.) образуются новые замкнутые полигоны - сквозные выделы (рисунок 1). Им присваиваются номера в пределах изучаемого района (лесничества). В дальнейшем изучается динамика именно на  этих полигонах (сквозные выделы). ArcMap позволяет находить площади (для дальнейшего получения средневзвешенных значений). Для устранения существующего искажения более ранних планов лесонасаждений наложение проводилось группами  по несколько кварталов. База данных формируется на основе таксационных описаний. Дополнительно в базу помещается информация о рельефе, почве. Естественно учитываются и все изменения в таксации по лесоустроительным инструкциям за данный период. Проблема с которой нам пришлось столкнуться - ошибки таксаторов. С нашей точки зрения эта проблема решается большим объемом выборки и возможностью проверить данные при совмещении с предыдущими и последующими инвентаризациями, космическими снимками. При появлении несоответствия  (отмечается программой обслуживающей базу данных) вносятся соответствующие поправки.
Согласно лесорастительному районированию Западной Сибири территория исследования относится к южной части зоны средней тайги, к Чулымо-Енисейскому  сосново-темнохвойному округу [4]. Особая уникальность района исследования состоит в близком соседстве почв  разного гранулометрического состава (песок, супесь, суглинок, глина).
На  64 сквозных выделах, выбранных в качестве ключевых, в 2002 году заложены постоянные пробные площади для актуализации и получения объективных расширенных данных по таксационным показателям насаждений. На пробных площадях было проведено картирование, заложены почвенные разрезы (Павлов и др., 2003).
На песчаных почвах заложено десять постоянных пробных площадей. По материалам инвентаризации 1953 года (до вспышки массового размножения сибирского шелкопряда) на семи из них произрастали среднеполнотные (0,6) кедровые III класса бонитета насаждения.  Постоянные пробные площади № 18, № 32 и № 33 заложены на месте, где согласно материалам лесоустройства 1953 года произрастали перестойные  среднеполнотные (0,6) березовые насаждения II класса бонитета, имеющие в среднем запас 180 м3/га. Через 15 лет (следующее лесоустройство) преобладание хвойных (69 %) в составе сменилось на явное доминирование березы (94 %). Отсутствие в составе темнохвойных пород объясняется полной их гибелью после дефолиации сибирским шелкопрядом, сосна перешла в категорию единичных деревьев. Падение среднего запаса по березе  почти в два раза (рис. 2) вызвано естественным отпадом перестойных деревьев, гибелью после пожаров в смешанных древостоях и сопровождается ее переходом на большинстве площадей в единичные деревья. В 1968 году выявлены только два выдела, где перестойная береза смогла сформировать верхний ярус с полнотой 0,5 и 0,3. Появление в 1980 году в составе древостоя темнохвойных пород обусловлено переводом возобновления, появившегося под пологом березы, в категорию насаждений. В дальнейшем доля участия этих пород остается без изменений. В 1980 году появляется и сосна (10 % по запасу на 1 га). С увеличением возраста насаждений происходит и увеличение доли сосны в составе, и  в 2002 году она уже составляла 23 %. Доля осины в составе насаждений в 1968 году равнялась 6 %, затем увеличилась к 1996 году до 11%, а за последнее пятилетие произошло ее уменьшение до 8 %. Начиная с 1968 года, доля березы также уменьшается и в настоящее время она составляет 62 %. Очевидно, не стоит сомневаться, что и в дальнейшем доля сосны в составе насаждений будет увеличиваться, а березы и особенно осины – уменьшаться.
К 1968 году возобновление темнохвойных пород появилось только под пологом березы, а незначительное количество (0,44 тыс. шт./га) березы и осины объясняется переводом его в категорию насаждений. В 1980 году подрост темнохвойных пород отсутствует по причине его уничтожения пожарами 1977 года или переводом в категорию насаждений. В этом же году на гарях появляется возобновление сосны. При лесоустройстве 1996 года подрост на большинстве участков не зафиксирован, видимо, из-за его незначительного количества. В 2002 году под пологом насаждений в среднем учтено: сосны – 0,44; кедра – 0,16; ели – 0,14; пихты – 0,4 и березы –0,37 тыс. шт./га. Следует отметить, что подрост темнохвойных пород появляется в основном под пологом среднеполнотных насаждений мшистого типа леса.
Средняя относительная полнота исследуемых насаждений на песчаных почвах в 1968 году была 0,23. Столь низкий показатель вызван тем, что на части территорий насаждения еще не сформировались, а где и возникли молодняки березы, их полнота не превышала 0,5. Последующие пожары 1977 года уничтожили часть лиственных молодняков, поэтому средняя полнота насаждений в 1980 году почти не изменилась (0,27) по сравнению с 1968 годом. К 1996 году средняя относительная полнота насаждений составила 0,67, что говорит о хорошем возобновлении гарей после пожаров сильной интенсивности. Увеличение полноты до 0,71 в 2002 году соответствует закономерностям развития насаждений.
В целом, из десяти пробных площадей на одной к настоящему времени сформировалось насаждение с преобладанием в составе пихты, на двух – сосны и на семи – березы.
На супесчаных почвах заложено двенадцать постоянных пробных площадей. По материалам инвентаризации 1953 года на двух из них произрастали насаждения с преобладанием в составе ели, на шести – кедра,  на четырех – березы. На супесчаных почвах так же, как и на песчаных, к 1968 году сформировались мягколиственные насаждения с преобладанием в составе березы (85 %). Насаждения представлены двумя группами возраста: молодняки и перестойные. Резкое снижение запаса в 1980 году– это последствия пожаров 1977 года, которые уничтожили возобновление и молодняки на пяти пробных площадях из шести. В это же время под влиянием различных факторов (пожар, болезни, вредители, ветровалы) произошел и распад низкополнотных перестойных древостоев. Площади перешли в категорию гарей. И как следствие – падение средних запасов (рисунок 3) и  средней полноты насаждений. Резкое увеличение доли лиственных и падение доли хвойных пород в 1996 году произошло за счет зарастания гарей преимущественно мягколиственными породами. В этом же году наблюдается появление в составе и сосны (8 %), а в 2002 году доля ее участия составила 12 %. Пихта и кедр за последние годы также увеличили свое присутствие в составе. За это же время доля осины и березы соответственно уменьшилась.
По результатам обработки постоянных пробных площадей видно, что наибольшее количество самосева и подроста темнохвойных пород, а особенно пихты, появляется под пологом сформировавшихся средневозрастных древостоев пихты или же в непосредственной близости от них. В средне- и высокополнотных мягколиственных молодняках, где отсутствуют источники обсеменения, подрост темнохвойных встречается редко (не более 0,5 тыс. шт./га).
В 1968 году средняя относительная полнота насаждений на супесчаных почвах, образовавшихся на «шелкопрядниках», составляла 0,27. С 1980 по 1996 год средняя  полнота насаждений возросла с 0,06 до 0,73. Это обусловлено тем, что на большинстве площадей возобновление появилось после пожаров сильной интенсивности. Дальнейший рост средней полноты до 0,85 в 2002 году отражает естественный рост и развитие древостоев.
В целом, из двенадцати пробных площадей, заложенных на супесчаных почвах, к настоящему времени только на двух из них сформировались темнохвойные насаждения.
На суглинистых почвах заложено двенадцать постоянных пробных площадей. По материалам инвентаризации 1953 года на шести из них произрастали насаждения с преобладанием кедра, на трех – пихты и березы. Большинство площадей (67 %) пройдено пожарами разной интенсивности. В 1968 году на суглинистых почвах в среднем составе насаждений, помимо мягколиственных пород, присутствуют и темнохвойные (12 %). Молодняки темнохвойных пород образовались под пологом перестойных березняков и единичных деревьев. В среднем запас их незначителен (рис. 4). В 1980 году доля темнохвойных пород снижается до 6 %, из-за их частичной гибели от пожаров 1977 года. В последующие годы увеличение до           15 % доли темнохвойных происходит только за счет пихты, доля же участия в среднем составе насаждений кедра и ели остается стабильной и составляет соответственно 2 % и 1 %.
В 1968 году в подросте доминирует береза, подрост темнохвойных пород практически отсутствует (в среднем 0,08 тыс. шт./га). Как и на предыдущих почвах, пожары 1977 года уменьшили среднее количество всего подроста в 1980 году до 0,8 тыс. шт./га. К настоящему времени под пологом насчитывается подроста в среднем 3,32 тыс. шт./га, в том числе: кедра – 0,05 тыс. шт./га, ели – 0,05 тыс. шт./га и пихты – 1,36 тыс. шт./га. Столь незначительное количество подроста ели вызвано малым числом семенных деревьев. Поскольку молодые деревья кедра еще не вступили в фазу плодоношения, то возобновление кедра на всех исследованных площадях не зависит от его наличия в верхнем пологе, что свидетельствует о синзоохорном варианте распространения семян.
Изменения средней полноты насаждений до 1980 года зависят от тех же причин, что и для насаждений, произрастающих на песчаных и супесчаных почвах. Увеличение средней полноты насаждений, произрастающих на суглинистых почвах, с 1980 года по настоящее время не столь резкое (+0,50), как на супесчаных почвах (+0,67), так как на нескольких площадях возобновление  и молодняки были повреждены пожарами слабой интенсивности, после чего здесь только через 10-15 лет сформировались низкополнотные насаждения.
Как итог полувекового развития - из двенадцати пробных площадей, заложенных на суглинистых почвах, к настоящему времени на двух из них сформировались темнохвойные насаждения.
Особенностью постоянных пробных площадей, заложенных в насаждениях, произрастающих на глинистых почвах, является то, что по данным инвентаризации 1953 года здесь произрастали  только насаждения с преобладанием темнохвойных пород. В насаждениях, произрастающих на глинистых почвах, доля участия темнохвойных пород в среднем составе насаждений в 1968 году наибольшая, по сравнению с насаждениями, произрастающими на более легких почвах, и составила 23 %. Поскольку пожаров на этих площадях не было, то мы наблюдаем естественный рост и развитие древостоев. С увеличением возраста доля темнохвойных пород в составе постоянно увеличивается и в настоящее время равна 34 %. На нескольких площадях процесс формирования насаждений происходит без смены пород.
Изменение средних запасов (рис. 5) отражает естественное развитие насаждений. Незначительные колебания в среднем запасе березы обусловлены отпадом перестойных экземпляров с одной стороны и приростом молодняков - с другой. Среднее количество подроста с увеличением полноты древостоев также возрастает, преимущественно за счет темнохвойных пород, и особенно пихты, в настоящее время насчитывающей 1,63 тыс. шт./га. Начиная с 1968 года, средняя полнота насаждений с возрастом увеличивается незначительно и также отражает естественный рост и развитие древостоев: снижение полноты у оставшихся перестойных насаждений березы и увеличение ее у вновь сформировавшихся.
В целом, из двенадцати пробных площадей, заложенных на глинистых почвах, к настоящему времени на пяти из них сформировались темнохвойные насаждения.
Анализ динамики лесовозобновления позволил выявить ряд факторов, влияющих на скорость и направление сукцессии. По результатам дисперсионного анализа выявлено существенное влияние гранулометрического состава почвы (Р=0,0087) и пожаров (Р=0,0009), а также их взаимного влияния (Р<0,0000)  на общий запас насаждений, сформировавшихся на «шелкопрядниках». В целом гранулометрический состав почвы и  пожары являются  основными факторами, определяющими состав насаждения (Р<0,0000).

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
большая часть исследуемых «шелкопрядников» пройдена пожарами различной степени интенсивности. На пониженных элементах рельефа с более влажными почвами (сопровождаемое утяжелением гранулометрического состава) вероятность возникновения пожаров уменьшается;
пожары в «шелкопрядниках» способствуют освобождению территории от захламленности и в то же время являются основным препятствием лесовозобновлению. На гарях на длительное время формируются исключительно мягколиственные низкополнотные насаждения, зачастую порослевого происхождения, без подроста хвойных пород;
для успешного формирования темнохвойных древостоев из сохранившегося и появившегося подроста без смены пород обязательно наличие верхнего полога или единичных деревьев, а также отсутствие пожаров;
в ряде случаев первоначальное возобновление осиной «шелкопрядников» погибает в результате лесных пожаров, а новый цикл естественного возобновления этих территорий осуществляется уже преимущественно березой;
на почвах песчаного и супесчаного гранулометрического состава при наличии семенных деревьев сосны обыкновенной смена преобладающих пород может идти по схеме: темнохвойные – береза (осина) – сосна – темнохвойные. На суглинистых и глинистых почвах наиболее вероятная динамика: темнохвойные – береза (осина) –  темнохвойные. В целом, даже при самых благоприятных условиях,  естественное восстановление кедровых насаждений затянется еще более чем на сто лет.
Список литературы

1. Исаев А.С., Хлебопрос Р.Г., Недорезов Л.В., Кондаков Ю.П., Кисилев В.В., Суховольский В.Г. Популяционная динамика лесных насекомых. –М.: Наука, 2001. – 374 с.
2. Коломиец Н.Г. Сибирский шелкопряд и его роль в хвойных лесах Западной Сибири //Труды по лесному хозяйству Сибири, вып. 7. – Новосибирск: Издательство СО АН СССР, 1962. - С. 137 - 161.
3. Кондаков Ю.П. Закономерности массовых размножений сибирского шелкопряда //Экология  популяций лесных животных Сибири. –Новосибирск: Наука, 1974. –С. 206-242.
4. Крылов Г.В. Леса Сибири и Дальнего Востока: их лесорастительное районирование. –М.-Л.: Гослесбумиздат,  1960. -156 с.
5. Мелехов И.С. Лесоведение.- М.: Лесн. Пром-сть, 1980. – 408 с.
6. Павлов И.Н., Пилюгин И.А., Агеев А.А., Петрова Е.В., Барабанова О.А. Почвенный покров «шелкопрядников» Томской области. Химико-лесной комплекс – проблемы и решения. Научные труды всесоюзной конференции. Том 1-  Красноярск, 2002. –            С.230-238.
7. Фуряев В.В. Шелкопрядники тайги и их выжигание. -М.: Наука, 1966. - 92 с.

Рисунок 1- Фрагмент образования сквозных выделов путем наложения нескольких слоев выделов (лесоустройство 1953, 1968, 1980, 1996 гг.) в программе ArcMap
Рисунок 2-  Динамика запаса насаждений на песчаных почвах
Рисунок 3-  Динамика запаса насаждений на супесчаных почвах
Рисунок 4-  Динамика запаса насаждений на суглинистых почвах
Рисунок 5-  Динамика запаса насаждений на глинистых почвах

Рисунок 1- Фрагмент образования сквозных выделов путем наложения нескольких слоев выделов (лесоустройство 1953, 1968, 1980, 1996 гг.) в программе ArcMap

Рисунок 2 – Динамика запаса насаждений на песчаных почвах:
1-сосна; 2- кедр; 3- ель; 4-пихта; 5- береза; 6 –осина.

Рисунок 3 – Динамика запаса насаждений на супесчаных почвах.

Рисунок 4 – Динамика запаса насаждений на суглинистых почвах.

Рисунок 5 – Динамика запаса насаждений на глинистых почвах.