Искусственное лесовосстановление и лесоразведение

Возобновление и формирование леса на шелкопрядниках Чулымо-Кетского южно-таёжного района тёмнохвойных лесов
© Павлов И.Н., Россинин В.В., Агеев А.А., Марфин Н.В., Сибирский государственный технологический университет, pavlov@sibstu.kts.ru

Установлены основные закономерности восстановительной сукцессии темнохвойной тайги за пятидесятилетний период после вспышки массового размножения сибирского шелкопряда и следующих за этим серии пожаров. Модель выполнена на основе ретроспективного анализа растительности на постоянных пробных площадях и текущего учета возобновления. Установлено, что основным фактором, определяющим структуру леса и видовой состав деревьев в исследуемом районе, являются сила и частота внешних возмущений (в частности, вспышки массового размножения сибирского шелкопряда). Представлена новая методика использования материалов лесоинвентаризации с применением геоинформационных технологий. Ее особенность заключается в том, что в результате наложения нескольких слоев выделов (лесоинвентаризации 1965, 1976, 1987, 2002 гг.) образуются сквозные выдела (новые замкнутые полигоны). По ним изучаются все изменения таксационных и лесоводственных показателей. На скорость и направление сукцессии оказывают значительное влияние степень повреждения сибирским шелкопрядом (в дальнейшем черным пихтовым усачем), гидрологический режим, гранулометрический состав почвы, пожары, рельеф, предшествующий состав леса, наличие семенных деревьев. В целом, даже при самых благоприятных условиях, естественное восстановление смешанных темнохвойных насаждений на исследуемой территории затянется еще более чем на 200 лет.

Вспышка массового размножения сибирского шелкопряда в 1952 - 1957 г.г. в подзоне южной тайги Западной Сибири (бассейны рек Чулыма, Кемчуга, Кети и Кеми) широко известна как наиболее крупная биогенная катастрофа ХХ века. По данным В.В. Фуряева [1], в результате воздействия шелкопряда, сопутствующих вредителей и пожаров усохло около 1,5 млн. га темнохвойных лесов. Его особая вредоносность заключается в неудовлетворительном последующем возобновлении очагов [2-8]. До настоящего времени не произошло полного восстановления древесной растительности (даже пионерной) на всей исследуемой территории.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Закономерности возобновления и формирования леса изучали на территории Пировского лесхоза (Чулымо-Кетский южно-таёжный район тёмнохвойных лесов) и предусматривали следующие направления сопряженных исследований:

Основной проблемой при использовании материалов лесоустройства для изучения динамики изменения таксационных и лесоводственных показателей является изменение границ выделов, а иногда и квартальной сети при последующем лесоустройстве, а также графические ошибки на планах лесонасаждений. Для устранения этой проблемы нами с применением геоинформационных технологий (программа ESRI ArcGis) предложено использование сквозных выделов, т.е. новых замкнутых полигонов, которые образуются при наложении нескольких слоев выделов (лесоустройство 1965, 1976, 1987, 2002 гг.) (рис. 1). Им присваиваются номера в пределах изучаемого района. В дальнейшем изучается динамика именно на этих полигонах (сквозные выделы). ArcGis позволяет находить площади (для дальнейшего получения средневзвешенных значений). Для устранения существующего искажения более ранних планов лесонасаждений наложение проводится отдельными фрагментами (от части квартала до групп 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 увеличением объема выборки и возможностью проверить данные при совмещении атрибутивных данных предыдущих и последующих инвентаризаций, использованием аэрофотоснимков. При появлении несоответствия (отмечается программой, обслуживающей базы данных) вносятся соответствующие поправки.

Рис. 1. Фрагмент образования сквозных выделов путем наложения нескольких планов лесонасаждений (лесоустройство 1965, 1976, 1987, 2002 гг.) с обработкой в программе ArcMap

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
К середине 60-х годов большая часть шелкопрядников была пройдена пожарами. Несмотря на то, что значительная часть сухостоя и валежника была уничтожена, и сейчас на территории встречаются обгоревшие стволы кедра сибирского высотой от 2 до 15 метров. По материалам лесоинвентаризации 1965 года гарями и погибшими насаждениями было занято более 33 тыс.га (11,3 % от покрытой лесом площади) [9]. В дальнейшем, к 1976 – 2002 гг. из-за уменьшения горючей массы и быстрого зарастания гарей малоценными лиственными породами площадь погибших насаждений снижалось до 0,0002-0,02% [10-12]. Одновременно установлено уменьшение площади болот (с 1965 по 2002 гг.) в три раза.
За период с 1965 г. в процессе естественного возобновления наблюдается положительная динамика изменения покрытой лесом площади (рис. 2). Основной причиной снижения площади сосновых насаждений являются рубки главного пользования. Увеличение площади пихтовых и березовых древостоев с 1965 по 2002 гг. на 65 и 53 % соответственно является следствием лесовозобновительного процесса. Меньшее увеличение площади кедровых насаждений (+21%) определяется их значительной нарушенностью. Площадь осиновых древостоев, достигнув своего максимума в 1965 г., начинает снижаться. Причина – заполнение всех возможных для произрастания осины экотопов. Для получения возрастных закономерностей изучено распределения площади древостоев по классам возраста. По данным лесоинвентаризации 1965 г. площадь осины I-III классов возраста составляет всего 0,03 %. В период до 1987 г. отмечено увеличение площади молодняков и средневозрастных насаждений, при значительном снижении спелых и перестойных. Площадь осины I класса возраста увеличивается в пятьдесят раз, достигнув максимума в 1987 г. Далее происходит снижение, обуславливаемое переходом площадей в другой класс возраста и отсутствием биотопов, пригодных для возобновления осины.
Для древостоев кедра I-II классов возраста характерно равномерное и не очень быстрое увеличение занимаемых площадей. Для насаждений III-IV классов возраста при лесоинвентаризации 1987 г. (в сравнении с предыдущей) выявлено резкое увеличение (в 3,3 раза) занимаемой площади. При этом более чем на 20 тыс.га снижается площадь перестойных древостоев березы и осины. Видимо, в процессе естественного возрастного отпада лиственных пород произошел переход кедра сибирского в первый ярус.
Для пихты сибирской также характерно интенсивное увеличение площади молодняков и средневозрастных насаждений.
В таблице 1 представлена таксационная характеристика постоянных пробных площадей (ППП), которые были заложены с учетом мезорельефа для последующего анализа его влияния на возобновительные сукцессии. Территория района исследования по характеру рельефа представляет собой обширную равнину, расчленённую асимметричными долинами рек Кеми, Белой и Большой Кети. Всюду хорошо выражен микрорельеф в виде округлых неглубоких понижений, характерны заболоченные лога со склонами небольшой крутизны. В целом четко прослеживается зависимость сформировавшейся древесной растительности от местоположения на различных элементах рельефа. С момента массового размножения сибирского шелкопряда, дефолиации темнохвойных лесов на огромной площади и следующих за этим серии пожаров в течение 50 лет произошло удовлетворительное возобновление пионерной растительностью (низкополнотными смешанными березово-осиновыми насаждениями). При этом хорошо прослеживается зависимость, устанавливающая состав возобновления. Осина предпочитает плодородные хорошо дренированные почвы (ППП 2, 6) и избегает застойное увлажнение с доминированием в напочвенном покрове вейника наземного. При этом она также избегает сухих почв. Береза повислая обладает более широкой экологической амплитудой, успешно заселяется на тяжелых слабо дренированных почвах с кратковременным периодом избыточного увлажнения. На обследованной территории наиболее распространенными почвами являются суглинистые (82,2 %); торфянистые и торфяные занимают - 14,3 %; песчаные и супесчаные - 3,5 %. По влажности наибольшая часть почв (60,3 %) относится к категории свежих. Однако в первую половину вегетационного периода и они испытывают избыточное увлажнение. Безусловно – это и определяет доминирование березы, как пионерной породы, в данном энтопии.
На территории распространены невозобновившиеся прогалины площадью до нескольких десятков гектаров. Как правило, они приурочены к плоским вершинам небольших всхолмлений (ППП 9). Отсутствие успешного возобновления на данном элементе рельефа вызвано значительной интенсивностью пожаров (глубина прогорания корней - до 55 см, что превышает аналогичный показатель на других площадях, например ППП 7 – 35 см). Упавшие деревья, даже при соприкосновении с умеренно влажной почвой, менее подвержены разложению, что и определяет более высокую интенсивность и частоту пожаров. Отличительной особенностью прогалин является доминирование в живом напочвенном покрове хаменериона узколистного. И это не смотря на то, что последний пожар на исследуемой территории был более 20 лет назад (установлено по возрасту хвойного подроста, лесных культур сосны обыкновенной). Это также подтверждает высокую интенсивность горения.
На рисунке 3 представлена динамика изменения растительности после дефолиации сибирским шелкопрядом. Описание 2002 г. выполнено по результатам исследований на ППП. Слои 1965, 1976 гг. созданы по материалам лесоинвентаризации. Характеристика фитоценоза до вспышки массового размножения шелкопряда (1953 г.) составлена по результатам изучения на ППП пней, валежа, анализа прилегающей к очагам древесной растительности не тронутой насекомыми, пожарами, а также с учетом литературных источников и свидетельств местных жителей.
После дефолиации хвойных и следующих за этим серии повальных и валежных пожаров древесная растительность сохранилась только, как правило, в поймах ручьев и рек (ППП 10). В дальнейшем именно с этих участков осуществляется процесс расселения пихты, ели, кедра и др. на выгоревшую территорию после образования под пологом пионерных пород благоприятных условий для произрастания темнохвойных видов (ППП 5-8). При значительном удалении от источника семян снижается вероятность их появления, вплоть до полного отсутствия (ППП 1-4; 9). Другим фактором, ограничивающим возобновление хвойных, является нарушение гидрологического режима. Фации с избыточным увлажнением почвы и интенсивным развитием вейника наземного (ППП 3-4) также характеризуются полным отсутствием возобновления хвойных растений под пологом березового древостоя.
Последовательные стадии смены доминантных видов будут осуществляться до тех пор, пока не установится определенное сообщество, сохраняющее постоянство распределения видов в течение неограниченно долгого времени при отсутствии внешних возмущений (климаксовое сообщество). Так, например, в исследованном районе климаксовыми сообществами являются смешанные темнохвойные леса. Климаксовые сообщества могут поддерживать наиболее благоприятные для себя локальные условия окружающей среды в устойчивом состоянии, компенсируя любые возникающие случайные возмущения, сохраняя равновесие между биотическими и абиотическими компонентами до следующего нарушения.
На первой стадии возобновительной сукцессии, продолжительностью 10-15 лет, осуществляется заселение стволов вторичными вредителями, усыхание деревьев, разложение экскрементов гусениц, интенсивный рост живого напочвенного покрова. По истечении этого периода накапливается огромный (до 250 м3/га) запас горючего материала [8], являющегося предпосылкой повторяющихся пожаров (вторая стадия продолжительностью 10- 15 лет - горельник с полностью погибшим древостоем).

a	b
c	d

Рисунок 2 – Динамика площади древостоев (а- основных лесообразующих пород; b- сосны кедровой сибирской; c- пихты сибирской; d – осины)

Таблица 1 – Характеристика постоянных пробных площад

На следующем этапе, от 20(25) до 40(50) лет, территорию начинает активно заселять самосев березы и осины. При этом соотношение пионерных видов определяется конкретными лесорастительными условиями и наличием обсеменителей, а также вегетативного потомства. В фазе ранней колонизации закрепляются случайные организмы, которым повезло, позднейшие стадии намного более организованны и упорядочены [13]. Далее, с 40(50) до 120(150) лет под пологом березы и начинающей выпадать осины формируется второй ярус из ели, пихты и кедра.
При восстановлении климаксового растительного покрова после его нарушения происходит существенное изменение среды обитания. При этом виды, определяющие сукцессионные изменения в окружающей их среде, меняют эту среду в благоприятном для климаксовых видов и неблагоприятном для самих себя направлении. Такие виды могут быть названы ремонтными видами [14]. К ремонтным видам темнохвойных климаксовых лесов относятся береза, осина, ольха, различные виды ив и пр. Сукцессия происходит до тех пор, пока параметры окружающей среды не достигнут значений, благоприятных для климаксовых видов, в которых эти виды приобретают наибольшую конкурентоспособность и способность поддерживать окружающую среду в этом состоянии до следующего нарушения.
На последующей стадии, 120(150) – 200(300) лет, из древостоя почти полностью вываливаются осина и береза. Темнохвойные породы, иногда вместе с березой и осиной (редко), образуют первый ярус. В дальнейшем (>300 лет) из насаждения, достигая критического возраста в данных лесорастительных условиях, выпадают пихта и ель (а также береза и осина, при их наличии). В итоге, в идеальном случае, при отсутствии новых вспышек массового размножения, пожаров, на территории может восстановиться тайга с преобладанием в составе кедра, естественно, при сохранении оптимального для этого климата (с небольшими отклонениями от тренда с XVII до первой половины XX вв.).
Изменение видового разнообразия представляет собой в большей степени косвенное следствие увеличения количества органического вещества и сложности фитоценоза, а не прямое следствие причинных факторов сукцессии. Достигнутый уровень разнообразия может сильно зависеть от энергетики, поскольку поддержание высокого разнообразия требует энергетических затрат и этот уровень может быть дестабилизирован (синдром «хорошенького понемножку») [15]. По мере того как размеры и сложность системы увеличиваются, возрастают её качество и устойчивость к нарушающим воздействиям. При этом значительно быстрее увеличивается энергетическая стоимость поддержания структуры и функции системы. Следовательно, падает та доля, которая может идти на дальнейшее увеличение размеров. Полагают, что сукцессия протекает таким образом, что система накапливает разнообразие и специализацию до тех пор, пока уровень неопределенности окружающей среды не обратит дальнейшее усложнение организации во вред системе [16].
Очевидно, что основным фактором, определяющим структуру леса и видовой состав деревьев в исследуемом районе, являются сила и частота внешних возмущений (в частности, вспышки массового размножения сибирского шелкопряда). На скорость и направление сукцессии оказывают значительное влияние степень повреждения сибирским шелкопрядом (в дальнейшем черным пихтовым усачем), гидрологический режим, гранулометрический состав почвы, пожары, рельеф, предшествующий состав леса, наличие семенных деревьев.

Главная

Исследовательские группы

Студенту