Биологическая продуктивность лесов

Санитарные  рубки — лесоводственное мероприятие, проводимое в насаждениях неудовлетворительного санитарного состояния путем вырубки отдельных больных, поврежденных, усыхающих, усохших деревьев или всего усыхающего (погибшего) древостоя.

Лесообразующая  порода — древесная порода, которая  в пределах своего ареала образует основной ярус насаждений, отличающихся биологической и морфологической  устойчивостью и специфическим  комплексом сопутствующих растений и животных.

Лес — совокупность древесных, кустарниковых, травянистых и других растений, а  также животных и микроорганизмов, биологически взаимосвязанных в  своем развитии и влияющих друг на друга и на внешнюю среду. Понятие "лес" используется также для  обозначения элемента географического  ландшафта, сырьевого ресурса или  объекта ведения лесного хозяйства.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ЛЕСНЫХ ЛАНДШАФТОВ

Понятие биологической продуктивности лесных ландшафтов.

Из  курса географии почв мне известно, что мерилом естественного плодородия является уровень биологической  продуктивности, т.е. количества первичной  растительной массы, создаваемой за год на единицу площади (10ц/га-300ц/га). Считается, что биологическая продуктивность почв не даёт полного представления  о потенциальной продуктивности почв. Потенциальная продуктивность используется в сельском хозяйстве. При определении продуктивности существует закон убывающего плодородия почв, из которого следует, что увеличение урожаев на обрабатываемых землях непропорционально затраченному труду. За последние годы затраты труда возросли в 8-10 раз, а урожайность увеличилась в 2-3 раза.

Из  курса землеведения мне известно, что ландшафт есть пятимерная, взаимосвязанная  система, состоящая из :

1. Внутренняя компонентная составляющая (почвы, биостром, кора выветривания, здесь проходит фотосинтез). 
2. Внутренняя структурно-морфологическая составляющая (районы, местности, урочища, страны, зоны, пояса). 
3. Внешняя комплексная составляющая (для взаимодействия с другими комплексами). 
4. Внешняя воздушная составляющая(смена типов воздушных масс, поток радиации, перенос тепла и влаги, перенос пыли, миграция птиц). 
5. Подстилающая литогенная составляющая(отражает процессы происходящие в мантии и земной коре).

Последние три отражают поле взаимодействия ландшафта  с окружающей средой. Так как судить в целом о биологической продуктивности лесных ландшафтов довольно трудно, учитывая нехватку материалов и литературы, я остановлюсь непосредственно  на лесе (или на его доминанте) —  как его обязательной составляющей.

Биологическая продуктивность искусственно созданных  насаждений изучалась явно недостаточно, что, безусловно, тормозит сейчас решение  актуальных теоретических и практических задач современного лесоведения. К  числу таких задач относится  восстановление и повышение продуктивности лесов различных ботанико-географических зон путём выращивания лесных культур с наиболее оптимальными характеристиками строения, накопления органической массы и эффективностью использования лучистой энергии, влаги  и питательных веществ почвы. Для правильного и научно обоснованного  решения этой задачи необходимо накопление фактических данных о зависимости  биомассы, её фракционного состава  годичной продукции веществ от густоты  стояния и характера размещения деревьев в культурах с учетом лесорастительных условий их формирования.

Влияние густоты посадки на рост и процессы дифференциации деревьев в культурах  освещены в работах В.П. Тимофеева (1959), П.С. Кондратьева (1959), Г.Р. Эйтингена (1916) и многих других, но к сожалению в этих работах не приводятся детальные характеристики биопродукционного процесса культур различной густоты.

При комплексном использовании леса не только деловая древесина, но также  и тонкомерные стволы, ветви, хвоя — листья найдут применение как  растительная масса, содержащая большое количество биологически активных веществ — витаминов, хлорофилла, микроэлементов, лекарственных соединений. Все части дерева являются ценным сырьём для химической промышленности; ветви идут на строительных материалов и могут быть использованы в целлюлозно-бумажной промышленности. Сейчас лесоустроители при таксации древостоев определяют не только запас стволовой древесины, но вес всех частей дерева, так как очевидно, что в ближайшем будущем все части деревьев будут использоваться в промышленности и сельском хозяйстве.

Методика исследования биологической  продуктивности культур сосны

Простота  видового состава, строения, одновозрастность и равномерное распределение деревьев в культуре сосны существенно упрощает и повышает точность определения важнейших характеристик биопродукционного процесса (общие запасы фитомассы и её фракционный состав, первичная продукция веществ и т.д.). Объектом исследований в данном случае служит только 1-й ярус, т.е. чистые одновозрастные ценопопуляции сосны, т.к. остальные ярусы практически отсутствуют.

Методика  сводится к следующему: на пробных  площадях проводится сплошной перечет  деревьев по одноименным ступеням толщины. Измерение диаметров стволов  проводится в двух направлениях —  север-юг, запад-восток.

Важнейшие характеристики продуктивности древостоев определялись методом модельных  деревьев. Модельные деревья отбирались пропорционально их представленности в ступенях толщины и высот с учетом характера развития крон. На каждой пробной площади было срублено по 20-30 модельных деревьев.

Модельные деревья детально разделывались  на основные фракции (хвоя различных  лет, живые и мёртвые сучья, древесина  и т.д.) и был определён сырой  и абсолютно сухой вес различных  фракций, после чего данные были подвергнуты  статистическому анализу.

Для получения дендрометрических показателей  хвои и определения листового  индекса у четырёх модельных  деревьев с 3-, 6-, 9-й (или 8-й) мутовок брались  навески хвои (10 г) различного возраста. В каждой навеске подсчитывали число  хвоинок. Затем образцы высушивались при температуре 80-85 С до абсолютно сухого веса. Полученные данные использовались для определения влажности хвои различного возраста в зависимости от её размещения по вертикальному профилю древостоев и густоты стояния деревьев. С этих же мутовок брали по 20 хвоинок каждого возраста для определения площади хвои и листового индекса по методике А.Н. Челядиновой (1941). Для определения влажности и абсолютно сухого веса древесины и коры брались выпилы из стволов модельных деревьев на высоте 1,3 м от земли. Определялись также влажность однолетних побегов и ветвей разной толщины живых и мертвых, а также влажность хвои по возрастам.

Таким образом, для каждого отдельного дерева был послойно в кроне определён  сырой и абсолютно сухой вес  хвои (общий и по её возрастам), древесины  ствола и ветвей живых и отмерших по мутовкам и по возрастам. Затем  для модельных деревьев каждой площади  были вычислены коэффициенты уравнения  связи массы стволов, а также  массы кроны и её частей с диаметром  ствола на высоте 1,3 метра. Коэффициенты уравнений вычислялись методом  наименьших квадратов для двух вариантов: 1-й — в предположении, что названные  выше связи выражаются показательной  функцией; 2-й — в предположении, что связи выражаются уравнением параболы 2-го порядка. Последующее  сравнение этих вариантов показало, что экспериментальным данным во всех случаях соответствует параболическая связь, так как она обеспечивает меньшую сумму квадратов отклонений экспериментальных точек, полученных в результате обработки модельных  деревьев от кривой, построенной по выведенному уравнению.

Используя полученные зависимости, массу отдельных  частей крон (живых и отмерших ветвей, хвои) и стволов для каждого  насаждения вычисляли по ступеням толщины  и затем суммировали в общий  итог. Полученные цифровые данные позволяли  с достаточной степенью точности рассчитывать фитомассу различных фракций на единицу площади, а также построить диаграммы вертикального распределения фитомассы на деревьях различных диаметров. Для определения веса подземных частей на всех участках были заложены траншеи глубиной 1,8 метра. Площадь траншей варьировала в пределах 4,6-6,8 м², а число из оказалось недостаточным для определения фитомассы корней с достаточной степенью точности. Учитывая, что 40 % корней сосны залегает в верхнем 30-сантиметровом слое почвы на каждом участке было взято дополнительно по 10 монолитов, размерами 0,5*0,5*0,3 м. Монолиты распределялись равномерно на пробных площадях. Статистический анализ показал, что ошибка определения фитомассы корней составляла 5-10 %.

Отпад деревьев (сухостой, снеголом) определялись в 3-, 6-, 10-, 15-, 18- и 20-летнем возрасте культур путем сплошных перечетов.

Опад тоже был учтен путем закладки на каждом опытном участке 20 площадок размером 5 м². В дополнение к этим данным на экспериментальных участках проводились наблюдения за транспирацией и

Влияние густоты посадки на общий  запас и фракционный состав надземной  фитомассы культур сосны.

При увеличении густоты посадки с 5 до 40 тыс. на 1 га наблюдается неуклонное снижение среднего веса надземной массы  одного дерева (см. таблицу ниже). Наибольшее снижение фитомассы происходит при густоте 15 и 40 тыс. на 1 га, что хорошо согласуется с данными, полученными при измерении высот, диаметров и объемов на этих участках. Так, например, средний вес дерева при густоте 15 тыс. снижается в 2,5 раза, а при густоте 40 тыс. в 6 раз по сравнению с весом при густоте посадки 5 тыс. Интересно, что в диапазоне густот 15 и 30 тыс. наблюдается некоторое замедление падения веса среднего дерева. Однако увеличение густоты деревьев до 40 тыс. вызывает резкое падение среднего веса дерева. Увеличение густоты деревьев сопровождается заметными сдвигами и в фракционном составе фитомассы; вес стволовой древесины изменяется с повышением густоты посадки меньше, чем фитомассы хвои сучьев. В целом данные хорошо укладываются в рамки общей биологической зависимости скорости роста и продукции органических веществ отдельных особей от плотности видовых популяций в посевах и посадках.

Увеличение  густоты растений приводит к снижению скорости роста и продукции органических веществ у сосны, как следствие  повышения интенсивности конкуренции  между ними за факторы роста.

Общий запас надземной фитомассы деревьев культур сосны

Вес стволовой древесины на всех участках составляет около 80 % (+ 3-4 %) всей надземной  массы 20-летнего древостоя. Заметна  тенденция в густых культурах  к некоторому повышению доли стволовой  древесины в общей надземной  массе. Вес крон составляет от 27,3 до 18 % веса стволов, снижаясь в наиболее густых культурах. Во всей надземной  массе доля живой части крон колеблется от 20,7 до 14,9 %, соответственно снижаясь с увеличением густоты.

Вес корневых систем культур сосны

Для полной характеристики накопленного органического  вещества к данным о весе надземной  части древостоев необходимо добавить вес их корневых систем путём раскопки всех корневых некоторых модельных  деревьев и методом монолитов.

Относительная доля корней в культурах разной густоты  изменяется в значительных пределах — от 14,0 до 21,7 % от веса всей надземной  массы. При этом относительный и  абсолютный вес корней выше всего  в самых редких культурах. Это  идет главным образом за счет развития в редких культурах толстых стержневых корней. Поэтому сопоставлять вес  корней с весом хвои для оценки обеспеченности её влагой и питательными веществами весьма трудно. Общий вес  корней на 1 га за исключением самых  редких культур изменяется сравнительно в небольших пределах.

Вес корней (в среднем) одного дерева в  самых редких культурах в 6-7 раз  больше веса корней дерева в самых  густых культурах. При изменении  густоты с 5 до 10 тыс. на 1 га вес корней уменьшается более чем вдвое. Дальнейшее уменьшение веса корней с  ростом густоты идёт более плавно.

Общая биологическая продуктивность культур сосны разной густоты

В древостое и подстилке за 20 лет  накапливается на 1 га от 108 до 127 т  сухого органического вещества или  в среднем 5,4-6,4 т в год. Для определения  полной биологической продуктивности насаждений необходимо добавить величину разложившегося опада. К сожалению, учесть её очень трудно. Общее количество опавшей хвои (в абсолютно сухом весе) за 18-летний период должно составлять от 18,9 до 30,0 т на 1 га. За три года он составляет от 1,4 до 2,0 т, или в среднем 1,7 т на 1 га. Труднее учесть опад в виде коры, сучьев, шишек. Он составляет в подстилке 56 %. По примерному расчету количество его может быть определено за 18-летний период в 13-17 т. При этом общее количество разложившегося полностью минерализованного опада составит от 12 до 21 т на 1 га (в абсолютно сухом весе) или в среднем 0,8 т на 1 га в год. Что касается общей биологической продуктивности за отдельные годы, то определить её очень трудно, так как определение прироста коры, древесины, влаги в отдельном годичном слое существующими методами очень неточное, и почти вовсе не поддается массовому учету прирост и опад корней. Чтобы судить об общей годичной биологической продуктивности культур сосны воспользуемся довольно точной пропорциональностью между накоплением стволовой древесины и общим накоплением органического вещества деревом.(

Общая биологическая продуктивность 18-летних культур сосны составит от 10 до 13,5 т сухого органического вещества на 1 га. Это полностью совпадает  с данными, полученными В.П. Тимофеевым (1970). При этом в 18-летнем возрасте минимальную  продуктивность дают культуры с густотой посадки 5 тыс. сеянцев, а максимальную с посадкой 30 тыс. сеянцев на 1 га. В 20-летнем же возрасте минимальную  продуктивность дают деградирующие  культуры с густотой посадки 40 тыс. сеянцев. Максимальную продуктивность в 20-летнем возрасте дают культуры с  посадкой 30 тыс. на 1 га.

Виды биологической продуктивности лесов

Потенциальная продуктивность является одной из главных  показателей эталонных насаждений, характеризуется такими показателями как видовой состав. Хозяйственная  ценность, объединяемая в итоге в  понятие «хозяйственной продуктивности». Под понятием «потенциальной продуктивности»  понимается максимально возможная  продуктивность для данных климатических  и почвенных условий, будь то первичная  биологическая продуктивность (т/га) или продуктивность запаса стволовой древесины (м³/га). Обычно последняя наиболее существенная составляющая первичной продуктивности является предметом изучения лесоводов.