Структура, рост и продуктивность древостоев на песчаных почвах Марийского Заволжья: роль породного состава и эдафических факторов

Актуальность выбранной темы. Лес — основной компонент среды, хранитель биологического разнообразия, естественный регулятор многих биосферных процессов и источник разнообразных возобновляемых ресурсов, способных удовлетворять потребности человечества. Одной из важнейших задач лесной экологии является познание закономерностей структурнофункциональной организации и динамики лесных биогеоценозов, связей в системе «почва-древостой», а также описание происходящих процессов и явлений в форме математических моделей, позволяющих обоснованно подходить к разработке практических мероприятий по повышению продуктивности и устойчивости лесов, усилению их защитных и средооб разую щи х функций. Современные взгляды на устойчивое, рациональное и неистощительное лесопользование, нашедшие отражение в Федеральной целевой программе «Леса России» (1997) и «Концепции устойчивого управления лесами Российской Федерации)' (1998). подтверждают практическую актуальность данных вопросов. Цель исследований заключается в выделении факторов, определяющих породный состав лесов на песчаных почвах Марийского Заволжья, их продуктивность и жизнеспособность. Для ее реализации были поставлены следующие задачи-.1) изучить закономерности временной динамики таксационных показателей древостое в в борах Марийского Заволжья и оценить количественно в форме математических моделей действие определяющих их факторов- 2) оценить состояние и проанализировать динамику опытных сосновоберезовых и оосноао-кустаряиковьк культур, созданных по проекту Татарской ЛОС в 1976;1978 гг. на песчаных почвах Марийскою Заволжья: 3) оценить количественно и выразить в форме математических моделей действие эдафических факторов, оказывающих влияние на рост деревьев сосны и березы в чистых и смешанных лесных культурах- 4) изучить особенности влияния деревьев сосны и березы на физикохимические свойства песчаных почв Марийского Заволжья. Научная новизна. Впервые для изученного региона построены на типологически и оспине математические модели хода рое га деревьев сосны и березы в составе смешанных насаждений, а также оценено влияние породной структуры на рост и продуктивность древостоев: выделены и оценены код j н е с: нем, но > з.^и'ческ-ю флморм он ре [е. iwoinue нрод кч иыюсм, смешанных лесных культур на песчаных почвах: установлен характер взаимосвязей между различными физико-химическими параметрами почв и оценено влияние на них деревьев сосны и березы. Практическое значение результатов исследования состоит в разработке математических уравнений временной динамики таксационных показателей Древостоев в различных типах лееорастительных условий борового ряда, которые могут быть использованы в качестве моделей формирования наиболее продуктивных древостоев на песчаных почвах региона. Разработан комплекс мероприятий по улучшению состояния и повышению продуктивности смешанных с ос ново-березовых и сосново-кустарниковых культур в сухом и переходном от сухого к свежему борах, создание которых направлено на снижение горимости лесов и увеличение биологического разнообразия. Обоснованность выводов н достоверность результатов исследования обеспечивается большим объемом экспериментального материала, использованием стандартных методов исследований, приемов и критериев Апробация. Основные результаты исследовании доложены на научнотехнической конференции МарГТУ (Йошкар-Ола. 2004) — научных чтениях «Проблемы использования, воспроизводства и охраны лесных ресурсов б Вол же ко-Каме кого региона» (Казань. 2004): международной научнотехнической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса». (Брянск 2004): международной научно-практической конференции: «Лесопользование, экология и охрана лесов: фундаментальные и прикладные аспекты» (Томск. 2005) — международной конференции: «Кадровое и научное сопровождение устойчивого управления лесами: состояние и перспективы» (Йошкар-Ола. 2005): всероссийской междисциплинарной научной конференции «Девятые Вавиловские чтения» (Йошкар-Ола. 2005), научных чтениях «Пути рационального воспроизводства, использования и охраны лесных экосистем в зоне хвои по-широколиственных лесов» (Казань. 2006), всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы почвоведения и экологии» (Йошкар-Ола. 2006) научно-практической конференции «Проблемы использования, воспроизводства и охраны лесных ресурсов» (Казань. 2006).Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в Темниковском лесхозе Республики Мордовия. Личный вклад автора заключается в постановке цели, формулировании задач, разработке программы исследования, сборе экспериментального материала, его обработке и анализе, подготовке научных публикации, формулировании выводов и основных положений диссертации.Публикации. Основные положения диссертации изложены в 10 публикациях, в том числе в издании, рекомендованном ВАК РФ. Научные положения, составляющие предмет защиты: 1) математические уравнения, отображающие закономерности сложения породной структуры древостоев. их продуктивность и ход роста деревьев сосны и березы в различных гигротопах борового ряда: 2) оценка эффективности создания смешанных сое, но во-березовых и сое ново-кустарниковых лесных культур на сухих песчаных почвах Марийского Заволжья- 3) результаты анализа взаимосвязей в системе «почва-древостой» в боровых условиях и выделение основных факторов, влияющих на успешность роста деревьев сосны и березы.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения. 5 глав, заключения, списка литературы и 10 приложений. Она изложена на 207 листах машинописного текста, включает 43 таблицы, 42 рисунка и 35 страницы приложений. Список используемой литературы включает 276 наименований, в том числе 22 источника на иностранном языке.1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Лесные биогеоценозы необычайно разнообразны и сложны. Вместе с тем они не представляют собой хаотического нагромождения видов и форм, не связанных между собой и абиотическими компонентами определенными связями (Демаков. 2000). Живая материя, независимо от конкретных форм ее проявления — начиная с атом но-молекулярного и клеточного уровня и кончая биосферой в целом, характеризуется прежде всего структурной организованностью (Фролов. 1981). Структура (лат. struktuia — строение) — неотъемлемый атрибут систем, отражающий все их индивидуальные качества, позволяющий идентифицировать и классифицировать объекты, характеризующий степень упорядоченности элементов в системе и определяющий их внутренние и внешние связи, а. следовательно, и закономерности функционирования (Веденов. Кремянский, 1966). Преобразование или разрушение структуры ведет к существенной перестройке или гибели системы — пока сохраняется структура, сохраняется и система в целом. Структурность — всеобщее фундаментальное свойство материи (Свидерский. 1962; Овчинников.1966). Познание структуры есть способ познания системы (Фролов. 1981).Одним из важнейших вопросов современного лесоведения является выделение факторов, влияющих на рост и продуктивность древостоев, а также их устойчивость к неблагоприятным условиям среды. Одним из этих факторов является породная струхгура насаждений (Лосицкии. Чуенков. 1980; Калинин. Денисов. 2005). которая складывается не только под действием того или иного сочетания элементов климата и почвы, взаимоотношений, складывающихся между компонентами древостоя, но и антропогенной деятельности. В связи с этим важным этапом в изучении проблемы повышения продуктивности и устойчивости лесов, является познание закономерностей организации породной структуры насаждений (Эйтинген. 1949. 1962; Высонкий. 1962; Лосицкий. Чуенков. 1980; Горев. 1983: Бузыкин и др. 1985; Нагимов. Луганский. 1990; Соколов. Семечкин. 1998 и др.).В лесоводстве! той литературе существуют неоднозначные оценки чистых и смешанных насаждений, хотя большинство исследователей отмечают большую устойчивость смешанных насаждений к неблагоприятным факторам среды по сравнению с чистыми древостоями (Алексеев. 1966; Миронов.1977) Известные лесоводы (Арнольд. 1898- Морозов. 1930; Ткаченко. 1939: Турский. 1939: Нестеров. 196!) неоднократно подчеркивали, что в смешанных насаждениях за счет неодинаковых биологических свойств различных пород более полно используются условия среды, в результате чего смешанные насаждения отличаются более высокой продуктивностью, чем чистые, в одинаковых условиях произрастания. Примесь лиственных пород и кустарников в хвойных древостоях. как показано исследователями (Степанов. 1929.1932. 1937; Шумаков. 1963; Набатов. 1968; Попов. 1997). способствует обогащению почвы азотом и зольными элементами питания. Создание смешанных хвойно-лиственных культур на всех типах почв рекомендовали А. П. Тольскии (1921, 1928), Г. Н. Высоцкий (1949). В. В. Огиевскии (1949. 1950).ВТ. Нестеров (1950. 1954). М. Е. Ткаченко (1952). В. М. Обновленский (1957).Б. И. Логинов (1957). П. С. Погребняк (1963). Д. Д. Лавриненко (1965). Однако некоторые исследователи отмечали что смешанные насаждения нередко характеризуются меньшей производительностью, чем чистые (Тимофеев. 1954; Жуков. 1958; Олейникова. 1962; Смирнов. 1964).На бедных песчаных почвах ассортимент пород пригодных для создания смешанных насаждений весьма ограничен, однако и здесь среди лесоводов нет единого мнения о роли смешанных насаждений в повышении продуктивности древостоев. На более высокую продуктивность сое, но во-березовых культур, по сравнению с чистыми культурами сосны, указывали Е. Д. Годнев (1949). А. И. Котов (1949. 1961). Г. Г. Юнаш (1952). B.C. Мирошников (1955). B.C. Романов (1955). Н. А. Зудин (1957), В. П. Тимофеев (1958). В. И. Рубцов (1964). В тоже время Х. М. Исайченко (1957), А. Б. Жуков (1958), В. И. Олейникова (1962) отмечали, что сосново-березовые культуры по продуктивности уступают чистым сосновым, а Ф. Н. Харитонович (1961) вообще выступал противником создания смешанных сое ново-березовых культур. Более поздние исследования также не внесли ясности. Так, Л. С. Ковалев (1965), В. А. Мельчанов (1968), СВ. Новосад (1970), В. М. Обновленский (1970), О. А. Неволин (1996) и В. К. Попов (1997) отмечают более высокую продуктивность смешанных культур, а Н. М. Набатов (1964), В. И. Олейникова (1969), В. П. Корнев (1970) — более низкую. В. М. Ефименко и др. (1999) отмечают, что продуктивность сое ново-березовых древостоев во всех возрастных группах определяется не только типом почвенных условий, так и соотношением пород в составе. Весьма обстоятельные исследования продуктивности с ос ново-березовых культур в центральных черноземных областях проведены В. И. Рубцовым (1969). Он пришел к следующим выводам: 1) в лесорастительных условиях, сходных с условиями сухого бора, нецелесообразно создавать сое, но во-березовые культуры- 2) в свежих борах следует отказаться от смешанных сосново-березовых культур, но в виде исключения можно вводить только один ряд березы- 3) в субормх необходимо вводить один-два ряди березы между кулисами сосны из пяти-шести рядов с обязательным введением буферных рядов из кустарника. Создание смешанных насаждений способствует не только повышению продуктивности насаждений, но и устойчивости их к пожарам и сохранению биоразнообразия. Данному вопросу в последнее время уделяется все большее внимание (Матузанис, и др, 1968; Лосицкий, Чуенков, 1980; Hansen и др., 1992; ПИ Anita, 1994; Ефремов, 1997; Иванова, 1997; Данилин, 1997).Продуктивность и качество смешанных насаждений зависит не только от структуры насаждений и условии географической среды, но и от характера взаимоотношений складывающихся между древесными породами, входящими в состав смешанного древостоя {Денисов. Александров. 1954; Шумаков.1963: Рубцов. 1964: Лавриненко. 1965: Котов. 1961: Неволин. 1996: Попов.1997: Калинин. Денисов. 2005). Создавая смешанные насаждения, надо хорошо знать биоэкологические свойства вводимых пород и помнить, что степень напряженности межвидовых взаимоотношений между одними и теми же породами изменяется с возрастом и, а зависимости от условий внешней среды. Незнание или недооценка этих факторов часто приводит к гибели главной породы в смешанном насаждении (Жуков. 1958) Учение о взаимодействии древесных пород вошло органичной частью в созданное Г. Ф. Морозовым и Г. Н. Высоцким учение о лесе. На фоне этих основополагающих исследований выделяются работы по изучению взаимодействия хвойных и лиственных пород (Высоцкий. 1949: Ткаченко. 1952; Обновленской. 1957: Котов. 1961; Олейникова. 1962; Шумаков. 1963; Лавриненко. 1965: Матузанис и др. 1968; Набатов. 1968; Харитонович. 1968: Рубцов. 1969: Лосицкий.Чуенков. 1980).В зоне смешанных лесов в составе хвойных насаждений почти повсеместно можно встретить примесь березы. Знания взаимодействия ее с сосной важно для разработки лесохозяйетвеннш мероприятий, исключающих смену пород. Специфика взаимоотношении этих пород заключается в том. что они близки по светолюбию. но у березы, по данным Л. Л. Иванова (1953). наблюдается большая интенсивность фотосинтеза, а, следовательно, и жизнедеятельности, по сравнению с сосной. Этому соответствует и заметно большая, по сравнению с сосной, быстрота роста в молодости. В результате в сосновоберезовых молодняках. особенно на богатых почвах (В-. -) — взаимодействие складывается не в пользу сосны (Денисов. 1999). В условиях же свежего бора (А2) береза, поданным В. И. Рубцова (1964) и В. К. Попова (1965). превышает сосну только в первые 10−15 лет. а затем преимущество в росте имеет сосна. С течением времени деревья березы замедляют свой рост, снижают конкурентоспособность и постепенно выпадают из насаждения. Сосна же продолжает достаточно интенсивно расти и постепенно занимает главенствующее положение в верхнем ярусе. При этом она уже не пускает под свой полог второе поколение светолюбивой березы. А. К. Денисов и А. А. Александров (1954). исследуя взаимоотношения сосны и березы в смешанных 30-летних молодняках в условиях свежего бора, возникших на гарях в Республике Марий Эл. установили, что если сосна и береза поселяются одновременно, то в первые годы жизни береза, независимо от ее участия в составе древостоя, занимает верхнюю часть полога, в 2…3 раза превышая сосну по высоте. Со временем различия высот сглаживаются и к концу второго или начала третьего класса возраста сосна догоняет березу. К. К. Калинин (1996. 1997.1998. 2005. 2006). исследуя состояние смешанных сое ново-л ист венных культур и естественных одно возрастных молодняков на гарях 1972 года в Марийском Заволжье, отмечает, что выравнивание высоты деревьев сосны и березы происходит в брусничном типе леса в 9-летнем возрасте, в черничном — в 15летнем, в долгомошном — в 10-летнем и в кустарничково-пушицево-сфагВзаимное влияние древесных и кустарниковых пород при их совместном произрастании осуществляется в формах механического, физического и химического воздействия друг на друга. Механическое воздействие деревьев березы на сосну проявляется в форме охлестывания (Морозов. 1912; Ткаченко, 1952; Иванова, 1953). Охлестывание сосны березой, по мнению И. А. Алексеева (1975), происходит только в радиусе 3 м. что подтверждают его наблюдения за с ос ново-березовым и культурами. По мнению О. А. Неволина (1996). который выделил пять степеней охлестывания. наиболее сильному воздействию подвергаются деревья сосны, растущие, а непосредственной близости (до 1.5 м) от березы. По мнению В. К. Попова (1997), охлестывание не так сильно сказывается на угнетении деревьев сосны, первые признаки которого начинают проявляться в возрасте 6 лет. достигая к 30 годам 28.3%. Определяющим фактором является биофизическое влияние березы на сосну, выражающееся в затенении сильно разросшимися кронами березы рядов сосны. В результате у сосны образуется однобокая крона, которая постепенно изреживается. дерево начинает суховершинить и в последствии отмирает. Ряд исследователей выдвинули теорию биологического поля растений (Гурвич, 1944) Более поздние исследования подтверждают наличие и взаимодействие биополей растений (Павловская. Пасынскии. 1964. Опарин.1973). И. С. Марченко (1995) в своей работе приводит примеры взаимодействия биополей сосны и березы при совместном произрастании. По его данным биополе березы отталкивает или отклоняет хвою и ветви сосны от кроны березы. Этим он объясняет однобокость флагообрапюеть кроны сосны, растущей рядом с березой. Во взаимоотношениях между сосной и березой следует так же учитывать еще одну из форм взаимодействия растений: выделение в окружающую среду разнообразных продуктов, обладающих большой биохимической активностью. Подобного рода биохимические взаимовлияния между различными видами растении и микроорганизмами были обнаружены и исследованы Г. Молишем (1937) и получили название шы&чопатии. Исследованиями последующих лет было установлено много фактов подобного взаимовлияния растений через их кроны и корни (Вигоров. 1950. Любич. 1954: Гортинский.1963: Гроздинский. 1965; Райе. 1978: Баранецкий. 1987; Гринюк. 1990; Gal let, 2002. Lin Si-zu. 2002). Многочисленные исследования показали, что влияние березы повислой на сосну обыкновенную через фитонциды отрицательное (Чернобривенко 1956.1957; Грюммер 1957: Колесниченко. 1964. 1968; Попов.Попова. 1991).Взаимоотношения деревьев сосны и березы зависят также от размещения их в культурах и типа смешения пород. При кулисном или шахматном смешении конкурентные взаимоотношения в значительной степени сглаживаются. Куртинное размещение сосны с березой в насаждении, как считает P.M. Бабинцева и др. (1982). может уменьшить отрицательное влияние березы на сосну. При порядном способе смешения береза очень сильно угнетает сосну даже в условиях свежего бора. В условиях местопроизрастания Вт и С — с ос ново-березовые культуры к 20−25 годам становятся чисто березовыми (Попов. 1997). Детальный анализ результатов опытов по созданию смешанных с ос н о во-бе ре зо вокустарниковых культур, которые были проведены в различное время в лесхозах Московской области, проанализированы Н. П. Калиниченко я др. (1973). Было установлено, что при смешении этих пород по схеме С-к-Б последняя постепенно вытесняет сосну. При кулисном же смешении пород лучшие результаты получаются в тех случаях, когда пять рядов сосны чередуются через кустарник с одним рядом березы. Увеличение березы до двух-трех рядов приводит к снижению продуктивности и хозяйственной ценности насаждений. Таким образом, выводы проф. В. И. Рубцова (1969) об эффективности сосново-березовых культур в лесостепи полностью подтверждаются и в зоне смешанных лесов. Сильной стороной сосны при взаимодействии с березой является несколько меньшая требовательность ее к почвенной влаге. Поэтому на сухих и крайне-сухих почвах, также как и на мокрых и переувлажненных, сосна успешно конкурирует с березой даже в молодняках (Лавриненко. 1965).Взаимовлияние деревьев в насаждении происходит не только в надземной части, но в значительной степени под землей. Корневые системы совместно произрастающих деревьев тесно переплетены и взаимная конкуренция или взаимодействие их. бесспорны. Вопрос о взаимодействии корневых систем различных древесных пород является частью общебиологической проблемы, межвидовых взаимоотношений среди растений, и имеет большое значение для практики лесовыращивания Исследованию проблемы формирования, развития и взаимодействия корневых систем сосны и березы при их совместном произрастании было посвящено много работ, но единого мнения по этому вопросу нет, что связано, по-видимому, с недостатком экспериментального материала из-за трудности раскопок корневых систем и различных методических подходов {Годнее, 1949; Ахромейко, 1950; Зудин, 1961, Олейникова, 1962, Рахтеенко, 1949, 1952, 1963; Алексеев, 1966, Олейникова, Шестакова. 1969; Лоснцкий. Чуенков, 1980).Акад. В. Н. Сукачев (1946) сформулировал сущность взаимосвязей между древесными породами, указав, что эти две противоположности — угнетение растений в процессе жизненной конкуренции и благоприятствование одних другим — неотделимы друг от друга и диалектически составляют между собой единое целое. Помимо рассмотренных выше видов взаимного влияния деревьев при их совместном произрастании не следует забывать также и о косвенном влиянии деревьев, проявляющегося в изменении среды обитания. В процессе роста и развития древостоя изменяется световой и тепловой режим, потребление влаги из почвы. Все это обуславливает изменение водного и питательного режима почвы, деятельность микроорганизмов, интенсивность почвообразовательных процессов и разложение опада (Жуков, 1958). Нельзя не отметить значение березы, способствующей повышению устойчивости культур сосны кзаболеванию корневой губкой (Алексеев, 1966).Влияние древесных пород на почву давно интересует ученых. Первое указание мы находим у М. В. Ломоносова § 123 — «О слоях земных» в 17 571 759 гг.: «В лесах, кои стоят всегда зелены, и на зиму листвы не роняют, обыкновенно бывает земля песчанаякаковы в наших краях сосняки и ельники. Напротив того, в березняках и других лесах, кои лист в осень теряют, больше преимуществуй чернозем, А как известно, что лист на земле сгнивает и в навоз перетлевает, то не дивно, что через них пески, глины и другие подошвы черною землею покрываются, тем больше, чем лес гуще и выше»… (Соч. Т. VII, 1934, с. 228) Так великий Ломоносов выразил сущность почвообразующего влияния леса и выделил среди наших лесов древесные породы, способные улучшать лесные почвы. Среди последних он называет березу как породу, под пологом которой «преимуществует» чернозем. На необходимость изучения вопроса о влиянии древесных пород на почву неоднократно указывал и основатель науки о почве В. В. Докучаев (1899).Из работ более позднего периода необходимо отметить исследования К. П. Горшенина (1926). М. Е. Ткаченко (1939, 1955). Г. Р. Эйтинген (1949) указывает, что «…в полосе хвойных лесов береза улучшает почву, обогащая ее основаниями и образуя нейтральный или мягкий гумус своей листвой, содержащей большое количество кальция…». Наибольший интерес представляют работы ученых-лесоводов, исследовавших почвопреобразующее влияние сосны и березы. Н. Н. Степанов (1937), рекомендовал даже на бедных песках создание смешанных сосновоберезовых насаждений. А. И. Котов (1949), B.C. Мирошников (1955), Н. А. Зудин (1957). В. Н. Смирнов (1961) в своих работах так же отмечают, что примесь березы к сосне ведет к улучшению водно-физических свойств почвы, повышению содержания гумуса, общего азота, степени насыщенности основаниями, к уменьшению обменной кислотности, увеличению биологичеБереза, по признанию большинства исследователей, при создании смешанных культур, является практически единственной лиственной породой, способной мирится с бедностью и сухостью боровых почв. По данным К. А. Гаврилова (1950) и Л. С. Ковалева, Р. П. Евсеевой (1964) — примесь березы способствует увеличению в среднем на 2,6% количества гумуса по сравнению с чистыми сосновыми культурами, содержание подвижного фосфора в почве увеличивается в 2,2 раза, а подвижного калия на 4,9%. Они отмечают, что изменения в почве в результате поселения той или иной древесной породы приводят в конечном итоге к изменению ее лесорастительной способности. Это сказывается на характере насаждения, его бонитете, приросте и продуктивности. Как справедливо указывает ВС Мирошников (1955). различное отношение лесоводов к сосново-березовым насаждениям связано со сложностью взаимоотношении vni пород изменяющихся в разных условиях произрастания. По поводу целесообразности введения березы в смешанные насаждения, как почвоул у читающей породы, до сих пор не было существенных противоречий, как среди отечественных, так и зарубежных ученых. М. А. Карасева (1996) отмечает, что эффективность воздействия почвоулучщающих растений зависит от конкретных лесорастительных условий, схем смещения, густоты посадки, размеров посадочного материала и др. факторов.В. К. Попов (1997). который изучив опыт создания и последующего формирования сое ново-березовых культур, делает выводы, что они. по сравнению с чистыми сосновыми культурами, имеют следующие преимущества: 1. Опад березы ускоряет процесс минерализации подстилки, обогащает ее зольными элементами (Са. Mg. Р. К), снижает ее кислотность, способствует активизации биохимических процессов в верхних слоях почвы.2. Наиболее существенное влияние на улучшение плодородия почвы (при устранении охлестывания сосны березой), с ос ново-березовые культуры оказывают в условиях свежего бора (А-).3. Примесь березы способствует накоплению влаги, а почве, что повышает устойчивость сосны в период засучи, особенно в стадии жердняка. Это объясняется лучшими физическими свойствами почвы, большим количеством осадков, проникающих под полог смешанных культур и большей поглотительной способностью подстилки из березового опада. Анализ взаимоотношений леса с почвой — задача многоцелевая. Выявление закономерностей распространения, формирования и продуктивности насаждений основных лесооб разую щи х пород в зависимости от почвенногрунтовых условии является важным научным и практическим вопросом, решение которого позволит более рационально использовать лесные земли и определить пути повышения плодородия лесных почв. Рассматривая влияние почвы на лесообразование. Г. Ф. Морозов (1912) подчеркивал, что эдафические условия всегда и неизменно отражаются на составе, форме леса и определяют ход роста насаждений. Он отмечал, что чем выше плодородие почв, тем чаще произрастающие насаждения имеют смешанный состав и сложные формы. И наоборот, чем почвы беднее или. в одностороннем порядке, переувлажнены или иссушены и имеют недостаток каких-либо солей, тем upon ipac тающие насаждения становятся более чистыми по составу, простыми по форме и снижают производительность. Примером чему являются сосняки на бедных сухих песчаных почвах или болотах. Связь лесной растительности с условиями местопроизрастания отмечал также и В. В. Докучаев (1954).Исследованиями многих ученых лесоводов (Крюденер. 1916: Турский.1939; Морозов. 1949: Сукачев. 1953; Ткаченко. 1955; Патрикеев. 1977; Сабиров. 1990; Мигунова, 1979. 1992) установлено, что состав и продуктивность лесов находятся в прямой зависимости от экологических факторов, и в первую очередь, от того или иного сочетанияэлементов климата и плодородия почв Г. Ф. Морозов с учетом исследований немецких ученых-лесоводов и В. В. Докучаева, создал свое учение о типах насаждений. Типы насаждений понятие лесоводственно-географическое. связанное с определенной климатической областью, с типом рельефа и почвенно-фунтовыми условиями (Морозов. 1912), которые, по его мнению, зависят от почвенногеоморфологических условий. Более обобщенно составляющие лесорастительных условий — богатство почвы и влажность, изучены украинскими, белорусскими и литовскими учеными (Вайчис. Лабанаускае. 1972; Вайчис.1975; Дольский. Штейнбах и др. 1977).Зарубежные ученые так же не обошли вниманием взаимосвязь роста и развития лесонасаждения и экологии лесных земель (Grebe. 1886: Toymey. Korstian, 1937; Hartman, 1952; Spurr, Barnes. 1973: Troedsonn. 1964; Jebem.1969; Kuuseva, Salminen. 1969; Корр. Schwancke. 1972: Spurr. Barness. 1984).На территории бывшей Казанское губернии исследованиями почв, первыми занимались СИ. Коржинский (1885. 1897). Р. В. Ризположенский (1892.1895). А. Я. Гордягин (1892. 1893). В советское время на территории Марийской республики изучение лесных почв и оценку их лесорастительных свойств проводили Н. М. Глухов (1934). В. Н. Смирнов (1955. 1967, 1968.1973), Е. И. Иванова (1968). Е. И. Патрикеев (1977). А. Т. Сабиров (1990). А. Х Газизуллин (1993).Анализ имеющихся литературных источников показывает наличие тесной связи между ростом деревьев и рядом показателей свойств почвы, на которой они произрастают. Отмечается зависимость породного состава и продуктивности насаждений от гранулометрического состава почв (Морозов.1930. 1949. Зайцев 1931. 1949. Зонн. 1954. Ткаченко. 1955, Миронов. 1977 и др.). от глубины залегания фунтовых вод и их проточности (Преснухин и др. 1986). от строения почвенного профиля и содержания элементов питания (Ремезов. 1955. 1959; Зонн. 1954; Зеланд. Иванов. 1986). типа и запасов гумуса (Чертов. 1967. 1981), от содержания физической глины в подстилающих породах, емкости катионного обмена, гигроскопической влаги и ила (Шарафутдинов, 1999). Для оценки плодородия лесных почв некоторыми исследователями предлагается использовать сумму обменных оснований, запас подстилки, содержание илистых частиц (Фирсова, 1969). обеспеченность соединениями фосфора и калия (Мигунова, 1979, 1992). А. А. Сирык и др. (1988) отмечает, что на рост сосны даже на очень низких по плодородию песках и слаборазвитых песчаных почвах решающее влияние оказывает влага. И хотя рост ее в данных условиях сильно заторможен, тем не менее, она выполняет [ючвокшшшую природоохранную и ередочорачумщую функции Зависимость продуктивности древостоев от ряда показателей свойств почв приведены в работах В. Д. Зеликова (1974). М. В. Вайчиса (1976). К. Б. Лосицкого, B.C. Чуенкова (1980), Л. О. Карпачевского (1981) — Ю. В. Преснухина и др. (1986). В. В. Габуковой и др. (1987) приведены результаты исследования обмена органов и тканей сосны, занимающей господствующее и угнетенное положение в пологе чистого и смешанного сое ново-березового насаждения. Показано, что азот на минеральных почвах не лимитирует ростовые процессы. Что подтверждается исследованиями К. К. Калинина (1995) по внесению азотных удобрений в культуры сосны созданные на гарях 1972 г. в республике Марий Эл в брусничном и лишайннково-мшистом типах леса. В целом выявлено сравнительно невысокая лесоводстве иная эффективность внесения минеральных удобрений. Корреляционная связь между продуктивностью древостоев и запасами ила, физической глины, азота, гумуса, подвижного фосфора н калия отмечены М. В. Вайчисом и А. Ю. Рутнаускасом (1971). Модели продуктивности древостоев сосны и ели в зависимости от гранулометрического состава почв, кислотности, гумуса, содержания фосфора и калия рассчитали А. А. Родин и М. Д. Мерзленко (1974). Однако эти связи и закономерности носят обычно региональный характер, а разработанные модели имеют ограниченное использование. Это связано с изменчивостью свойств почв и особенностью взаимоотношений в системе «почва-растение». Установлено, что одним из ведущих почвенных показателей, оказывающих влияние на продуктивность древостоев, является гранулометрический и минералогический состав. В. В. Миронов (1977) отмечает для условий Подмосковья, что наилучшие насаждения сосны I" класса бонитета произрастают на связных эоловых песках, супесях и легких суглинках мощностью не более I м. подстилаемых флювиогляциальными песками. В условиях Среднего Поволжья, в частности Марийского Заволжья, работами А. Х. Газизуллина, В. Н. Смирнова (1980) и А. Х. Газизуллина, Б. Д. Хасаншина (1980), А. З. Нагимова и др. (1998). РН. Шарафутдинова (1999), установлено, что влияние на лесорастительные свойства почв оказывают: мощность и строение почвенного профиля, гранулометрический и минералогический состав, характер и мощность лесной подстилки и форма органического вещества, мощность и степень выраженности гумусового и подзолистого горизонтов, содержание обменных оснований, обеспеченность основными элементами почвенного питании, положение относительно рельефа местности, условия увлажнения, наличие оглеения и т. д.В последнее время важной частью почвенных исследований является выявление зависимости продуктивности насаждений от параметров почвенного плодородия с построением математических моделей (Бондаренко. Железный. 1986; Савущик. 1991; Туев. 2002; Нуреев. 2002; Тымбаев и др. 2006 и др.). В условиях Марийского Заволжья Р. Н. Шарафутдиновым (1999) построены модели высоты деревьев сосны и березы для естественных древостоев. произрастающих на песках и супесях на многочленных породах, в зависимости от ряда свойств почв: содержания физической глины, глубины смены отложений, емкости катионного обмена и гигроскопической влаги. Для лесных культур, произрастающих на однородных песках, моделей пока не разработано. Следует также отметить, что в оценке продуктивности насаждений в зависимости от почвенных условий большинство исследователей отражали связь лишь на качественном, а не на количественном уровне в виде определенных математических уравнений и моделей, что затрудняет анализ полученных результатов и их использование на практике. Анализ литературных источников показывает, что продуктивность древостоев и взаимоотношения, складывающиеся между древесными породами в составе смешанных насаждений имеют чрезвычайно сложный характер, которые по-разному проявляются в зависимости от условий местопроизрастания, структуры насаждения, возраста, содержания элементов питания в почве и других факторов, каждый из которых играет свою роль. Изучение и математическое описание данных факторов с подбором конкретных математических моделей позволит более комплексно подойти к решению проблемы повышения продуктивности и устойчивости насаждений к неблагоприятным факторам среды, а также создать на этой основе конкретные практические рекомендации. Проблема повышения продуктивности и устойчивости лесов невозможна без познания закономерностей роста древесных растений в чистых и смешанных насаждениях и описания их в виде математических моделей. Рост — это сложный самоуправляемый процесс реализации потенциальных возможностей организма, т. е. развертывания во времени уже существующих задатков (Эйтинген. 1962). заложенных в генотипе, характеризующийся как увеличением его размеров, так и степенью организованности всех внутренних структур. Биологический смысл роста заключается в достижении организмом определенных размеров, обеспечивающих ему. согласно закону оптимальности (Реймерс. 1994). максимально эффективную реализацию всех необходимых жизненных функций в эволюционпо сложившемся биотическом окружении и экологической обстановке. Проблема познания закономерностей роста организмов, являясь очень многогранной и представляющей особую актуальность для целого ряда областей теоретической и практической биологии, давно привлекает внимание исследователей. Она охватывает широкий круг вопросов, связанных с математическим моделированием хода роста организмов в онтогенезе, классификацией описывающих его форм кривых, филогенетическими аспектами их становления, познанием энергетики и механизмов процесса (ГофманКадошников. 1975). В разработке проблемы в различное время принимали активное участие такие крупные учен ые-естество испытатели как Ч. Майнот (Minot. 1907). Л. фон Берталанфи (Bertalanffy. 1934. 1938. 1957. 1960). П. Медевар (Medawar. 1940). Броди (Brody. 1945) и П. П. Лазарев (1945). заложившие фундамент общей теории роста организмов. Ни одно биологическое явление, по-видимому, не подвергалось в такой мере математическому моделированию, как процесс роста растений и животпых. Результаты экспериментальных исследований и оригинальных подходов к решению этого вопроса отражены в многочисленных публикациях (Хильми.1955. 1957; Воропанов, 1956. 1961: Дворецкий. 1964; Фильрозе. 1967: Антанаитие. Загреев, 1969; Антанаитие. 1971: Фильрозе. Шмелькова, 1971; Зейде, 1975; Инсаров, 1975: Коноплев, Зотин. 1975: Верхунов, 1979: Полетаев, 1979: Рачко.1979;ЯнкоР.В.ЯнкоВ.М. 1979; Севастьянов. 1980; Галицкий, 1981: Юдицкий.1982; Бредихин. 1985: Антанаитие идр. 1986; Алексеев, 1988: Березовская идр.1991; Богачев. 1990. 1991: Корзухин. Семевскии. 1992: Зотин. Зотина, 1993: Карев. 1994: Казимиров, 1995; Черных. 1995: Верхунов и др. 1996; Черных. Грачев. 1996; Карев. Скоморовский. 1998: Шолохов. 2000; Демаков. 2000: Гурьянов, 2002; Верхунов. Шукенбаева. Курненкова. 2002: Zeide. 2002). Несмотря на длительную историю проблемы и большое число проведенных исследований, до настоящею времени нет однозначного ответа на вопрос о том. как правильно математически описать ход роста различных организмов и древесных растений, в частности (Демаков, 2000).Наиболее обоснованной математической моделью возрастного тренда хода роста самых разнообразных видов организмов является уравнение Пюттера-Берталанфи (Винберг. 1975; Карманова, 1976: Демаков. 2000), которое чаще всего пишут в следующей форме: Y (i)=K{I-exp[-a {Но)])1″, считая, что Y = 0 в момент времени (- tg (поправка /" может иметь как положительное, так и отрицательное значение). Его частным случаем при I" = 0 является функция Митчерлиха. широко применяемая для описания роста древесных растений в качестве эмпирического закона (Дракин. Вуевский. 1940; Кузьмичев. 1977; Кофман. Кузьмичев. Хлебопрос. 1979; Кивнете. 1988; Черных.1995. Демаков. 2000). Все ее параметры имеют конкретный биофизический смысл, трактуемый как самим Митчерлихом. так и различными исследователями (Дракин. Вуевский. 1940; Заика. Макарова, 1971; Карманова. 1976: Кофман. Кузьмичев. Хлебопрос. 1979).Математические модели позволяют не только описывать течение природных процессов, но и глубже их анализировать. Слово «модель» произошло от латинского слова «modus, modulus», что означает: мера, образ, способ. Под моделью в широком смысле понимают мысленно или практически созданную структуру, воспроизводящую ту или иную часть действительности в упрощенной (схематпшроианпой или идеализированной) в наглядной форме. Для познания процесса роста древостоев. представляющего собой одно из важнейших явлений динамики лесных экосистем, в полной мере приложимы законы кинематики, рассматривающей общие свойства и качества движений материальных объектов с геометрической точки зрения (Демаков.2000. 2001. 2002). Полное представление о течении процесса во времени, согласно положений этой науки, может быть получено лишь в результате анализа динамики Грех параметров движения объекта: пути, скорости и ускорения. Основным интегралом движения является путь, пройденный объектом за определенный отрезок времени. Скорость является первой производной функции пути, а ускорение — второй производной. 11рименительно к процессу роста древостоев динамика пути представляет собой процесс увеличения размеров деревьев: первая производная этой функции — динамика текущего годичного прироста, а вторая производная — скорость изменения величины текущего годичного прироста. В лесной таксации принято различать ход роста деревьев по высоте и по толщине (диаметру). Для описания изменения роста деревьев по высоте лучше всего подходят функции Митчерлиха и Веибулла. которые обеспечивают примерно одинаковую и довольно высокую точность аппроксимации исходных данных по ходу роста древостоев в высоту (Кузьмичев. 1977; Кивисте.1988). Однако данные функции применимы лишь при возрасте деревьев менее 160 лет. с увеличением возраста погрешность аппроксимации данных значительно увеличивается (Демаков. 2000).Таким образом, математические модели, основанные на статистическом анализе данных, адекватно отражают закономерности возрастной динамики размеров деревьев и обладают высокой точностью, зависящей от степени сложности их конструкции (Демаков, 2000). Однако, для построения моделей необходим обширный эмпирический материал, который возможно получить как на основе натурной оценки насаждений, так и по данным их таксационных описаний. По трудозатратам более предпочтителен второй из этих вариантов, который хотя и уступает по точности натурной оценке, но. благодаря массовости и репрезентативности материала, позволяет получить достоверные результаты (Пешко. Закалюжныи. Щудря. 1989. Ермаков. Машковскии.1990. Черных. Мальков. 1997).Проведенный анализ литературы позволил выделить наименее изученные вопросы в выбранной мною теме, разработать программу исследований, которые направлены на выявление факторов, определяющих структуру, рост и продуктивность лесов на песчаных почвах Марийского Заволжья, и описание полученных закономерностей в форме конкретных математических уравнений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В сложении древостое" естественного происхождения в борах Марийского Заволжья принимают участие 5−6 древесных пород В условиях сухого н заболоченного боров преобладают однопородныс древостой (60,9,.-78,1%). представленные в основном числами сосняками, а в остальных ТЛУ — двухпородные сосиово-бсрезовые насаждения (49^-64,1%).

2, Распределение насаждений по доле участия в них главной породы (сосны) имеет во всех ТЛУ, кроме Aj, j-обршный (восходящий) вид. описываемый степенной функцией Y = а X Для еопучствующей породы (березы) п этих же МООрвСТИтелышх условиях характерна обратная асимптотическая зависимость У К ¦ «^^(Jf-c)^) -t от, Во влажных борах (АО функция распределения доли участия пород имеет сложный (полнмодшгьный) характер и описывается полиномом третьей стеле ни.

3 Для математического описания хода роста насаждений по высоте и продуктивности наиболее адекватной является модифицированная функция Мнтчсрлнха: >' - К{!-expf-b-(А/100)/Г, а по диаметру — степенная функция Y — а-((А-с)/100}'.

4. Существенное влияние на продуктивность сос ново-березовых насаждений по типам лесорастнтельных условий оказывает доля участия березы в составе в свежем бору (Aj) практически в течение всей жизни древостоя (до 70.80 лет) чистые сосняки имеют более высокую продуктивность по сравнению со смешанными, а затем максимальный запас отмечается при доле березы в количестве 12 единит во влажном (АО н сыром (А*) бору до 40.60 лег наиболее продуктивными являются древостой со значительной, затей участия березы (5. 9 единиц), в дальнейшем — е долей участил березы I. 2 единицы.

5. В дрсвостоях искусственного происхождения — смешанных культурах сохранность деревьев сосны в ТЛУ А| и А|.- независимо от схемы смешения значительно «иве. чем у березы.

Введение

кустарников (бузины красная, лоха узколистного, ИШ остролистной). а также клена кенслистзюпо, вводимых в качестве примеси в состав лесных культур, кроме ивы розмарин ОД нстноА нецелесообразно, так как они выпадают в первые 310 лет.

6. Рост деревьев сосны в искусственных насаждениях в условиях As и А|." характеризуется большей шггснсивноетыо роста, чем у деревьев березы, которая начинает уступать им уже н раннем возрастев условиях сухого боря начиная с «I лет. а в ТЛУ Ац * с 12 лет.

7. Жизнеспособность и жизнестойкость (конкурентоспособность) деревьев сосны, а смешанных культурах в ТЛУ А| и Ai. j значительно выше, чем у деревьев березы, которые по своему состоянию являются фн зиолог ti’iLvKH ослабленными.

8. Высота и днаметр сосны и смешанных культурах" вне зависимости от ширины кулис, уменьшается от краев к центру" что связано с увеличением ПНутримдоаоА конкуренции.

9. Деревья берем, по сравнению с сосноЛ, более отзывчивы на содержание в почве элементов питания.

10. На высоту деревьев березы наибольшее влияние ОКМШМОТ три злемента почвенного питания: кальций, калий и фосфор, & горизонте А1А2 наибольшее влияние оказывают ноны кальция и обменный калий, а в горизонте Л 2 В — обменный калий и подвижный фосфор. На высоту деревьев сосны оказывает влияние содержание обменного калия и физической глины в горизонте Л1Л2 Данные зависимости описаны сложными мультипликативными функциями, позволяющими провести расчеты потребности древесных растений в основных элементах почвенного питания.

11. Береза своим опалом улучшает физихо-хз1мическис свойства почвы, что способствует удержанию и накоплению влаги в почве Это влияние зависит от состояния деревьев березы и участия ее в составе смешанного древостоя.

РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Для увеличения продугпоиоста смешанны* сосново-березовых насаждений в условиях свежею бора (А?) рекомендуется вис зависимости от возраста поддерживать долю участия деревьев березы в 2.3 единицы, в условна* влажного бора (Aj) я молодняках и средневозрастных ИШКНКп • 3., .4 единицы, а в приспевающих и спелых — 2., 3 единицы березы. В ТЛУ оптимальным, а молодняках является присутствие березы в количестве 3-.4 единиц, а, а среЛ1квозрастных. приспевающих и спетых насаждения -2.3 единицы,.

2. Прн создании лесных культур в сухих и свежих борах для снижения горнмости насаждений «увеличения уровня биологическою разнообразия н них целесообразно использовать следующие схемы смешения: I ряд СОСНЫ обыкновенной чередовать с 1 рядом ивы розмаринолисгной, 2 ряда сосны обыкновенной с одним рядом березы или 3.5 рядов сосны обыкновенной с 1.2 рядами березы пониСДОА.

3. Для успешного произрастания деревьев березы в смешанных лесных культурах и и противопожарных заслонах на бедных дерново-слабонодэолистых песчаных почвах Марийского Заволжья и н сходных с ними условиях необходимо следующее содержание элементов питания на 100 г почвы: в гумусовом горизо! гге (Al А2) ионов кальция — ис менее 2,1 мг-экв, обменного калня — i№ менее 5.2 мг. и ropintHrre А2 В обменного колт1Я не менее .1,5 мг. в подннжтюго фосфора не менее 4.7 мг,.

4. При недостатке данных элементов целесообразно адресно вносить под ряды березы калийные минеральные удобрения в количестве 160 кг/га л в, фосфорн ые — 60 ктУга д."., известь — 5.7 т/га.