ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА ТАКСАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИБАЛОЧНЫХ СТАРОВОЗРАСТНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЛОС «КАМЕННОЙ СТЕПИ»

ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА ТАКСАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРИБАЛОЧНЫХ СТАРОВОЗРАСТНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЛОС «КАМЕННОЙ СТЕПИ»

Научная статья

Вахтин А.И.¹, Рыбалкина Н.В.^2, *

^{1, 2} Каменно-Степное опытное лесничество, Поселок 2-го участка Института им. Докучаева, Россия

* Корреспондирующий автор (ksolnauka[at]mail.ru)

Аннотация

Засуха характеризуется длительным и значительным недостатком осадков, чаще при повышенной температуре и пониженной влажности воздуха, в результате чего иссякают запасы влаги в почве. Обилие солнечного тепла и сухость воздуха создают повышенную испаряемость (атмосферная засуха), и запасы почвенной влаги без пополнения их дождями истощаются (почвенная засуха). При засухе поступление воды в растения через корневые системы затрудняется, расход влаги на транспирацию начинает превосходить ее приток из почвы, водонасыщенность тканей падает, нормальные условия фотосинтеза и углеродного питания нарушаются. Наиболее губительны весенне-летние и летне-осенние засухи.

В данной работе проводилось исследование по влиянию засухи на рост и дальнейшее развитие старовозрастных прибалочных лесных полос. Было установлено, что недостаток влаги в почве в связи с аномально высокими среднемесячными летними температурами и малым количеством выпавших осадков приводит к смене пород в составе насаждения, увеличению количества сухостойных деревьев, в нашем случае их количество в составе насаждения после засухи 2010 года составило 32.6% против 2.1% по данным таксации 2009 года.

Ключевые слова: засуха, прибалочные лесные полосы, состав, таксационные показатели, полнота, средний периодический прирост.

INFLUENCE OF DROUGHT ON TAXATION INDICATORS OLD-AGED RAVINE FOREST BELTS OF “STONE STEP”

Research article

Vakhtin A.I.¹ Rybalkina N.V.^2, *

^{1, 2} Stone-steppe experimental forestry, Village of the 2-nd section of the Institute Dokuchaev, Russia

* Corresponding author (ksolnauka[at]mail.ru)

Abstract

Drought is characterized by a long and significant lack of precipitation, often with increased temperature and low humidity, resulting in drying out of soil moisture. The abundance of solar heat and dry air create increased evaporation (atmospheric drought), soil moisture reserves are depleted without replenishment by rain (soil drought). Water entering plants through root systems is hampered during drought, moisture consumption for transpiration begins to exceed its inflow from the soil, water saturation in tissue decreases, and normal conditions of photosynthesis and carbon nutrition are violated. The most destructive are spring-summer and summer-autumn droughts.

This work presents the study on the effect of drought on the growth and further development of old-age ravine forest belts. It was found that the lack of moisture in the soil due to abnormally high average monthly summer temperatures and a small amount of precipitation leads to a change of species in the composition of the plantation, an increase in the number of dead trees, in our case, their number in the plantation after the drought of 2010 was 32.6% against 2.1% according to 2009 taxation data.

Keywords: drought, forest lanes, composition, taxation indicators, completeness, average periodic growth. 

Введение

Каменная степь… Трудно найти в нашей стране человека, который бы не слышал этого названия. Многие приезжают сюда за тысячи километров, чтобы только увидеть её. Частые гости Каменной степи – зарубежные делегации. Происхождение названия Каменной степи связывают с каменными валунами, которые были разбросаны на поверхности целинной степи. С таким толкованием нельзя согласиться. Завалуненность почвы Каменной степи всегда была незначительной. Скорее всего, она получила свое название «Каменной» за сухость, безводие, за потрескавшиеся в летнюю жару глинистые почвы, наконец, за свое бесплодие во время частых здесь засух.  Для познания природы Каменной степи большое значение имеет её положение на границе двух физико-географических провинций. Именно здесь, по территории Каменной степи, проходит важный зонально-провинциальный рубеж, разделяющий Битюго-Хопёрский район лесостепной провинции Окско-Донской низменности и Калачский овражно-балочный район лесостепной провинции Среднерусской возвышенности. Небольшая территория Каменной степи лежит на границе двух географических подзон – типичной и южной лесостепи [1].

Каменная Степь широко известна в нашей стране и за рубежом как уникальный объект по реставрации природы степей путем создания мелиоративных систем в целях уменьшения пагубных последствий засух и обеспечения надежных условий для получения высоких устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур. Изменение микроклиматических условий лесными насаждениями гарантирует успешное развитие всего сельскохозяйственного производства. Насаждения Каменностепного оазиса в настоящее время являются наиболее сохранившимися посадками экспедиции профессора В.В. Докучаева из всех других посадок экспедиции. На базе этих насаждений в Каменной Степи в течение 125 лет проводится уникальный эксперимент по борьбе с засухой и сохранению плодородия чернозёмных почв. Отправной точкой в этих исследованиях являются защитные лесные полосы, созданные экспедицией профессора В.В. Докучаева и последующими учеными, как мощный и долговременный фактор лесомелиорации сельскохозяйственных угодий в сухой степи [2].

К числу наиболее динамических ландшафтных комплексов лесостепной зоны ЦЧО относится склоновый тип местности. Он охватывает коренные склоны речных долин, балки, нередко приближающиеся по своим морфологическим признакам к небольшим долинам, а также придолинные и прибалочные склоны крутизной более 3⁰. Подвижность в развитии отдельных природных компонентов этого типа местности и таких его ландшафтных структурных единиц, как урочища, объясняется, прежде всего, большой разницей относительных высот, достигающей нескольких десятков метров. Этот фактор способствует интенсивным проявлениям эрозионных процессов. Для борьбы с этими эрозионными процессами в Каменной Степи была создана система прибалочных и приовражных защитных лесных полос, при этом склоновый тип местности отличается от всех типологических комплексов Каменной Степи самым высоким процентом облесенности. При этом нужно отметить, что все существующие лесные массивы – это искусственные противоэрозионные лесопосадки. Их защитная эффективность значительно выше естественных лесов, так как они размещены более равномерно и рационально по эрозионно-опасной площади [3].

Актуальность исследований - при современном изменении климата на всей планете и участившимися засухами особый научный интерес представляет собой изучение влияния засухи на состояние и изменение таксационных характеристик и показателей в прибалочных и приовражных защитных лесных полосах, которые являются наиболее эффективной частью комплексов противоэрозионной защиты почвы. Выявляя эти изменения в состоянии насаждений, можно вовремя вмешаться в их ход роста и развития, не допустив их полного распада и деградации, при помощи рубок ухода и других лесовосстановительных мероприятий.

Новизна исследований в определении степени устойчивости к засухе искусственно созданных прибалочных и стокорегулирующих насаждений 103 летнего возраста из ясеня обыкновенного и дуба черешчатого с участием в составе древостоя липы, клена остролистного и вяза. Такие исследования в ЦЧЗ проводятся впервые.

Целью данной работы являлось изучение влияния жесткой засухи 2010 года на состояние и таксационные показатели старовозрастных прибалочных и стокорегулирующих лесных полос с преобладанием ясеня обыкновенного и дуба черешчатого.

Теоретическая значимость работы заключается в получении новых таксационных данных для оценки и анализа состояния в старовозрастных прибалочных и стокорегулирующих лесных полос на склоновых землях.

Материал и методы исследований

Для проведений исследований нами была выбрана прибалочная лесная полоса №72, созданная в 1907 году площадью 3.26 га.

При решении поставленных задач, использовались методы натуральных исследований, которые базируются на принципах системного, всестороннего и комплексного изучения влияния лимитирующих факторов на рост и развитие древесных пород в агролесоландшафте Каменная Степь. Применялась информация из архивных данных и литературных источников по проводимым ранее исследованиям в защитных лесонасаждениях, начало которым было положено с момента создания первого защитного лесонасаждения осенью 1893 года и продолжающихся до настоящего времени.

При проведении исследований использовались типовые и усовершенствованные методики, применяемые в лесной таксации, агролесомелиорации и экологии. В первую очередь применялась методика лесоучетных работ, установленная ранее при закладке опытов и инвентаризации защитных лесонасаждений по данным архивных документов и опубликованных работ отдела агролесомелиорации НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева и опубликованных работах ФГБНУ «Каменно-Степное опытное лесничество»[8]. Использовались архивные данные метеостанции «Каменная Степь» по погоде с 1992 по 2018 года, для прослеживания динамики изменения температуры и количества выпавших осадков за этот период. Для определения среднего периодического прироста использовалась формула:

Z_m= (Ma^общ - M_a-n^общ) / n (1),

где Z_m– средний периодический прирост, Ma^общ- запас в текущем году, M_a-n^общ – запас насажденияn лет назад, n- количество лет между таксацией насаждения.

По материалам полевых наблюдений во время камеральной обработки рассчитывались следующие показатели: состав насаждения по ярусам (состав рассчитывался как процентное отношение запаса каждой породы к общему запасу насаждения, 10% -составляет 1 единицу доли участия породы в составе насаждения, 5% - 10% «+» в составе насаждения, меньше 5% встречается единично «ед.»), для каждого яруса отдельно определяются: число деревьев, полнота (абсолютная в м²/га и относительная в долях единицы, согласно «стандартной таблицы запасов и сумм площадей сечений древостоев»), запас стволовой древесины (по общим массовым таблицам объёмов стволов разных пород в коре по разрядам высот при среднем коэффициенте формы по А.В. Тюрину, Ф.П. Моисеенко) [9], средние показатели яруса (высота и диаметр среднего дерева), бонитет (определяется по возрасту и высоте деревьев I яруса) и средний прирост по запасу древесины. Данные показатели вычислялись для деревьев I и II ярусов, которые потом объединялись и являлись таксационной характеристикой древостоя.

Обсуждение результатов исследований

Для борьбы с засухой в России и за рубежом применяют комплексы мелиоративных мероприятий, большое значение из которых имеет полезащитное лесоразведение, сохранение и расширение водоохранных, прибалочных и стокорегулирующих лесных полос, направленных на усиление водопоглощающих и водоудерживающих свойств почвы и задержание снега на полях. В системе мероприятий по борьбе с засухой и преобразованию природы засушливых степей Особой экспедицией под руководством профессора В.В. Докучаева уделялось большое внимание созданию противоэрозионных и водоохранных лесных насаждений. Эти насаждения закладывались по берегам балок и суходолов, около оврагов, по потяжинам на пологих склонах, на крутых склонах, вокруг водоемов, орошаемых участков и лиманов. В отличие от полезащитных лесных полос прибалочные насаждения не имели прямоугольной формы, а тянулись слабоизвилистой лентой разной ширины вдоль балки, спускаясь иногда до самого водотока или поднимаясь по водоподводящей ложбине в полевые угодья.

Для выявления влияния атмосферной засухи на рост и развитие старовозрастных прибалочных полос нами были проведены исследования в этой области. Проведя детальную таксацию лесной полосы и используя архивные данные по таксации за прошлые года была составлена таблица №1.

Анализируя таблицу 1 и графики среднемесячных температур воздуха Каменной Степи (рисунок 1) и месячных сумм выпавших осадков в Каменной Степи (рисунок 2) за период с 2002 года по 2017 год мы можем видеть, что минимальное количество осадков отмечено в 2009 г – 405.9 мм, что на 32.5 мм ниже среднемноголетних показателей. Наиболее увлажненными с максимальным количеством осадков 482 мм характеризовался 2011 г. Экстремальный и в своем роде уникальный по климатическим параметрам 2010 год по количеству атмосферных осадков был близок к среднемноголетним показателям – 454.1 мм, но характер их распределения был совсем иной.

 

Таблица 1 – Таксационные показатели прибалочной лесной полосы №72 в различные годы таксации

Примечание: ^*Яо – ясень обыкновенный; Д – дуб; Ко – клен остролистный; В – вяз; Лп – липа  

Если в зимние месяцы и начало весны (январь – март) выпало 123 мм осадков при среднемноголетней величине 54.7 мм, то уже в апреле месяце всего 10 мм при норме 29.2 мм, в мае 30 мм (норма 44.7 мм). Наиболее экстремальные по увлажнению условия с большим дефицитом влаги сложились в летние месяцы. Количество выпавших атмосферных осадков в июне составило ничтожно малую величину - всего 3 мм, в июле 20 мм и в августе 26 мм при среднемноголетних показателях соответственно 58.0, 62.4 и 54.4 мм. Таким образом, отличительной особенностью летнего периода 2010 г был существенный недобор атмосферных осадков, при среднемесячной средней температуре в июне 23.4⁰, июле 26.8⁰, августе 26.1⁰ при средних многолетних показателях 18.8⁰, 20.7⁰, 19.6⁰, что превысило средние показатели на 4.6⁰, 6.1⁰, 6.5⁰ соответственно.

 

Рис. 1 – Средние месячные температуры воздуха Каменной Степи

Рис. 2 – Месячные суммы выпавших осадков в Каменной Степи

 

При анализе таблицы 1 мы можем видеть, что запас насаждения после таксации 2009 года увеличился на 47 м³ на 1 гектар, но при этом учитывался, запас сухостойных деревьев, еще не выпавших из состава древостоя, который составил 113.09 м³на 1 гектар или 33.7%. При расчете среднего периодического прироста за период с 2009 по 2017 года мы не учитывали сухостой (считали по живой биомассе), поэтому средний прирост за этот период получился -8.26 м³ на гектар, что является одним из признаков распада и деградации насаждения. Уменьшается доля участия ясеня обыкновенного в составе насаждения, если не учитывать кубомассу сухого ясеня, который и составляет основу всего сушняка и должен выпасть в отпад в ближайшие 2-3 года, доля его участия снизится до 50% и сравняется с дубом, состав первого яруса будет выглядеть так 5Яо5Д, но при этом снизится полнота насаждения с 0.8 до 0.5(0.4), что непременно приведет к смене породного состава насаждения его деградации и распаду, так как во втором и третьем ярусе насаждения отсутствует благонадежный подрост главных пород, а преобладает подрост вяза и клена остролистного. За счет того, что дуб по запасу догнал ясень, так как уменьшилась конкурентная борьба, увеличился средний диаметр и средняя высота насаждения до 44.3 см и 26 м в первом ярусе и 19.7 см и 18.5 м во втором ярусе соответственно. Корреляционный анализ (коэффициент корреляции -0,98465) показал, что при уменьшении количества выпадаемых осадков, увеличивается процент сухостоя и уменьшается ежегодный прирост насаждения. То есть существует прямая зависимость влияния засухи на таксационные характеристики древостоя.

Наличие большого количества сухого ясеня обусловлено строением его корневой системы, при мощной мочковатой системе в условиях с экстремально малым количеством осадков и высокой средней температурой она не может обеспечивать необходимое количество влаги для роста и развития дерева. Дуб же в этих условиях при его мощной стержневой корневой системе, достигающей 10 метров в глубину, может обеспечивать себя достаточным количеством влаги для своего роста и развития. Поэтому дуб даже в таких неблагоприятных условиях имеет большую сохранность и почти не пострадал от засухи 2010 года.

Выводы

По результатам исследований можно сделать следующие выводы: засуха оказывает сильное негативное влияние на рост и развитие защитных лесных полос, особенно имеющих в своем составе породы с поверхностной корневой системой, такие как ясень обыкновенный, поэтому эту породу, как спутника дуба необходимо сохранять в насаждениях не более 100 лет.

Практическая значимость исследований состоит в том, что с помощью полученных данных можно объективно оценить влияние засухи на состояние дуба черешчатого и ясеня обыкновенного в прибалочных и стокорегулирующих лесных полосах и изменения таксационных характеристик насаждений. Зная это, в последующем можно будет спрогнозировать, как будут развиваться лесные полосы после очередной засухи и какие процессы будут в них происходить. Такие знания дают возможность вовремя спланировать лесовосстановительные мероприятия и не допустить распада насаждений. Данные исследования проводились впервые в ЦЧР. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Мильков Ф.Н. Каменная Степь / Мильков Ф.Н., Нестеров А.И., Петров Н.Г., Гончаров М.В., 1971 (Воронеж)
2. Вавин В.С. Создание долговечных защитных лесных насаждений в условиях юго-востока ЦЧП / Вавин В.С., Рымарь В.Т., Ахтямов А.Г., Свиридов Л.Т. , 2007, Воронеж
3. Павловский Е.С. Выращивание защитных насаждений в Каменной Степи / Павловский Е.С. 1965, Москва
4. Bréda N. Effects of thinning on soil and tree water relations, transpiration and growth in an oak forest (Quercus petraea (Matt.) Liebl.) / Bréda N., Granier A., Aussenac G. 1995, Tree Physiol № 15 (5) 295-306. doi: 10.1093/treephys/15.5.295.
5. Lagergrena F. Thinning effects on pine-spruce forest transpiration in central Sweden Forest Ecology and Management / Lagergrena F., Lankreijera H., Kučerab J., et al, 2008, 255 – I. 7 – P. 2312–2323.doi:10.1016/j.foreco.2007.12.047.
6. Вахтин А.И. Исследование современного состояния старовозрастных прибалочных лесных полос Каменной Степи / Вахтин А.И., Вавин В.С. 2018 // Международный научно-исследовательский журнал № 10(76) 52-55.
7. Mosandl R. Rationelle Pflegeynger Eichenbestande / Mosandl R. 2000, Wald № 11 581-584.
8. Павловский Е.С. Развитие защитных лесных экосистем и методы их изучения / Павловский Е.С., Вавин В.С., Ахтямов А.Г., Тунякин В.Д. 2014, Воронеж: Кварта
9. Моисеенко Ф.П. Ход роста и товарность семенных дубовых насаждений / Моисеенко Ф.П. 1964 // Лесное хозяйство №4 34-38
10. Navas R. Ecological restoration indicators in agroforestry systems in the atlantic forest. Ciência e. Natura, Santa Maria, vol 38 n.2. / Navas R., Silva, R.J., 2016. https://doi.org/10. 5902/2179-460X19666
11. Reij C. Scaling up farmer-managed natural regeneration in Africa to restore degraded landscapes / Reij C., Garrity, D., 2016, Biotropica 48 (6) 834–843. https://doi.org/10.1111/ btp.12390
12. Torralba M. Do European agroforestry systems enhance biodiversity and ecosystem services? / Torralba M., Fagerholm, N., Burgess, P.J. et al // A meta-analysis. Agric. Ecosyst. Environ 230, 2016, 150–161. https://doi.org/10.1016/j.agee.2016.06.002.
13. Павловский Е.С. Развитие защитного лесоразведения в Каменной Степи в советское время / Павловский Е.С. 1967, Лесные полосы Каменной Степи (Воронеж) 183-253
14. Калиниченко, Н. П. Противоэрозионная лесомелиорация / Калиниченко, Н. П., Зыков И.П. // Агропромиздат, 1986

Список литературы на английском языке / References in English

1. Milkov F N. Kamennaya Step' [The Stone Steppe] / Milkov F N, Nesterov A I, Petrov N G, Goncharov M V., 1971, Voronezh [in Russian]
2. Vavin V S. ozdanie dolgovechnyh zashchitnyh lesnyh nasazhdenij v usloviyah yugo-vostoka CCHP [Creating long-lasting protective plantings of the South-Eastern Central Сhernozem region] / Vavin V S, Rymar V T, Akhtyamov A G, Sviridov L T., 2007, (Voronezh) [in Russian]
3. Pavlovsky E S. Vyrashchivanie zashchitnyh nasazhdenij v Kamennoj Stepi [Growing protective plantations in the Stone Steppe] / Pavlovsky E S. 1965, Moscow [in Russian]
4. Bréda N. Effects of thinning on soil and tree water relations, transpiration and growth in an oak forest (Quercus petraea (Matt.) Liebl.) / Bréda N., Granier A., Aussenac G. 1995, Tree Physiol № 15 (5) 295-306. doi: 10.1093/treephys/15.5.295.
5. Lagergrena F. Thinning effects on pine-spruce forest transpiration in central Sweden Forest Ecology and Management / Lagergrena F., Lankreijera H., Kučerab J., et al, 2008, 255 – I. 7 – P. 2312–2323.doi:10.1016/j.foreco.2007.12.047.
6. Vahtin A I. Issledovanie sovremennogo sostoyaniya starovozrastnyh pribalochnyh lesnyh polos Kamennoj Stepi [A study of the current state of old-aged ravine forest belts of the Stone Steppe International scientific and research journal] / Vahtin A.I., Vavin V.S., 2018, № 10 (76) 52-55. [in Russian]
7. Mosandl R. Rationelle Pflegeynger Eichenbestande [Rationelle Pflegeynger Eichenbestande] / Mosandl R. 2000, Wald № 11 581-584.
8. Pavlovsky E S. Razvitie zashchitnyh lesnyh ekosistem i metody ih izucheniya [Development of protective forest ecosystems and methods for their study] / Pavlovsky E S, Vavin V S, Akhtyamov A G, Tunyakin V D 2014, Voronezh: Quarta [in Russian]
9. Moiseenko F P. Hod rosta i tovarnost' semennyh dubovyh nasazhdenij [Growth and marketability of seed oak plantations Forestry] / Moiseenko F P 1964, №4 34-38 [in Russian]
10. Navas R. Ecological restoration indicators in agroforestry systems in the atlantic forest. Ciência e. Natura, Santa Maria, vol 38 n.2. / Navas R., Silva, R.J., 2016. https://doi.org/10. 5902/2179-460X19666
11. Reij C. Scaling up farmer-managed natural regeneration in Africa to restore degraded landscapes / Reij C., Garrity, D., 2016, Biotropica 48 (6) 834–843. https://doi.org/10.1111/ btp.12390
12. Torralba M. Do European agroforestry systems enhance biodiversity and ecosystem services? / Torralba M., Fagerholm, N., Burgess, P.J. et al // A meta-analysis. Agric. Ecosyst. Environ 230, 2016, 150–161. https://doi.org/10.1016/j.agee.2016.06.002.
13. Pavlovsky E S TRazvitie zashchitnogo lesorazvedeniya v Kamennoj Stepi v sovetskoe vremya [he development of protective afforestation in the Stone Steppe during Soviet times. The forest belts of the Stone Steppe] / Pavlovsky E S 1967, Voronezh. 183-253[in Russian]
14. Kalinichenko N P. Protivoerozionnaya lesomelioraciya [Anti-erosion reclamation] / Kalinichenko N P., Zykov I P. // Agropromizdat, 1986 [in Russian]