Развитие науки происходит по своим законам и появляется новая парадигма, т.е. некоторое сочетание новых закономерностей, теорий, подходов и методов решения научных и практических задач. В недрах традиционного лесоводства ныне появились отличные от него плантационное, пригородное, хронолесоводство и даже нетрадиционное лесоводство. То есть вполне в духе Т. Куна [2] в лесоводстве начался кризис – появились альтернативные теории и противоборствующие научные школы. Причины их появления мы рассмотрели в ряде наших работ, и данная статья представляет собой их краткий анализ.
Целью данной работы является сжатое изложение основных положений новой парадигмы на примере сосны обыкновенной и ели финской.
Материалы и методы исследования
Материалом для исследования были результаты наших работ [7–11], и в статье проведен их интегральный обзор. В них за период в 35 лет изучался ход роста ели на 349 пробных площадях таксации, а также подводились итоги испытаний семей 1435 деревьев сосны и ели в возрасте потомства 23 лет. Всего было заложено 17 опытов по испытаниям потомства на площади 33 га, с измерениями 80 тыс. растений [7, с. 11]. Результаты обобщены в монографиях [8, 9] и в статье [10], где мы проанализировали новые модели хода роста древостоев, тенденции искусственного и естественного отбора в их потомствах, а также десятки диссертаций и крупных работ отечественных таксаторов, лесоводов и селекционеров. Методом исследования является логический анализ некоторых из этих работ и итогов собственных исследований.
Результаты исследования и их обсуждение
Зарождение новой парадигмы можно отнести в 1970-е годы, когда в моделировании хода роста в качестве нового фактора начали использовать начальную густоту [5]. При старом подходе учитывали только условия местопроизрастания, причем их идентичность проверяли по модельным деревьям и их рост соотносили со шкалой классов бонитета, и именно по ней составлялось множество таблиц. Эти таблицы сыграли выдающуюся роль в выяснении характеристик максимально продуктивных древостоев в разных регионах. Однако таблицы хода роста не давали ответа на вопрос, из каких начальных состояний формируются такие полные (нормальные) древостои. По существу, в них моделировали состояния древостоев в статике, выхваченные из биологического времени, и драма развития реальных древостоев оставалась неизученной. Мы написали ряд критических статей, вызвали дискуссию на эту тему и ответили на замечания оппонентов, которые приведены в монографии [9].
Отметим, что речь идет о развитии самых простых лесных экосистем, а именно насаждений и древостоев из одной породы, одновозрастных и одноярусных. К настоящему времени известны три закона, описывающие их развитие: ранговый закон роста деревьев в молодняках Е.Л. Маслакова [3], закон морфогенеза простых древостоев Г.С. Разина [5] и общий закон развития одноярусных древостоев, также разработанный Г.С. Разиным [9, 10]. При этом последний закон включает в себя предыдущий, и поэтому законов остается всего два. Поразительна их судьба. За истекшие 35 лет они так и не вошли в учебники, и причины такого небрежения глубоко символичны. Во-первых, были просто поражены, когда выяснили, что даже крупные ученые иногда не знают (или не учитывают) достижения других ученых в близких науках. Во-вторых, и это главное, новые законы буквально выбивают почву из-под ног у адептов «коммерческих» рубок ухода, лишая их постулата о том, что увеличение площади питания дерева должно приводить к увеличению его прироста в любом возрасте. Это оказалось не так [9], и постулат не был верифицирован в средневозрастных древостоях, где проводили и проводят столь прибыльные прореживания и проходные рубки. Об этом С.Н. Сеннов осторожно упоминал еще в 1980-е годы [12], а далее подтвердил еще раз невозможность повышения прироста у древостоев рубками ухода (прореживаниями и проходными рубками) спустя 60 лет [13].
Из общего закона развития одноярусных древостоев Г.С. Разина [9] следует, что древостой лишь один раз достигает максимума ежегодной производительности, измеряемой текущим приростом. Это известно, в общем, давно, и в типичных условиях у хвойных пород максимум прироста наступает в среднем в 40–45 лет. Но именно Г.С. Разин впервые на моделях развития еловых древостоев доказал, что максимум этот подвижен: в изначально густых ельниках он наступает уже в 25 лет, тогда как в редких он отодвинут к 40 годам.
Кроме того, за истекшие 35 лет лесоводы, почти не используя законы Е.Л. Маслакова и Г.С. Разина, не обнаружили в насаждениях и проявление более общих законов экологии: закона популяционного максимума Ю. Одума, теорию лимитов популяционной численности Х. Андреварты – Л. Бирча и теорию биоценотической регуляции численности популяции К. Фридерихса, описание которых приводит Н.Ф. Реймерс [6]. По-видимому, дело было в том, что таксаторы моделировали рост древостоя, опираясь на данные модельных деревьев. Однако у древостоя, как у целого, есть свойства и показатели, которых нет у его частей-деревьев. Это биомасса листьев и объем крон на единице территории, их сомкнутость и, как результат их работы, текущий прирост древесины. Если оценивать развитие любого сообщества, в том числе и фитоценоза, то в нем выделяется восходящая линия (увеличение прироста, прогресс) и нисходящий тренд (падение прироста, регресс).
Наличие фазы прогресса и регресса влечет за собой совершенно разные подходы к управлению развитием древостоя: активное вмешательство в фазе прогресса и пассивное – в фазе регресса. Отсюда и принципиальное отличие для рубок ухода: их высокая интенсивность в молодняках и низкая, с уборкой только отставших в росте деревьев, в среднем и старшем возрасте. Казалось бы, все просто и ясно, однако Правила ухода за лесом [4] никак их не выделяют – там вообще нет понятий прогресса и регресса, и рубки ухода начинают при полноте 0,8 и более и заканчивают за один класс до возраста спелости. Этот рецепт приводит к тому, что после прореживаний и прокладки технологических коридоров, шириной 5 м и занимающих до 15 % общей площади, нарушается ветровая устойчивость ценоза, и через 10–15 лет он вырубается санитарными рубками целиком. Поэтому и проверить (верифицировать) эти Правила никак не получалось. По-видимому, неслучайно и новые Правила ухода за лесом никак не удается разработать, а их последний вариант [4] фактически повторяет идеи и параметры таких рубок по правилам еще 1980-х годов.
Отметим, что в наших моделях развития еловых древостоев были найдены важные биологические константы – суммарный объем крон в возрасте 45–110 лет в редких по начальной густоте моделях. На основе этих моделей как раз и был открыт общий закон развития одноярусных древостоев Г.С. Разина, из которого вытекает множество следствий, в том числе новые принципы выращивания леса, включающие применение достаточно универсальной формулы оптимальной густоты [9, с. 211].
Положения законов Е.Л. Маслакова [3] и Г.С. Разина [9, 10] отражены в пунктах 4 и 8–13 в табл. 1, в которую мы свели основные отличия новой парадигмы (табл. 1).
Следствия из этих законов меняют и парадигму лесной селекции, для которой мы составили отдельную сравнительную таблицу (табл. 2).
Предложенный выше перечень новых утверждений меняет методические аспекты решения множества научных задач. Отметим главное. Если обнаружены константы и предельные показатели в развитии древостоев (суммарный объем крон, масса хвои), то моделирование их развития находит свою точку отсчета, свой «опорный экспериментальный факт» [1, с. 4], и лесоводство становится точной наукой, где текущее состояние ценоза можно оценивать с помощью аналоговых моделей и рассчитывать оптимальную траекторию их развития с помощью формулы оптимальной текущей густоты. Некоторые утверждения (пункты 8, 9) должны уточняться для других пород. Появились и новые гипотезы: о правых и левых изомерах деревьев с противоположной адаптацией к конкуренции, о деревьях-лидерах, биогруппах и геоактивных зонах, о различиях в концентрациях химических элементов в хвое, маркирующих скорость роста дерева.
Таблица 1
Основные утверждения новой и старой парадигмы лесоводства о развитии одноярусных простых древостоев в одинаковых и оптимальных условиях
|
№ п/п |
Старая парадигма |
Новая парадигма |
|
1 |
2 |
3 |
|
1. |
Естественное изреживание (регуляция густоты) закономерное и своевременное |
Естественное изреживание запаздывает и древостой теряет производительность |
|
2. |
Высота древостоев мало зависит от их густоты. Ход роста (развитие) древостоя зависит от класса бонитета |
Высота и развитие древостоев зависит от их начальной густоты, и менее густые ценозы с возрастом становятся более высокими |
|
3. |
Класс бонитета у древостоя постоянен и с возрастом меняется незначительно |
Класс бонитета с возрастом меняется у большинства древостоев |
|
4. |
Дифференциация деревьев проявляется в полной мере в возрасте 30–40 лет |
Деревья-лидеры проявляют себя уже в возрасте 8–10 лет |
|
5. |
В структуре древостоя имеет место случайное размещение деревьев, но с возрастом оно стремится к равномерному |
Структура древостоя включает в себя биогруппы, и в них растет 28–57 % деревьев. Они являются атрибутом древостоя |
|
6. |
В биогруппах растения мешают друг другу и они подлежат разреживанию |
Деревья-лидеры и биогруппы растут на геоактивных зонах и являются центрами, где накапливается запас древостоя. Их оставляют при разреживаниях |
|
7. |
Уход за густотой следует начинать в жердняках, в возрасте 21–40 лет |
Уход за густотой следует начинать до смыкания крон не позднее возраста 13 лет |
|
8. |
Максимум массы хвои наблюдается в среднем и старшем возрасте при оптимальной густоте |
Есть константы и максимумы для массы хвои и объема крон. В ельниках при их развитии от начальной густоты 1,0–1,65 тыс. шт./га константы достигаются в возрасте 45 лет |
|
1 |
2 |
3 |
|
9. |
Максимум текущего прироста древесины в ельниках приходится в среднем на возраст 40–45 лет |
Максимум текущего прироста в ельниках наблюдается при их развитии от минимальной густоты и приходится на 40 лет, а в изначально густых – на 25 лет, где он ниже в 2 раза |
|
10. |
Тип хода роста древостоя определяет класс бонитета, географическое и ландшафтное положение, а также тип леса |
Тип развития древостоя определяет возраст, в котором достигается предел (максимум) сомкнутости крон и полога |
|
11. |
В развитии древостоя выделяют молодняки, средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные насаждения |
Развитие древостоя делят на фазы прогресса и регресса (периоды до и после максимума прироста) |
|
12. |
Регуляцию густоты проводят вплоть до приспевающего возраста |
Регуляцию густоты проводят только в фазе прогресса |
|
13. |
Регрессом считается распад и усыхание древостоя, а также возраст, когда объем отпада становится больше текущего прироста |
Регресс начинается уже в среднем возрасте и длится десятилетия; в нем проводят пассивные рубки отставших в росте деревьев |
Таблица 2
Некоторые положения новой и старой парадигмы лесной селекции в России при выведении целевых сортов для плантационного выращивания
|
№ п/п |
Старая парадигма |
Новая парадигма |
|
1. |
Не все потомства наследуют скорость роста своих родителей; коэффициент наследуемости зависит от превышения плюс-дерева над среднепопуляционной высотой и диаметром деревьев |
Связь между размерами родителей и их потомствами слабая и криволинейная. Потомство крупных деревьев оказывается таким же, как и средних родителей; только у отстающих деревьев потомство оказывается растущим достоверно хуже |
|
2. |
Коэффициент наследуемости скорости роста зависит от множества причин и служит лишь неким ориентиром для выбора системы селекции. При малых значениях наследуемости массовый отбор неэффективен |
Коэффициент наследуемости эпигенетичен и зависит от истории густоты в материнской популяции, с одной стороны, и густоты в дочерних культурах, с другой; потомство густых ценозов растет лучше в густых, а потомство редких – в редких тест-культурах |
|
3. |
Отбор плюсовых деревьев проводят в насаждениях высших классов бонитета |
Отбор плюсовых деревьев осуществляют в насаждениях-аналогах плантационных культур, т.е. точно в таких же условиях, в каких будут выращивать дочерние насаждения |
|
4. |
Тип роста потомства имеет, вероятно, генетические причины и его можно определить только при достижении потомством возраста рубки, поэтому желательно выращивать тест-культуры как можно дольше |
Тип роста потомства определяют лесорастительные и конкурентные условия в тест-культурах. Тип роста определяют для каждого потомства индивидуально по началу тренда его развития в возрасте 10–20 лет, а густоту в модели развития задают изначально |
|
5. |
Испытания потомства закладывают в разных условиях тремя урожаями семян. Оценивают запас древесины в возрасте не менее 1/2 возраста рубки, т.е. в 30–35 лет |
Испытания проводят в 3–4 этапа. Первые тест-культуры измеряют в 4–8 лет, далее сокращают число вариантов и закладывают вторые испытания, далее третьи и т.д. |
|
6. |
Концентрации химических элементов у разных популяций, у быстро- и медленнорастущих потомств не изучались |
Популяции и их потомства имеют различия в физиологии, что приводит к разным концентрациям химических элементов в их хвое, и они могут быть маркерами роста |
|
7. |
Оценивают гетерозиготность и составляют генетический паспорт клоновой семенной плантации |
Оценивают устойчивость роста потомств в густых и редких тест-культурах и составляют «химический» портрет лучших семей |
|
8. |
Левые и правые изомеры у деревьев в популяциях были известны в 1980 г., но их использование в лесном деле не рассматривалось |
При отборе плюс-деревьев для выращивания их потомства в сухих или влажных условиях учитывают изомеры деревьев: правые и левые формы и не допускают снижения частоты любой из них ниже 38 % (соблюдение правила Золотой пропорции) |
Развитие простых древостоев на не покрытых лесом территориях начинается с появления самосева. Различия в начальной густоте, например, на гари или старой пашне бывают просто огромны – от нескольких сотен деревьев на 1 га и до десятков тысяч. К спелости их остается не более 500–700 шт./га. Тысячи деревьев погибают при самоизреживании. Напротив, динамика и структура девственных лесов совершенно другая. Они не стареют и не молодеют; это самая разнообразная мозаика площадей и куртин подроста, деревьев среднего и спелого возраста. Таким лесам человек не нужен. Проблемы в них начинаются в результате их трансформации после рубок, пожаров, сведения лесов и вновь их появления на старых пашнях, сенокосах и пастбищах. Структура таких одновозрастных лесов упрощена, начальная густота их бывает как низкой, так и очень высокой, часто они нуждаются в разреживаниях с самого раннего возраста. И таких лесов много. Сейчас всего лишь 3 % лесов в европейской части России сохранились в девственном состоянии.
Старая парадигма во многом была основана на изучении опытов по выращиванию и уходу за лесом именно в простых одноярусных древостоях. В самом деле, необходимо вначале понять простую модель, а затем уже приниматься за более сложные модели лесных экосистем. Однако этого не происходит; современные аэрокосмические методы таксации стремительно развиваются, и возникает, как нам кажется, некое иное понимание развития лесных экосистем, под которым понимают, например, мониторинг их структуры и площадей, т.е. их динамику во времени. Но для моделирования развития насаждений нужно охватить весь период их жизни, и даже 30 лет с промежуточными наблюдениями будет недостаточно.
Вместе с тем аэрокосмические методы позволили бы верифицировать идеи и теории старой парадигмы, например через мониторинг последствий прореживаний и проходных рубок, и проверить давно декларируемый для таких рубок ухода постулат (увеличение площади питания у деревьев должно приводить к увеличению их прироста и прироста всего древостоя). Вопрос только в том и состоит, захотят ли сторонники коммерческих рубок ухода проверить эти давние теории. Мы сильно сомневаемся в их желании. Безусловно, новая парадигма будет востребована, когда изменится лесная политика и ее сильнейший крен в сторону экстенсивного использования лесов как источника древесины будет сбалансирован увеличением затрат на их восстановление продуктивными и ценными породами. Нужна национальная программа повышения продуктивности лесов России, в которой новые знания о развитии лесных экосистем получат свое воплощение и развитие.
Заключение
Новая парадигма лесоводства основывается на двух новых законах развития лесных насаждений: закона роста деревьев в молодняках Е.Л. Маслакова и общего закона развития одноярусных древостоев Г.С. Разина. Эти законы имеют математико-статистическое обоснование и множество следствий в практическом плане. Меняется методика моделирования хода роста и принципы рубок ухода: активный принцип для фазы прогресса и пассивный – для фазы регресса в развитии древостоя. Меняется и парадигма лесной селекции при выведении целевых сортов для плантационного выращивания. Положения новой парадигмы получены на основе изучения древостоев и потомства сосны и ели, и необходима их проверка на других породах.
Работа выполнена при финансовой поддержке задания 2014/153 государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части госзадания Минобрнауки России (проект 144 № гос. рег. 01201461915).