Устойчивое управление земельными ресурсами – важнейшее условие развития общества, предполагающее использование почвы, воды, животного и растительного мира для производства товаров, отвечающих изменяющимся нуждам и требованиям людей. В то же время оно должно обеспечивать долговременное поддержание продукционного потенциала этих ресурсов и сохранение их экологических функций. В разных регионах европейской части России при неуправляемом использовании территорий велик риск возникновения критических «болевых точек», связанных с отсутствием должного ведения хозяйства, продуманной политики рационального природопользования. Оценка лесного потенциала России в условиях вызовов ХХI века возносится в ранг приоритетных национальных интересов [1]. В этой связи в подзоне южной тайги актуально исследование экологических последствий низовых пожаров в лесах на мелиорированных болотах [2]. Там же остро стоит вопрос о зарастании лесом заброшенных сельскохозяйственных земель [3]. В зоне лесостепи для лесного хозяйства России наиболее актуальна проблема усыхания дуба черешчатого (Quercus robur L.) в районах его коренного произрастания и трансформации ценных дубовых древостоев в менее ценные смешанные лиственные формации [4, 5]. В полупустынном регионе на одно из первых мест выходит ухудшение состояния естественной растительности и лесных культур в условиях антропогенного прессинга и изменения климата [6, 7].
Цель работы – оценка последствий неуправляемого использования территорий разных природных зон для поиска путей оптимизации их природообустройства и рационального природопользования.
Материалы и методы исследования
Работы выполнены на базе сети стационаров Института лесоведения РАН (ИЛАН РАН), расположенных в разных природных зонах европейской территории России.
В подзоне южной тайги на Западнодвинском лесоболотном стационаре (Тверская обл.) в подвергшихся низовому пожару болотных сосняках заложены 4 пробные площади от 0,15 до 0,24 га в местах разной интенсивности пожара и степени дренажа, а также контрольные пробные площади, не затронутые пожаром [2, 8]. На базе стационара «Городище» Северной ЛОС (Ярославская обл.) создана сеть постоянных пробных площадей, на которых в режиме долговременного мониторинга ведется изучение динамики биологической продуктивности и изменения морфоструктуры лесных фитоценозов на неиспользуемых сельскохозяйственных землях [9]. В филиале ИЛАН РАН Теллермановском опытном лесничестве (Воронежская обл.) на основе критического анализа современных методов выращивания дубовых лесов, изучения состояния, факторов деградации деревьев и древостоев дуба предложены новые оригинальные методы воспроизводства дубовых древостоев в зоне их коренного произрастания [5, 10]. На Джаныбекском стационаре (Волгоградская обл.) в полупустыне Северного Прикаспия проанализированы данные уникального, длительного (более 60 лет) мониторинга климата, почвенно-гидрологических условий, состояния травянистых и лесных экосистем и их трансформации в современных условиях хозяйствования [11]. Методика работ включала в себя стандартные подходы, используемые в лесоведении, лесной таксации, почвоведении, гидрологии, ботанике при проведении комплексных биогеоценотических мониторинговых стационарных исследований.
Результаты исследования и их обсуждение
Лесоэкологические последствия пожаров на осушенных лесных болотах. Практически неизвестны специальные исследования последствий пожаров на осушенных лесных болотах в части специфики поражения и гибели древостоев и нижних (напочвенных) ярусов растительности, механизма распространения огня по площади, особенностей восстановления фитоценозов, потенциальной и действительной опасности пожаров и борьбы с ними. Даже несильные низовые пожары гибельны для древостоев на осушенных торфяниках по сравнению с естественно дренированными почвами, где низовой пожар не переходит в почвенный. Последствия пожара связаны, прежде всего, с гибелью более продуктивных, чем до осушения, древостоев. Во всех случаях причиной гибели деревьев были ожоги или сгорание камбиального слоя стволов и хвои тонкомера, выгорание мелких корней в поверхностном слое торфяной почвы и повреждение (отмирание) камбия толстых корней у основания стволов. Значительная часть древостоя оказалась пораженной уже на стадии собственно низового пожара до его перехода в стадию почвенно-торфяного. Низовой пожар в осушенных кустарничково-сфагновых сосняках привел к отпаду 80–90 % древостоя [2]. Основной отпад происходил в первые 2–3 постпирогенных года [12]. После мозаичного прогорания напочвенного покрова и верхних слоев торфа в кустарничково-сфагновых сосняках меняется соотношение фитомассы кустарничково-травяного и мохового ярусов. Фактически исчезают сфагновые мхи, их место занимают политриховые. Усиливается рост кустарничков и трав, они становятся главными продуцентами, в 2 раза превышающими годичную продукцию допожарного уровня.
Изучение лесоэкологических последствий пожаров на осушенных лесных болотах показало, что эти болота в редких случаях предельно выгорают на эту глубину осушения (20–30 см), в отличие от естественных болот. Потери органического вещества верхнего слоя торфа в приканальных полосах сильно варьируют и составляют 3,24 ± 0,57 кг•м-2 (n = 22), в середине между осушительными каналами 2,31 ± 0,85 кг•м-2 (n = 17). Глубина выгорания торфа меньше в середине между осушительными каналами, чем вблизи них. Даже при прекращении стока по осушительной сети, когда вода в каналах едва проступает, они служат препятствием для распространения огня на соседние территории, что необходимо учитывать при планировании и проведении противопожарных мероприятий. Полученные результаты потерь органического вещества при пожарах на лесных болотах подтверждают важность учета таких потерь [13, 14] для понимания баланса углерода в болотных биогеоценозах и обоснования их охраны.
Продукционно-биометрическая оценка молодняков древесных пород на залежи в южной тайге центра Русской равнины. В проводимых в России лесоводственных исследованиях лесовосстановление традиционно зачастую связано с лесопользованием (рубки) и последствиями природных катастроф, преимущественно с пожарами [15, 16]. Процесс формирования древостоев на залежах в таежной зоне Центра Русской равнины, получивший широкое распространение на рубеже XX–XXI веков, изучен крайне слабо, хотя его познание имеет важное теоретическое и практическое значение [17, 18].
Для оценки ресурсного потенциала и средообразующей роли формирующихся на бывших сельскохозяйственных землях древесных фитоценозов проведен анализ и выявлены закономерности динамики основных показателей биологической продуктивности (массы, годичной продукции, нетто-продукции и прироста мортмассы по фракциям) в молодняках берёзы, играющей ведущую роль в заселении бывших сельскохозяйственных угодий.
Молодняки березы на заброшенных сельскохозяйственных землях характеризуются быстрыми темпами накопления надземной фитомассы, которое сопровождается увеличением доли стволов, некоторым снижением представительства скелета крон со значительными колебаниями и постепенным снижением доли листьев. Нетто-продукция надземной фитомассы березняков в 5-летнем возрасте и в возрастном интервале 8–10 лет составляет 5,8–5,9 т•га-1•год-1 с преобладанием (примерно 80 %) фракции стволов [9]. Максимальных для региона значений годичной продукции (10–12 т•га-1•год-1) молодняки березы достигают уже к возрасту 10 лет. Несмотря на интенсивное естественное изреживание древостоев на стадии молодняка, годичная продукция их надземной части в этот период существенно превышает суммарную массу опада и отпада, обеспечивая ускоренное накопление фитоценозом органического вещества. В 4-летнем возрасте суммарная масса отпада и опада составляет 47 % годичной продукции, в 5-летнем – 33 %. На компенсацию отпада и опада расходуется около 15 % продукции древесных фракций, при этом у фракции стволов эта величина возрастет с 5 до 16 %, а у скелета крон уменьшается с 75 до 10 %. В возрастной период 8–10 лет суммарная масса отпада и опада составляет 53 % от годичной продукции. На компенсацию отпада и опада расходуется около 42,2 % продукции древесных фракций, при этом у фракции стволов эта величина составляет 34,3 %, а у скелета крон – 72,5 % [9].
При одновременном поселении березы и ели на залежи на дерново-палевоподзолистых супесчаных почвах к 15-летнему возрасту ель вследствие своих биологических особенностей отстает в росте от березы и обособляется в виде яруса подроста. По величине надземной фитомассы и ее структуре березовый древостой близок к средним значениям этих показателей для древостоев такого же возраста в сходных условиях произрастания. Ценопопуляция ели под пологом древостоя, несмотря на значительную густоту, значительно уступает и по фитомассе, и по годичной продукции близким по возрасту еловым культурам. В возрастной период 15–23 года при величине годичной продукции древостоя березы 6,68 т•га-1•год-1, суммарная масса отпада и опада составляет 2,27 т•га-1•год-1 (34 % от годичной продукции). Выявлена динамика вклада различных ярусов в надземную фитомассу и годичную продукцию насаждения. В этот возрастной период доля древостоя березы в надземной фитомассе сообщества сокращается с 92,3 до 86,3 %, доля подроста ели возрастает с 7,2 до 13,6 %, доля травяного покрова сокращается с 0,5 до <0,1 %. Годичная продукция насаждения имеет сходную динамику: доля древостоя сокращается с 86,7 до 75,1 %, доля подроста возрастает с 10,3 до 24,4 %, доля травяного покрова сокращается с 3,0 до 0,4 % [19].
Полученные результаты исследований восполняют недостаток информации о росте и продукционном процессе молодых древостоев березы на залежи в южной тайге. Закономерности формирования молодняков могут использоваться в качестве основы для решения ряда задач: прогноза лесообразовательного процесса на залежах; определения роли молодняков в углеродном цикле лесных экосистем; обоснования системы лесохозяйственных мероприятий, направленных на выращивание высокопродуктивных древостоев с учетом целевого назначения лесов и особенностей региональных социально-экономических условий.
Деградация, трансформация и воспроизводство дубовых лесов в лесостепи на территории Европейской России. Проблема усыхания дуба черешчатого (Quercus robur L.) в регионах его коренного произрастания в зоне лесостепи и, как следствие, трансформация дубовых древостоев в смешанные лиственные леса без его участия в составе насаждений выходит в число наиболее актуальных для лесного хозяйства России [5, 20, 21]. В последние 100 лет произошло три волны усыхания дубовых лесов на территории России: 1892–1911, 1927–1946 и 1964–1983 гг. В настоящий период развивается очередная волна усыхания дубовых лесов. К числу факторов, определяющих их усыхание, относятся: изменение климатических показателей в регионе лесостепи и ассоциированные с ними изменения водного баланса территорий, воздействие энтомогенных и микогенных факторов, а также несовершенство всего комплекса лесоводственных и лесохозяйственных приемов воспроизводства дубовых древостоев на сплошных вырубках, в том числе дубовых лесов.
Деградация дуба выражается в сокращении объемов крон деревьев в древостоях всех возрастных групп как естественного, так и искусственного происхождения. Степень деградации крон дуба в сравнении с ясенем обыкновенным, клёном остролистным и липой мелколистной варьирует от 30 % у липы до 50 % у клена остролистного. Таким образом, дуб в древостоях как естественного происхождения, возникших на площадях сплошных рубок спелых древостоев из поросли пней, так и в культурах разного возраста имеет самые низкие показатели состояния в составе сомкнутого древостоя по сравнению с другими лесообразующими породами, конкурирующими с ним за свет и почвенное питание.
Трансформация дубовых древостоев в лиственные без участия дуба в составе формирующихся насаждений связана с деградационными процессами как отклик на невозможность дуба конкурировать с наиболее быстро растущими и территориально агрессивными ясенем, клёном, липой и другими подлесочными породами, в первую очередь лещиной. К тому же светолюбивые всходы дуба не выдерживают конкуренции с травянистой растительностью и подлеском, тем более под сомкнутым пологом древостоя [5].
В таблице наглядно показана тенденция смены дуба на менее ценные породы за 130–140 лет (период роста насаждения до главной рубки).
Изменение формулы состава насаждения естественного происхождения за период 130–140 лет
|
Состав древостоев в разные периоды учёта на пробных площадях |
Спелые на вырубках |
Перестойные |
|
Формула по массе коренного древостоя, 1878–1883 гг. |
1 ярус 5Д3Лп2Яс+Кл 2ярус 5Лп4Кл1Ил |
1 ярус 6Д2Лп2Кл+Ил 2 ярус 4Кл3Лп3Ил |
|
Формула по количеству деревьев 1-го яруса 2014–2015 гг. |
4Лп3Кло2Д1Я+Клп,Вз |
4Кло3Вз1Клп1Д1Яо+Лп |
|
Формула подроста на 2014–2015 гг. |
7Клп2Кло1Вз+Лп,Яс,Д |
5Клп3Кло1Яо1Вз+Д,Лп |
Примечание. Обозначения: Д – дуб черешчатый, Яс – ясень обыкновенный, Кло – клен остролистный, Клп – клен полевой, Лп – липа сердцевидная, Вз – вяз гладкий.
В филиале ИЛАН РАН Теллермановском опытном лесничестве разработана и внедрена в практику система интенсивного воспроизводства дуба в формате непрерывного цикла уходов за культурами до возраста смыкания полога дубового древостоя (примерно до 15 лет), после которого дуб полностью занимает все корневое и световое пространство территории посева и никакие сопутствующие породы не могут с ним конкурировать [10]. Формируется высокополнотный дубовый древостой с 8–10 единицами дуба в составе. При этом исключаются два вида рубок ухода (прореживание и проходные рубки), что значительно удешевляет весь цикл выращивания дубового древостоя.
Таким образом, сохранение дуба в зоне лесостепи как стратегически важной с позиций экосистемного биоразнообразия и сохранения генофонда хозяйственно необходимой государству коренной породы возможно только при её искусственном воспроизводстве на площадях сплошных вырубок с применением методов, обеспечивающих непрерывный цикл уходов за создаваемыми культурами.
Состояние естественных и искусственных лесных экосистем в полупустынном регионе и перспективы их агролесомелиоративной оптимизации. В аридных регионах России на современном этапе происходит повсеместное зарастание сорной растительностью пахотных земель, усыхание, распад и гибель защитных лесных насаждений, усиление эрозионных процессов, ежегодные бесконтрольные пожары и другие нежелательные явления. К тому же развитие способов земледелия за историческое время претерпело значительные изменения. Здесь отмечается резкое уменьшение объемов производства сельскохозяйственных культур и животноводческой продукции. Существенное воздействие на состояние экосистем оказало потепление аридного климата (в среднем на 2,2 °C) с середины ХХ века, а также подъем уровня грунтовых вод на территории Северного Прикаспия [22]. На этом фоне отмечена периодичность в увлажненности территории за счет изменения количества атмосферных осадков. Выявлено, что эти климатические изменения не нарушают динамически-равновесного состояния естественных экосистем (например, продуктивности целинных фитоценозов, поголовья диких животных), однако длительные периоды засух вызывают необратимое ухудшение состояния и гибель лесных посадок, а также многолетние неурожаи зерновых культур на зональных типах почв, нарушая стабильность сельскохозяйственного освоения территории [14]. Эти земли легко подвергаются антропогенному опустыниванию при нарушении баланса в функционировании природных экосистем при перевыпасе, выращивании монокультур, орошении засоленных почв. Реформирование сельского хозяйства (вернее, саморегуляция) происходит спонтанно и бессистемно, и сейчас, как никогда, необходима четко сформулированная программа по оптимизации природопользования в этом регионе. Основой землепользования в таких засушливых условиях должно стать бережное отношение к возобновляемым природным ресурсам – воде и плодородию почв. Применяемые технологии должны быть социально значимыми, экологически безопасными, а в рыночных условиях еще и функционально необходимыми, малозатратными и прибыльными [23]. Эти положения удовлетворяются при создании небольших рентабельных крестьянско-фермерских хозяйств, расположенных дискретно по территории и применяющих ресурсосберегающие технологии.
Заключение
Для оптимизации рационального природопользования в разных регионах европейской части России выявлены критические «болевые точки», возникающие при неуправляемом использовании территорий. Проведено изучение экологических последствий низовых пожаров на осушенных мелиорированных болотах в лесах южной тайги; дана продукционно-биометрическая оценка молодняков древесных пород на неиспользуемых сельскохозяйственных землях; изучены факторы деградации и восстановления дубрав в лесостепной зоне; проведены мониторинг и оценка современного состояния естественной растительности и искусственных лесных насаждений в аридных регионах в современных условиях хозяйствования. Результаты исследований позволят в зональном аспекте разработать некоторые подходы к оптимизации рационального природопользования в разных регионах ЕТР.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Биоразнообразие природных систем и биологические ресурсы России».