Лесорастительные свойства почв Русской равнины

Что касается этого показателя на пашне, то за прошедшие 40 лет при усилении антропогенной нагрузки в пахотном слое почвы коэффициент дисперсности увеличился в 3,5 раза, в подпахотном (30-40 см) - в 1,8-2,5 раза, в слое 40-50 см - в 1,8 раза.

Таким образом, под всеми видами древесных пород, произрастающих в дендрарии ЛОСС и в Моховском лесничестве происходит достоверное (при 0,05% уровне значимости) улучшение (с агрофизической точки зрения) структурного состава почв в верхнем 30-см слое по сравнению с пашней. Лучшие показатели под древесными породами были и по критерию водопрочности в верхнем 20-см слое (в среднем 91%) по сравнению с пашней (67%). На залежи этот показатель был близок (93%) к его величине под древесными породами.

Химические и физико-химические свойства

Гумусное состояние почв. Исследованиями установлено [Ковда, 1989; Розанов и др., 1989; Земля Воронежская, 2006], что за последние 100 лет содержание гумуса в распаханных черноземах снизилось на 20-30% в результате невозобновляемого окисления, а на эродированных почвах - на 30-50%. Наши исследования выщелоченных черноземов (прилегающая к Шатиловскому лесу пашня), не противоречат этим выводам. Сравнительный анализ наших данных с результатами, полученными Ткаченко (1908), Розановой (1960), показал, что за 90-летний период изменение содержания гумуса на пашне в слое 0-20 см происходило неодинаково по срокам исследований (табл. 3).

По данным М. Е. Ткаченко (1908), определявшим содержание гумуса методом сухого сжигания по Густавсону, его содержание в 20-см пахотном слое (по двум разрезам) было равным 10,4%. Пятьдесят лет спустя [Розанова, 1960] на той же пашне содержание гумуса снизилось на 2,2% и составило 8,2%, т. е. уменьшение его за этот период происходило со скоростью 0,044% в год, если не принимать различий в методах определения. Еще через 25 лет, содержание гумуса сократилось на 1,2% и составило по нашим данным 7,0%±0,1, продолжая снижаться практически с той же скоростью 0,048 % в год.

В последнюю четверть прошлого века количество гумуса уменьшилось всего на 0,3% (М ср. = 6,71±0,4), а ежегодное падение составляло 0,012% в год, т. е. происходило в 4 раза медленнее, чем в предыдущие 70 лет.

Таблица 3 Многолетняя динамика содержания гумуса в черноземах выщелоченных под древесными насаждениями разного состава и возраста

Рис. 1. Запасы гумуса в выщелоченных черноземах (Моховое) под древесными породами разного состава и возраста

С практической и теоретической точек зрения представляет интерес проследить динамику изменения запасов гумуса на одних и тех же объектах Мохового. Как следует из данных таблицы 4 и рисунка 1, запасы гумуса в почвах пашни Мохового за 40-летний период (с 1953-55 по 1995 г.г.) снизились по всем рассчитанным слоям. Под древесными насаждениями также происходило падение запасов с увеличением срока их произрастания в слоях 0-20 и 0-50 см.

Но под древесными породами в верхней полуметровой толще уменьшение запасов обусловлено снижением плотности сложения, а не агрогенной деградацией в результате сельскохозяйственного использования. В слое 0-100 см снижение запасов гумуса отмечается лишь под елью и сосной веймутовой, а под лиственницей, сосной обыкновенной и дубом запасы возрастали. Градиент падения запасов гумуса показывает, что на пашне процесс невозобновляемых потерь протекает значительно интенсивнее(1,56 в слое 0-20 см, 1,37 в слое 0-50 и 1,13 в слое 0-100), чем под насаждениями (соответственно, 1,23, 1,14 и 1,04), особенно в слоях 0-20 и 0-50см.

Групповой состав гумуса. Анализ полученных данных и сравнение их с литера-турными [Зонн, Соколов, 1960] на одних и тех же объектах Шатиловского леса показывает, что длительное воздействие древесных пород приводит к некоторой дифференциации и изменению состава гумуса в верхних слоях чернозема (табл. 5).

Так, под 25-лет-ними насаждениями дуба черешчатого тип гумуса был гуматный (Сгк: Сфк = 2,7), под 100-летними - он стал фульватно-гуматный (1,08). Наряду с этим, доля негидролизуемого остатка с возрастом насаждений возросла с 25-18 до 45-38%.

Под лиственницей, за этот же период тип гумуса изменился от фульватно-гуматного (Сгк:Сфк = 1,96) к гуматно-фульватному (Сгк:Сфк =0,93) в верхнем 10-см слое. На глубине 20-30 см он оставался неизменным (фульватно-гуматным), имея, однако, тенденцию снижения Сгк:Сфк с 1,5 до 1,2 с увеличением возраста насаждений.

Таблица 5

Групповой состав гумуса черноземов выщелоченных под древесными породами разного состава и возраста (числ. - Сгк, Сфк, % к почве; знам. - % к Собщ. почвы)

Примечание : * - данные Зонна, Соколова, 1960; 2 - данные автора.

Доля негидролизуемого остатка в верхнем слое снизилась с 23 до 16%, а в нижележащем, наоборот, возросла в 2,5 раза с 16,5 до 41,1%. Под елью за этот срок тип гумуса оставался неизменным - фульватно-гуматным (Сгк:Сфк =1,95-1,91) в верхнем 10-см слое черноземов и гуматным на глубине 20-30 см (Сгк : Сфк =2,4-2,9). С увеличением возраста насаждений негидролизуемый остаток снизился как и под лиственницей с 23 до 16% в 10-см слое почвы и повысился с 22,5 до 28,4% на глубине 20-30 см. Такое изменение негидролизуемого остатка на разных глубинах, на наш взгляд, обусловлено различиями в степени аэрации под изучаемыми древесными породами.

В почве пашни за этот же период произошло изменение типа гумуса в пахотном слое (0-20 см) от гуматного (Сгк:Сфк = 3,6) к фульватно-гуматному (Сгк:Сфк = 1,6) на фоне общего его снижения, при практически неизменном типе гумуса в подпахотном слое. Величина негидролизуемого остатка за изучаемый период уменьшилась в 1,6-1,3 раза, причем больше в пахотном слое и меньше в подпахотном.

Степень гумификации под дубом уменьшилась на две градации от очень высокой до средней (с 44 до 29%). Под лиственницей и на пашне эта величина имеет тенденцию к снижению, в то время как под елью она возросла (с 43 до 55%). Аналогичный характер гумусного состояния черноземов обыкновенных тяжелосуглинистых под 45-летними лесными полосами разного состава был выявлен в Каменной степи [Брехова и др., 2006].

Проведенные исследования свидетельствуют о стабилизации содержания гумуса на достаточно высоком уровне под различными древесными насаждениями в течение длительного срока их произрастания, в то время как на пашне происходило его значительное снижение за этот же период. Однако качественный состав его при этом изменяется - на одну градацию в сторону фульватности, под дубом, сосной и лиственницей. Это говорит о трансформации гумусного состояния и тенденции в эволюции выщелоченных черноземов в сторону более северных аналогов.

Физико-химические свойства почв

Реакция почвенной среды. Длительное произрастание древесных насаждений (50 лет) в условиях Мохового оказывает неоднозначное влияние на рН почвенного раствора. Хвойные породы: ель, сосна обыкновенная, лиственница достоверно (при 5%-ном уровне значимости) подкисляют реакцию среды до сильнокислой (рН_KCl 4,3-4,5) в верхнем

10-см слое почвы по сравнению с пашней и залежью (Рис. 2).

Рис. 2. Величина рН _КСl черноземов выщелоченных (Моховое) под различными древесными породами и угодьями

Ниже этой глубины рН изменяется до среднекислой и остается таковой вплоть до границы вскипания или возможной миграции карбонатов. Под дубом в верхнем слое почвы рН поддерживается на уровне слабокислой реакции (рН 5,3), примерно такой же как на пашне и залежи, но уже на глубине 10-20 см и ниже она подкисляется до среднекислой и сохраняется до границы вскипания карбонатов. Сосна веймутовая в этом ряду занимает промежуточное положение.

Содержание обменных катионов менее 40 ммолей не влияет на величину рН_KCl, особенно в верхнем 10 см слое, где большее влияние оказывают экологические и биологические факторы. Увеличение их содержания свыше 40 ммолей уменьшает кислотность до слабокислой и близкой к нейтральной реакции.

Увеличение содержания гумуса приводит к подкислению почв, что объясняется изменением его качественного состава в сторону фульватности, особенно в почвах под насаждениями.

Все древесные породы по влиянию на изменение кислотности почв за более чем 40-летний период можно разделить на 4 группы: I - сильно повышающие кислотность почвы (рН солевой < 4,5) - пихты белокорая и субальпийская, псевдотсуга Мензиса, ель обыкновенная, дуб черешчатый; II - средне повышающие (4,5-5,0) - сосны: веймутовая, черная, сербская, гибкая, гибридная, тяжелая, Муррея, кедры: сибирский, европейский, корейский, пихты Вича и цельнолистная, лиственница японская; III - слабо подкисляющие почвы (5,1-5,5) - пихты сахалинская и одноцветная, сосны Банкса и румелийская, дуб северный; IV - с неясно выраженной способностью к изменению реакции почвы (рН 5,5-6,0) - березы бумажная и плосколистная, сосна обыкновенная.

Многолетняя динамика рН. Для выяснения динамики рН почвенного раствора в течение длительного времени рассмотрим ее величины под древесными породами разного состава и возраста - 45-47 лет и 70 лет (табл. 6).

Из данных таблицы 6 следует, что за 25-летний период с 1975 по 2000 г. г. реакция почвы пашни в слое 0-20 см не изменилась и оставалась на уровне слабокислой (рН=5,1-5,5). Она была такой же и в подпахотном слое чернозема. Под 45-47-летними насаждениями (1975г.) наиболее сильное изменение в кислую сторону по сравнению с контролем произошло под елью и сосной обыкновенной.

Таблица 6

Величины рН _КСl (х? ± t _0,05Sx?) черноземов выщелоченных (Моховое) под различными насаждениями (числ.-1975; знам. - 2000 г).

Эти различия были достоверны при 5%-ном уровне значимости и коэффициенте вариации (V) 4,0-6,09%. Меньший сдвиг реакции в кислую сторону был под лиственницей (на 0,59 единицы рН) и сосной веймутовой (0,34 единицы рН), но различия с пашней были еще существенны (t_f = 3,63 > t_t = 2,57 и t_f = 3,09 > t_t = 2,57, соответственно). Напротив, под дубом черешчатым в верхнем 10-см слое кислотность изменилась в сторону нейтральной реакции (на 0,16 единицы рН), а различие с пашней было недостоверным.

Увеличение срока произрастания древесных пород в среднем до 70 лет сохранило значение рН на прежнем уровне, за исключением сосны веймутовой, под которой произошло некоторое подкисление в этом слое. Сохранилась и достоверность различий с контролем.

Вниз по профилю под всеми хвойными породами произошел сдвиг кислотности в сторону реакции близкой к нейтральной уже в слое 10-20 см, но достоверность различий с пашней начиная с глубины 40-50 см отсутствует, за исключением почвы под 65-летней сосной веймутовой. В то же время под дубом она достоверно изменилась в кислую сторону, сохраняя эту тенденцию до глубины 100 см.

Почвенный поглощающий комплекс выщелоченных черноземов. В содержании и распределении обменных катионов в выщелоченных черноземах в условиях Мохового и в дендрарии ЛОСС трудно установить четкие закономерности, обусловленные составом насаждений. И в том, и в другом случае под одновозрастными насаждениями (45-47 лет) сумма обменных катионов имеет примерно одинаковые интервалы колебаний и среди хвойных (38,0-49,0 ммоль /100 г. почвы) и среди лиственных (34,0-47,0 ммоль /100 г) пород. Высокое содержание обменных катионов в подстилке (34-93 в среднем 59 ммоль/100 г) на момент обследования не оказало влияния на их величину в верхнем 20-сантиметровом слое почвы и было примерно таким же как в почве на залежных участках. Это возможно объясняется интенсивным вовлечением катионов в биологический круговорот. Вниз по профилю их содержание постепенно уменьшается. Длительность произрастания древесных пород не привела к увеличению обменных катионов, а даже снизило их количество в почве, что, видимо, связано с более интенсивным потреблением их древостоем.

Гидролитическая кислотность в черноземах под хвойными породами достигает значительных величин (11-16 ммоль/100 г) уже при 45-47-летнем их произрастании и может увеличиваться с возрастом, как, например, под елью, или лиственницей, составляя 1/3 от емкости поглощения. Вниз по профилю под всеми породами (кроме дуба) происходит снижение ее величины. Под насаждениями дуба, наоборот, вниз по профилю происходит увеличение содержания гидролитической кислотности. Это наблюдается под его насаждениями всех возрастов (классов роста).

Подвижные питательные элементы. В содержании подвижного фосфора, нельзя отметить различий, обусловленных влиянием древесных пород. Даже очень высокое количество фосфора в подстилке не повлияло на накопление его в почве в связи со значительной подвижностью и быстрым вовлечением в биологический круговорот [Ремезов, Погребняк, 1965].

В то же время содержание обменного калия, в верхнем 10 см слое имеет четко выраженную зависимость от состава насаждений, увеличиваясь в ряду от сосны веймутовой (20,7±0,5) к дубу черешчатому (35,6±1,6). Это обусловлено в значительной степени очень высокой величиной калия - от 48 мг/100 г подстилки у сосны веймутовой до 574 мг у дуба черешчатого. В большинстве случаев различия в накоплении обменного калия под древесными породами по сравнению с пашней достоверны.

Таким образом, сравнительный анализ данных по влиянию хвойных и лиственных

пород в возрасте 25, 50 и 70 лет на выщелоченные черноземы показал, что с увеличением возраста насаждений в почве произошли положительные изменения в верхних гумусовых горизонтах по сравнению с пашней. Это выразилось в достоверном увеличении мощности гумусовых горизонтов А+АВ, уменьшении плотности сложения; улучшении структуры и ее водопрочности в верхнем 30-см слое, повышении и стабилизации содержания гумуса и его запасов. Вместе с этим, в их профиле отмечается более интенсивное накопление илистых частиц (гор. Вt и Вса) в результате процессов лессиважа и оглинивания, усиление выраженности белесой присыпки, некоторое повышение кислотности,

изменение качественного состава гумуса в почве под дубом, сосной и лиственницей.

Однако эти изменения не привели к изменению почвообразовательного процесса, и почвы устойчиво сохраняют зональный тип почвообразования, создавая благоприятные условия для произрастания высокопродуктивных насаждений (на уровне I-Ia класса бонитета) разного породного состава.

Лесорастительные свойства почв и продуктивность древесных пород

Условием успешной интродукции инорайонных пород является подбор экологических условий, которые бы соответствовали их биологическим особенностям.

В этом плане рассмотрим лесорастительные свойства почв и климатические показатели основных районов произрастания лесообразующих интродуцированных древесных пород на территории европейской части России и сопредельных государств с целью разработки модели экологических условий их оптимального роста.

Псевдотсуга Мензиса (Pseudotsuga menziesii Mirb. Franko). Взаимосвязь про-дуктивности насаждений псевдотсуги от почвенно-климатических факторов оценивали по величине КЭПИ. За показатель продуктивности брался средний прирост по запасу древесины в чистых культурах при полноте сомкнутости 1.0, который в исследуемых насаждениях варьировал от 5,1 до 15,5 м³/га. Этот интервал разбивали на три ранга: <10, 10-13 и >13.

Почвенные показатели в районах произрастания псевдотсуги (и далее других пород), влияющие на ее продуктивность в зависимости от величины КЭПИ также ранжировали на 3, (иногда на 4) ранга следующим образом: содержание частиц физической глины (%) в слое 0-100 см (max КЭПИ = 0,370) разбивали на 4 ранга: 1) < 10, 2) 10-20, 3) 20-30, 4) >30; рН_КСl в профиле - на 3 ранга: 1)<4,0, 2) 4,0-4,5, 3) >4,5; запасы обменного калия в КОС (кг/га): 1) < 1000, 2) 1000-2000, 3) > 2000; общая порозность в гор. А+АВ (%): 1) < 45, 2) 45-55, 3) > 55; мощность горизонта А (cм): 1) < 15, 2) 15-25, 3) > 25; степень насыщенности основаниями (%) в гор. А: 1) < 50, 2) 50-70, 3) > 70; сумма обменных катионов в гор. А+В (АВ) (ммоль на 100 г. почвы): 1) < 3, 2) 3-10, 3) >10; плотность сложения гор. А (г/см3): 1) < 1,0, 2) 1,0-1,3, 3) > 1,3; запасы подвижного фосфора в КОС (кг/га): 1) < 1000, 2) 1000-2000, 3) > 2000; влажность в КОС (% от веса почвы): 1) < 15, 2) 15-25, 3) > 25; гумус в гор. А (%): - 1) < 3,0, 2) 3,0-5,0, 3) > 5,0; запасы гумуса в слое 0-100 см (т/га): 1) < 100, 2) 100-200, 3) >200; запасы обменных катионов в слое 0-100 см (т/га): 1) < 5, 2) 5-10, 3) > 10.

Климатические показатели разбивали также на три ранга: осадки за год (мм) - 1) < 600, 2) 600-700, 3) > 700; абсолютный минимум температур (^ОС): 1) < -35, 2)-35 - -38, 3) > -38; ? активных t >+10 ^ОС: 1) < 2300, 2) 2300-2500, 3) > 2500; ГТК: 1) < 1,5, 2) 1,5 -1,6, 3) >1,6; осадки за вегетацию (мм): 1) < 300, 2) 300-500, 3) > 500; относительная влажность воздуха (%): 1) < 55, 2) 55-60, 3) > 60; вегетационный период (дни): 1) < 150, 2) 150-155, 3) > 155; безморозный период (дни): 1) <160, 2) 160-170, 3) >170; абсолютный максимум температур (^ОС): 1) < 36, 2) 36-37, 3) > 37; среднегодовая температура (^ОС): 1) < +5, 2) +5 - +7, 3) > +7.

Для каждого состояния (ранга) факторов выделяли специфические ранги приростов.

Результаты показали, что среди почвенных факторов высокое влияние на продуктивность псевдотсуги оказывают гранулометрический состав в слое 0-100 см, рН в профиле почв, запасы обменного калия в КОС, порозность гумусовых горизонтов (КЭПИ= 0,370-0,300). Повышенное влияние оказывают мощность горизонта А, степень насыщенности основаниями в гор. А и обменные катионы в гумусовых горизонтах (КЭПИ = 0,290-0,260). Среднюю степень связи с продуктивностью имеют: плотность сложения в гор. А, запасы подвижного фосфора и влажность в КОС. Очень слабым оказалось влияние гумуса и его запасов, а также запасов обменных оснований (Рис. 3 (а), ряд 1).

Среди климатических показателей высокое влияние на продуктивность имеют осадки за год, отрицательные температуры, сумма температур выше +10⁰С, ГТК территории (КЭПИ = 0,357-0,303). Осадки за вегетацию, относительная влажность воздуха и вегетационный период оказывают повышенное влияние на продуктивность (КЭПИ=0,255 - 0,221). Низкое влияние (КЭПИ = 0,119-0,100) оказывают: безморозный период и среднегодовая температура (Рис. 3 (б), ряд 1).

На основании полученных условных распределений были выявлены ранги про-дуктивности наиболее характерные для каждого ранга факторов. Они свидетельствуют о том, что продуктивность псевдотсуги находится в прямой зависимости практически от всех почвенно-климатических показателей кроме абсолютного минимума температур и плотности сложения почвы, имеющих обратную зависимость.

Полученные данные позволяют описать следующую модель оптимального роста. Псевдотсуга будет успешно расти на бурых лесных, дерново-подзолистых, светло-серых и темно-серых лесных почвах, оподзоленных и выщелоченных черноземах супесчаного, легко,- среднесуглинистого гранулометрического состава с мощностью горизонта А не менее 15-25 см. Она выносит сильнокислую и кислую реакцию в профиле (рН_КСl 4,0-4,5), а, возможно, и способствует ее созданию. Степень насыщенности основаниями почвы должна быть в пределах 50-70%, при ее увеличении сверх 70% снижается продуктивность. Образует продуктивные насаждения при содержании обменных оснований в горизонтах А+АВ (В) в пределах 3-10 ммоля/100 г почвы. Требовательна к запасам обменного калия в КОС почвы (> 2000 кг/га), к запасам подвижного фосфора менее требовательна (1000-2000 кг/га в КОС). Предпочитает плотность сложения в гор. А менее 1,0 г/см³ с порозностью в гумусовых горизонтах А+АВ (В) - > 55%. Содержание гумуса в пределах 3-5% в гор. А и его запасами 100-200 т/га в слое 0-100 см является достаточным для успешного роста. Что касается степени влагообеспеченности, то оптимальная величина полевой влажности в КОС лежит в пределах 15-25%, т. е. эта порода предпочитает в основном свежие и умеренно влажные условия местообитания.

Певдотсуга покзывает высокую продуктивность при годовом количестве осадков, не менее 600-700 мм, при 300-500 мм - за вегетацию, при ГТК > 1,5, относительной влажности воздуха > 60% за вегетационный период и при сумме температур выше +10^О C >2500. Перечисленные показатели позволяют рекомендовать псевдотсугу Мензиса в лесные культуры Калининградской, Московской, Тульской, Липецкой, Рязанской, Смоленской, Брянской, Тверской, Калужской, Орловской, Курской, северной части Воронежской, Тамбовской, Пензенской областей [Калуцкий и др.,1982]. Уравнение логической функции, описывающей влияние экологических факторов на продуктивность насаждений псевдотсуги Мензиса будет иметь следующий вид: А= (b_4Vg₅)v(n_xy)_x(k₃xr)))).

Взятая для сравнения в качестве экологически замещаемой породы ель обыкновенная в местах интродукции псевдотсуги также растет на уровне I-Ia класса на бурых лесных, дерново-подзолистых, светло-серых лесных почвах, выщелоченных черноземах, а также на песчаных слабогумусированных почвах. Средний прирост по запасу, колеблется в исследуемых насаждениях от 3,2 до 10,8 м³/га.

Ель имеет несколько иную зависимость продуктивности от экологических факторов. Среди свойств почв (Рис. 3 (а), ряд 2) повышенное влияние на продуктивность оказывают запасы обменного калия в А+АВ(В) и подвижного фосфора в КОС, обменные катионы в профиле, степень насыщенности основаниями в гор. А, гумус в гор. А+ АВ (В) и содержание физической глины в КОС (КЭПИ=0,265-0,219).

а

б

Рис. 3. Влияние почвенных (а) и климатических (б) показателей на продуктивность псевдотсуги (ряд 1) и ели обыкновенной (ряд 2). (Условные обозначения к рис. 3-6 даны на стр. 7)

Среди климатических факторов (Рис. 3 (б), ряд 2) высокую степень влияния на продуктивность ели имеет среднегодовая температура. Осадки за вегетацию, ГТК, осадки за год и абсолютный максимум температуры - повышенное влияние. Все остальные - в основном среднюю степень влияния. Уравнение логической функции для ели выглядит так: А=uV(ox (k₂xl₃)x(oxb₃xf₂))).

Следует отметить, что различия в сочетании почвенных и климатических пока-зателей, влияющих на продуктивность сравниваемых древесных пород, обусловлены их биологическими особенностями, что, вероятно, объясняет более высокую продуктивность псевдотсуги Мензиса по сравнению с елью обыкновенной в аналогичных условиях местопроизрастания.

Сосна веймутовая (Pinus strobus). Проведенный расчет средневзвешенных значений почвенных показателей свидетельствует о вариабельности почвенных признаков как под сосной веймутовой так и под сосной обыкновенной и по большинству показателей они близки между собой.

В местах ее произрастания запас древесины колеблется в пределах 173-1199 м³/га в зависимости от возраста насаждений (22-100 лет) и типов местообитаний. Средний прирост по запасу, в исследуемых насаждениях от 6,1 до 18,9 м³/га, разделили на ранги: <10, 10-15 и >15. Анализ зависимости продуктивности насаждений сосны веймутовой от почвенных и климатических факторов провели анaлогично ранее описанной породе. Результаты показали, что повышенное влияние на продуктивность сосны веймутовой оказывает степень насыщенности основаниями и влажность почвы в пределах КОС (КЭПИ = 0,265-0,209). Среднюю степень связи с продуктивностью имеют: гранулометрический состав, обменные катионы, плотность сложения в КОС, запасы подвижного фосфора в слое 0-100 см (КЭПИ=0,173-0,155), низкую - рН_КСI, запасы обменного калия и пороз ность в гор. А, а также содержание гумуса в почвенном профиле.

Слабым оказалось влияние мощности почв, а также запасов гумуса (Рис. 4 (а), ряд 1).

Среди климатических показателей (Рис. 4 (б), ряд 1) очень высокую степень связи с продуктивностью обнаруживают относительная влажность воздуха (КЭПИ = 0,418), высокую - годовая сумма осадков (КЭПИ=0.388), среднегодовая температура, продолжительность безморозного периода, осадки за вегетационный период и абсолютный минимум температур оказывают повышенное влияние (КЭПИ = 0,236-0,288). Средним было влияние ГТК, продолжительности вегетационного периода и абсолютного максимума температур (КЭПИ = 0,163-0,193). Слабую степень связи с продуктивностью имеет сумма активных температур.

Исходя из этого, можно спрогнозировать экологические условия для оптимального роста сосны веймутовой. Она успешно будет расти на уровне Ia бонитета в условиях с суммой активных температур более + 10⁰ > 2500⁰C, с годовой суммой осадков в пределах 550-655 мм при относительной влажности воздуха не ниже 70%. Благоприятный для ее роста ГТК должен превышать 1.4. Вегетационный период в местах ее произрастания должен быть не менее 157 дней, а безморозный период - 165 дней. Наивысшая продуктивность достигается, если зимняя температура не опускается ниже -35⁰С, а летняя не превышает + 37⁰С. Среднегодовая температура не должна быть <+7⁰С.

Что касается почвенных условий, то она хорошо растет на глубоких хорошо развитых почах супесчаного, легко,- среднесуглинистого гранулометрического состава при полевой влажности > 10-16% от веса почвы, что не противоречит литературным данным [Иванов и др.,1975; Эйзенрейх,1959]. Выдерживает повышенную плотность сложения в корнеобитаемом слое на уровне 1,25-1,40 г/см³, что позволяет корневой системе проникать глубже 150 см.. Достаточно плодородными могут считаться почвы со средневзвешенным содержанием гумуса в их профиле >1-2%, при наличии запасов фосфора в пределах 300-1000 кг/га в слое 0-100 см и 100-500 кг/га калия в гумусовом горизонте А и обменных оснований в КОС не менее 10 ммоль /100 г. Сосна веймутовая выдерживает сильнокислую реакцию почв рН_КСI? 4.5 в горизонте А, при степени насыщенности основаниями в КОС < 60%. Общая порозность в горизонте А не должна быть менее 60%. Выявленные экологические показатели позволяют составить уравнение логической функции сосны веймутовой: А=pV(nx(ux(i₃xt))).

Приведенная модель почвенно-климатических показателей позволяет рекомендовать сосну веймутовую в лесные культуры на территории следующих областей РФ: Калининградской, Псковской, Новгородской, Брянской, Калужской, Тульской, Рязанской, Московской, Тверской, Смоленской, Владимирской, Нижегородской, Курской, Орловской, Липецкой, Тамбовской, Белгородской, севера Воронежской, Пензенской, Ивановской и республики Марий Эл.

Сосна обыкновенная в аналогичных условиях имеет средний прирост по запасу, от 3,3 до 10,7 м³/га, т.е. намного ниже, чем у сосны веймутовой. Она имеет почти такую же модель почвенных условий (Рис. 4 (а), ряд 2) как и сосна веймутовая, но диапазон ее наилучшего роста смещается в сторону более легких по гранулометрическому составу почв - супесчаных-легкосуглинистых.

На нее, как экологически замещаемую породу, повышенное влияние оказывает обменный калий в горизонтах А+ АВ (В) с запасами до 500 кг/га и порозность в метровой толще в пределах 45-50%. Остальные показатели имеют слабое влияние, т.е. сосна обыкновенная довольствуется низким уровнем почвенного плодородия, что и наблюдается в природе.

Что касается климатических показателей (Рис. 4 (б), ряд 2), то также как и у сосны

а)

б)

Рис. 4. Влияние почвенных (а) и климатических (б) показателей на продуктивность сосны веймутовой (ряд 1) и сосны обыкновенной (ряд 2).

веймутовой повышенное влияние на ее продуктивность оказывает относительная влажность воздуха с той лишь разницей, что сосна обыкновенная лучше растет в интервале средних (60-70%), а сосна веймутовая - при максимальных (70%) ее показателях. Кроме того, сосна обыкновенная менее требовательна к остальным климатическим показателям в их количественном отношении. Уравнение логической функции для сосны обыкновенной имеет такое выражение А=(k₂xp)x(d₄x(yxh₃)))

Сосна Муррея (Pinus Мurrayana). Ее искусственный ареал оптимальной лесоводственной культуры занимает весь северо-запад и центр нечерноземной зоны России, прибалтийские страны [Калуцкий и др, 1982;], Беларусь [Биология древесных растений, 1975]. Ее культуры произрастают в различных условиях ЦЧО. Средний прирост сосны Муррея по запасу, колеблется в исследуемых насаждениях от 3,3 до 10,0 м³/га.

Проведенный анализ зависимости продуктивности насаждений сосны Муррея от почвенных факторов (Рис. 5 (а), ряд 1) показал очень высокое влияние мощности и порозности гумусового горизонта А/АЕ (КЭПИ = 0,420-0,453), высокое - рН в КОС, запасы подвижного фосфора в горизонте А/АЕ+В и обменного калия в КОС, а также содержание гумуса в профиле (КЭПИ = 0,304-0,373). Повышенную степень влияния имеют: плотность сложения и обменные катионы в КОС, а также степень насыщенности основаниями в метровой толще (КЭПИ = 0,230-0,214). Слабым было влияние гранулометрического состава в профиле и запасов гумуса.

Среди климатических показателей (Рис. 5 (б), ряд 1) очень высокое влияние на продуктивность оказывает относительная влажность воздуха (КЭПИ = 0,410), высокое - максимум температур (КЭПИ = 0,313). Сумма активных температур, ГТК, осадки за вегетацию имеют повышенное влияние (КЭПИ = 0,276-0,237). Абсолютный минимум температур, безморозный период, осадки за год имеют среднюю степень связи (КЭПИ = 0,178-0,193), осадки за год - низкую (КЭПИ= 0,141), а вегетационный период и средняя годовая температура - слабую.

По нашим данным сосна Муррея будет хорошо расти на сильнокислых и кислых почвах (рН_КСI 4.2-5,0), с содержанием обменных оснований > 10-20 ммоль /100 г. при степени насыщенности основаниями менее 70%. Эта порода может успешно расти на бедных по содержанию гумуса почвах - 1,3%, при низких его запасах в слое 0-100 см (190 т/га). Мощность гумусовых горизонтов А/АЕ может быть в пределах 11-20 см. Достаточными запасами подвижного фосфора в гор. А/АЕ можно считать 100-500 кг/га, а обменного калия в КОС - более 100 кг/га. Уравнение логической функции будет таким: А=a₁V(d₁xp)x(g₃x(l₂xzxk₃)))).

Сосну Муррея следует рекомендовать в лесные культуры Карелии, Калининградской, Ленинградской, Вологодской, Новгородской, Псковской, Тверской, Московской, Ивановской, Смоленской, Брянской, Калужской, Нижегородской областей, южной половины Коми АО, Ярославской, Владимирской, Костромской, Кировской, юга Архангельской и западной части Пермской областей, а также севера Удмуртии. Вместе с этим, следует отметить, что ее культуры растут по Ia бонитету на темно-серых лесных почвах, сформировавшихся на склонах крутизной 5-10^О в условиях Моховского лесничества Орловской области и в дендрарии ЛОСС.

а)б)

Рис. 5. Влияние почвенных (а) и климатических (б) показателей на продуктивность сосны Муррея (ряд 1) и сосны обыкновенной (ряд 2)

В качестве экологически замещаемой породы в районах ее произрастания также является сосна обыкновенная, средний прирост которой по запасу, колеблется от 4,5 до 10,5 м³/га. Сосна обыкновенная в районах произрастания сосны Муррея показывает такую же продуктивность. Однако сочетание почвенных показателей другое (Рис 5 (а), ряд 2). Среди них ведущими являются: гумус в профиле (> 1,0% ), рН в гор. А+АВ (В) - (< 4,1; 4,1-4,5) и плотность сложения в гор. А ( < 1,0 г). Среди климатических (рис. 5 (б), ряд 2) - ведущими являются: ГТК (1,1-1,3 и < 1,1), вегетационный период (135-150 и более дней) и осадки за вегетацию в пределах 300-350 мм. Уравнение логической функции имеет вид: А=f₅V(qx(g₂xs)x(oxc₁)

Дуб северный (Quercus borealis Michx.) Средний прирост по запасу, варьировал в исследуемых насаждениях от 4,5 до 10,2 м³/га.

Анализ зависимости продуктивности насаждений дуба северного от почвенных факторов (Рис. 6 (а), ряд 1) показал, что высокое влияние оказывают рН в КОС и степень насыщенности основаниями в гор. А+АВ (В) (КЭПИ=0,337-0,309). Повышенную степень связи имеют: обменные катионы в гор. А+АВ (В), плотность сложения в профиле, мощность горизонтов А+АВ (В), запасы подвижного фосфора в гор. А+АВ (В) и общая порозность в КОС (КЭПИ=0,282-0,206). Среднюю степень влияния на продуктивность оказывает содержание гумуса в гумусовых горизонтах и содержание физической глины. Слабым оказалось влияние запасов обменного калия.

Среди климатических показателей (Рис. 6 (б), ряд 1) наивысшую степень связи с продуктивностью обнаруживают: ГТК, осадки за вегетацию, относительная влажность воздуха и сумма активных температур (КЭПИ = 0,608- 0,530), высокую - осадки за год и за вегетационный период и абсолютный минимум температур (КЭПИ = 0,354-0,306). Безморозный период и абсолютный максимум температур оказывают повышенное влияние на продуктивность (КЭПИ = 0,223-0,202). Годовая температура имеет среднюю степень влияния на продуктивность дуба северного (КЭПИ = 0,176). Полученные данные позволяет составить модель почвенно-климатических условий, обеспечивающих его рост на уровне I-Ia бонитета

Дуб северный будет успешно расти на бурых лесных, дерново-подзолистых, темно-серых лесных, выщелоченных черноземах легко,-среднесуглинистого гранулометрического состава в КОС с мощностью горизонтов А+АВ (В) > 75 см. Для него наиболее благоприятными являются рыхлые (dv = <1,0 г/см3 в гор. А, с порозностью более 50% в КОС) почвы с содержанием гумуса в КОС более 1,0% при наличии запасов подвижного калия в горизонтах А+АВ (В) более 1000 кг/га, фосфора - менее 100 кг/га и обменных оснований в пределах 5-10 ммоль/100 г почвы. Степень насыщенности основаниями должна быть в пределах 40-60%. Дуб северный выдерживает сильнокислую реакцию почв - рН_КСl 4,0-4,5 в КОС. Это не противоречит данным Эйзенрейха (1959), который указывает, что дуб северный способен расти даже на кислых кварцевых порфиритах и Ф. Н. Харитоновича [1975], который отмечает, что дуб северный более устойчив к повышенной кислотности, чем дуб черешчатый.

Оптимальные климатические условия для успешного роста дуба северного на уровне

Iа бонитета должны быть следующими. Он хорошо растет в условиях с суммой температур более +10⁰ > 2475 ⁰C, с годовой суммой осадков 600-700 мм, а за вегетацию - 350-500 мм, при относительной влажности воздуха > 73%. Благоприятный для успешного роста ГТК должен быть не менее 1,3. Вегетациионый период в местах его произрастания должен быть > 160 дней, а безморозный период - > 157 дней. Наивысшая продуктивность достигается, если зимняя температура не опускается ниже -35⁰С, а летняя не превышает +36⁰С. Среднегодовая температура не должна быть ниже +6⁰С. По совокупности почвенно-климатических показателей составлено уравнение логической функции: А=(qxo)x(pxr)x(nx (g₃xs).

Анализ лесорастительных условий позволяет установить довольно ограниченный специфический искусственный ареал, в пределах которого культуры дуба северного оказываются в определенных почвенных условиях, значительно более продуктивными, чем культуры дуба черешчатого. Исходя из этого, лесные промышленные культуры в РФ рекомендуются в Калининградской и Брянской областях. Ареал озеленительной его культуры, где он в полной мере проявляет преимущества в декоративности и газоустойчивости перед дубом черешчатым занимает кроме вышеперечисленных областей еще Смоленскую, Калужскую, Тульскую, Московскую, Липецкую, Тамбовскую, Курскую, Орловскую, северную часть Воронежской областей.

Дуб черешчатый (Quercus robur), произрастающий в аналогичных условиях (Рис 6 (а) и (б), ряд 2), имеет несколько другие зависимости от почвенных и климатических условий. Средний прирост по запасу, в этих насаждениях составляет от 3,7 до 10,8 м³/га. Исследования показали, что дуб черешчатый в местах произрастания дуба северного на светло-серых лесных, дерново-подзолистых супесчаных, слабогумусированных песках и выщелоченных черноземах растет лишь на уровне II-III бонитета, а на уровне I-Ia бонитета он растет на бурых лесных почвах в северо-западной и юго-западной частях Русской равнины.

В этих условиях модель лесорастительных условий имеет другие почвенно-климатические показатели, чем у дуба северного. Для дуба черешчатого уравнение логической функции имеет вид:

А=i₂V(e₃xu)x(txn)x(px(ox(sxb₂))).

а) б)

Рис. 6. Влияние почвенных (а) и климатических (б) показателей на продуктивность дуба северного (ряд 1) и дуба черешчатого (ряд 2).

Прогнозирование продуктивности древесных пород

Для прогнозирования прироста различных древесных пород и продуктивности насаждений в целом в зависимости от почвенно-климатической ситуации конкретной территории нами использовалась методика нечеткого моделирования [Леденева, 2006], согласно которой зависимость значений выходной переменной (в данном случае величина прироста) от набора входных переменных формализуется с помощью понятия нечеткой системы. Нечеткая система представляет собой модель, для построения которой используется аппарат нечетких множеств и нечеткая логика.

Специфика задачи, решаемой нечеткой системой, в значительной степени определяется базой правил и лингвистическим представлением входных и выходной переменных. Для построения нечеткой системы, осуществляющей прогнозирование продуктивности древесных пород, использовался модуль Fuzzy Logic Toolbox пакета MatLab.

Был проведен анализ, в рамках которого для каждой породы рассчитывались коэффициенты эффективности передачи информации (КЭПИ), позволяющие установить степень влияния каждого почвенно-климатического показателя на величину прироста.

Данный подход позволил упорядочить почвенно-климатические показатели по степени важности для повышения прироста (и в целом продуктивности) интродуцентов и для каждой породы сформировать индивидуальный перечень показателей, которые в дальнейшем рассматривались в качестве входных переменных нечеткой системы.

На основе данных диссертационного исследования были сформированы базы правил для интродуцированных (и местных) древесных пород, позволяющие по конкретным значениям почвенно-климатических показателей прогнозировать объем прироста насаждений, а также определять значения этих показателей, при которых ожидается высокий, средний или низкий объем прироста конкретной породы.

Задав конкретные значения показателей можно определить объем прироста. Последний был получен для всех рассматриваемых в исследовании интродуцированных древесных пород. Это позволило на основе почвенно-климатических показателей исследуемой территории сравнить величину прироста (рис. 7) и сделать выводы относительно целесообразности выращивания интродуцентов в данном районе.

Рис. 7 - Гистограмма величины годового прироста интродуцентов на примере Калининградской области

3 РАСТИТЕЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА И ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД АЗОТОМ, ФОСФОРОМ, КАЛИЕМ ПРИ РАЗНЫХ УРОВНЯХ ПРОДУКТИВНОСТИ

Mетод растительной (хвое-листовой) диагностики успешно использовался при выращивании посадочного материала, при оценке и контроле за ходом роста географических культур, при внесении удобрений под лесные культуры, при оценке продуктивности древесных пород [Журбицкий, 1963; Лавриченко, 1968; Шумаков и др.,1970, 1977; Тимакова,1970; Смольянинов, 1970; Костылева, 1973; Шлейнис, Рагуотис, 1976; Победов, 1977; Стебакова, Белобородов, 1987; Wittich, 1958; Wehrmann, 1959, 1963; Morrison, 1974].

Первоначально в своей работе мы установили сроки отбора образцов, характе-ризующихся наиболее стабильным содержанием основных питательных веществ в хвое (листьях) 45-47-летних интродуцированных и местных древесных пород в ЛОСС. По нашим данным оптимальным периодом является конец августа (лиственные) - сентябрь-ноябрь (хвойные). В последующем во время экспедиционных исследований мы придерживались этих сроков отбора образцов хвои (листьев).

Для ряда местных древесных пород (сосны и ели), получены так называемые «предельные числа» достаточности или недостаточности содержания азота, фосфора и калия в хвое. Однако для большинства интродуцентов, за исключением видов пихты [Александрович, Беляев, Болотов, 1976], таких данных нет. Исследования показали, что пределами, обеспечивающими высокую продуктивность псевдотсуги Мензиса на уровне I-Ia класса бонитета является содержание в хвое текущего года: азота 1,40 - 1,80%, фосфора -0,20-0,30 и калия - 0,60-0,92%, но они не дают четких придержек для различных классов роста. Более показательной оценкой, является соотношение элементов в хвое. Рассчитанные нами величины показывают определенную закономерность их в зависимости от уровня роста (табл. 7). Так, для самого высокого Ia класса бонитета псевдотсуги соотношение N:P:K составляет 61,3:9,5:29,7, что близко для имеющихся данных по ели обыкновенной [Лавриченко, 1968], которую мы приняли в качестве эталонной породы.

Для I класса это соотношение составляет 55,4: 16,2:28,4 и для II класса - 53,6:13,6: 32,8.

Из этого следует, что с ухудшением роста ослабляется накопление азота в хвое и увеличивается содержание фосфора и калия. То есть, если отношение 61,3:9,5:29,7 принять как некое «видовое генотипическое отношение», то всякое отклонение от него будет свидетельствовать о несбалансированности питания и будет сказываться на ухудшении роста.

Таблица 7

Соотношение N : Р : К в хвое (листьях) зависимости от классов бонитетов древесных пород

Примечание: *) экологозамещаемые древесные породы.

У сосны веймутовой пределами, обеспечивающими высокую продуктивность на уровне Ia класса бонитета, являются величины: по азоту > 1.90% (М= 1.8 ±0.09; V=10%; n= 18), по фосфору < 0.37% (M= 0.4± 0.04; V = 22.2; n= 18) и по калию - 0.6-0.7% (M = 0.66± 0.5; V = 15.8; n = 18). Для первого класса бонитета соответственно: 1.70-1.90% N, 0.37-0.45% P₂0₅ и > 0.70% K₂0. Рассчитанное соотношение элементов в хвое показывает, что для самого высокого Ia класса бонитета соотношение N:Р:К составляет 64.2:12.6:23.2, что несколько меньше по азоту и калию и больше по фосфору, чем у сосны обыкновенной (65,4 : 10.4 : 24,3), которую условно можно принять в качестве эталонной породы в тех же условиях. Для I класса бонитета это соотношение составляет у сосны веймутовой 61,8:13,7:24,5, для II класса - 61,6:16,7:21,7, т.е. с повышением содержания калия и фосфора в почве происходит нарушение равновесия между элементами-биофилами, что приводит к ухудшению ее роста. Таким образом, отношение 64,2:12,6:23,2 можно принять в качестве «видового генотипического отношения» для Ia класса бонитета сосны веймутовой.

Аналогичный анализ был проведен и по зависимости роста культур сосны Муррея от содержания элементов питания. В качестве эталонной породы также была взята сосна обыкновенная в тех же условиях. Проведенная оценка продуктивности насаждений сосны Муррея в зависимости от условий почвенного плодородия методом листового анализа показала, что пределами, обеспечивающими высокую продуктивность на уровне Ia класса бонитета являются величины: по азоту - 1.91%, по фосфору - 0.27% и по калию- 0.62%. Для I - соответственно: 1.51%-0.28%-0.53%, для II - 1.39%-0.28%-0.61%, т. е. с уменьшением класса бонитета уменьшается накопление в однолетней хвое азота, исходя из чего можно говорить о преобладающей его роли в питании сосны Муррея. Коэффициенты соотношения элементов N:P:K в хвое составляют: для Ia бонитета 64,9:10,8:24,3, для I - 64,3:12,5:23,2, для II - 61.1:12.4:26.5, т.е. с уменьшением содержания азота в хвое возрастает количество фосфора и калия, что приводит к ухудшению роста сосны Муррея. У сосны обыкновенной, в тех же условиях местопроизрастания отмечается аналогичная закономерность (Ia - 66,2:13,9:19,9; I - 63,7:11,3:25,0; II - 58,4:15,7:25,9).