Повышение качественной продуктивности насаждений на лесоводственной основе

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ НАСАЖДЕНИЙ НА ЛЕСОВОДСТВЕННОЙ ОСНОВЕ

06.03.01 - Лесные культуры, селекция, семеноводство

06.03.03 - Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Корчагов Сергей Анатольевич

Архангельск - 2009

Работа выполнена на кафедре лесного хозяйства ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия»

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Мерзленко Михаил Дмитриевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Чернов Николай Николаевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Пахучий Владимир Васильевич

Ведущая организация: Архангельский НЦ УрО РАН ГУ «Институт экологических проблем Севера».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета

Ученый секретарь

диссертационного совета Тутыгин Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производство лесной продукции занимает в структуре экономики России одно из ведущих мест по объемам внутреннего валового продукта и экспорта. Весомой составляющей конкурентоспособности лесопродукции является ее высокое качество. Качество российских лесоматериалов, поставляемых на экспорт, уступает нашим зарубежным конкурентам (Писаренко, Страхов, 2004), что существенно снижает возможности государства в получении максимального дохода от их производства. Отсутствие стабильного качества, соответствующего требованиям потребителей, не позволяет рационально интегрировать национальную экономику в мировое пространство и занять в нем достойное место. Особенно остро проблема качества встает в свете предстоящего вступления России в члены Всемирной Торговой Организации. Процессы интеграции в современных условиях развития мирового сообщества объективно необратимы, поэтому внедрение современной концепции управления качеством лесопродукции должно носить приоритетный характер. древесина природный качество

В России отсутствует научно-обоснованная система управления качеством и контроля качества древесного сырья в процессе его воспроизводства. Качество древесины оценивается преимущественно на этапе лесосечных работ и первичной переработки, где лесоматериалы классифицируются по внешним признакам в соответствии с нормами национальных стандартов. Определение качества выращиваемой древесины ассоциируется с изучением товарной структуры древостоев. Такой подход основан на разделении запаса по назначению, категориям крупности и сортам, преимущественно с использованием товарно-сортиментных таблиц, что не позволяет в полной мере оценивать качественное состояние формирующейся древесины. Назрела острая необходимость разработки системы формирования и оценки качества древесного сырья в процессе лесовыращивания. Без этого в строгом смысле нельзя говорить о целевом лесовыращивании. В этом случае правомерно применение понятия «качественной продуктивности» деревьев и древостоев в целом (Чибисов, 1992).

Богатый лесоводственный опыт, с достаточной широтой охватывающий вопросы повышения древесной продуктивности насаждений, положен в основу принимаемых управленческих решений в сфере воспроизводства древесных ресурсов. Проблема повышения качественной продуктивности насаждений остается открытой. Ее своевременное, научно-обоснованное решение позволит обеспечить потребителей древесиной высокого квалитетного уровня и гарантировать эффективность производства лесопромышленного комплекса.

Цель и задачи исследований. Цель - решение проблемы повышения качественной продуктивности насаждений на лесоводственной основе в условиях таежной зоны Европейской части России.

Для достижения поставленной цели решались задачи:

- оценка природных факторов в районе проведения исследований, определение их роли в формировании древесины;

- анализ научно-производственного опыта в оценке качества древесины при лесовыращивании;

- научное обоснование методологических подходов к проведению комплексной оценки качества выращиваемой древесины;

- определение качественной продуктивности насаждений на лесоводственной основе;

- разработка практических рекомендаций по повышению качественной продуктивности насаждений с учетом лесоводственных факторов.

Научная новизна. В результате авторского научного поиска впервые оценены историческая важность и необходимость, накопленный опыт и масштабы исследований свойств древесины в процессе лесовыращивания, выявлена роль наследственных, природных и антропогенных факторов в ее формировании.

С учетом современных требований, предъявляемых потребителями к хвойному древесному сырью для лесопильного и целлюлозно-бумажного производства, обоснована актуальная номенклатура показателей качества древесины пиловочных бревен и балансов, дана их классификация и определена степень весомости. Предложены методика комплексной оценки качества древесины в процессе лесовыращивания и критерии оценки качественной продуктивности насаждений на основе комплексного показателя. Рассчитаны комплексные показатели качества древесины и определена качественная продуктивность насаждений с учетом лесоводственных факторов.

Для древесины сосны и ели в культурфитоценозах таежной зоны северной части Русской равнины определены показатели макростроения, плотности, прочности, параметры сучковатости и формы стволов, установлены функциональные зависимости между качественными характеристиками. На основе генетико-статистического анализа определена степень наследуемости показателей качества древесины в потомстве. Для культур сосны составлены товарно-сортиментные таблицы древостоев на лесотипологической основе, установлен возраст технической спелости леса по целевому диаметру балансов.

Впервые предложено и обосновано понятие «балансовая продуктивность» насаждений, разработана методика ее расчета на основе экономико-квалиметрического анализа. Определен потенциальный запас сульфатной целлюлозы на единице площади лесных культур с учетом разнообразия приемов лесовыращивания.

Основываясь на результатах авторских исследований, разработаны практические рекомендации по повышению качественной продуктивности насаждений с учетом лесоводственных факторов.

Практическая значимость работы. Предложенная классификация показателей качества древесины в рамках логически обоснованной номенклатуры позволяет объективно судить о степени их значимости (весомости) при качественной оценке хвойных пиловочных бревен и балансов. Расчет комплексного показателя на основе предложенных методических подходов дает возможность оценивать качественную продуктивность насаждений в онтоценогенезе и своевременно принимать управленческие решения по повышению качественной продуктивности насаждений.

Использование предложенного экономико-квалиметрического подхода при оценке выращиваемого древесного сырья позволяет определять балансовую продуктивность насаждений. Произведенные расчеты балансовой продуктивности насаждений показывают потенциальный выход сульфатной целлюлозы с единицы лесной площади.

Определение физико-механических свойств древесины сосны и ели, культивируемых в условиях таежной зоны Европейской части России, позволяет внести дополнения в таблицы стандартных справочных данных (РТМ, 1962; ГСССД 69-84). Установленные математические зависимости между показателями качества дают возможность технически упростить процедуру качественной оценки древесины, что является особенно значимым при учете больших объемов древесного сырья.

Применение разработанных товарно-сортиментных таблиц позволяет оценивать выход сортиментов при таксации культур сосны с учетом лесорастительных условий.

Использование при разработке и внедрении программ целевого выращивания древесины научно-обоснованных практических рекомендаций позволит повысить качественную продуктивность насаждений.

Предмет защиты. На защиту выносятся результаты по научному обоснованию системы оценки качества древесины в процессе лесовыращивания и практические рекомендации по повышению качественной продуктивности насаждений сосны и ели с учетом лесоводственных приемов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований представлены на Всероссийских научно-технических конференциях (г. Архангельск, 1999-2001 г.г., г. Вологда, 2002-2008 г.г., г. Брянск, 2006 г., г. Москва, 2009 г.), международных конференциях (г. Сыктывкар, 1998 г., г. Петрозаводск, 2000 г., г. Красноярск, 2003 г., г. Йошкар-Ола, 2005 г., г. Вологда, 2008 г.). Материалы исследований отражены в 40 публикациях, в том числе в 2 монографиях, учебном пособии, одобренном УМО по образованию в области лесного дела, 9 статьях в реферируемых журналах по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 541 наименования, в том числе 43 иностранных источника, приложений. Работа изложена на 343 страницах, содержит 139 таблиц и 31 рисунок.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КАЧЕСТВА ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ЛЕСОВЫРАЩИВАНИИ

История зарождения и развития исследований качества выращиваемой древесины в нашей стране связана с именами В.В. Петрова, А.Е. Теплоухова, А.В. Гадолина, Н.М. Бурого, Н.А. Филиппова, В.А. Петровского, И.А. Яхонтова, А.И. Кондратьева, Н.И. Абрамова, А.И. Терлецкого, А.Н. Шатерниковой, А.И. Калниньш, А.Г. Третьякова, Т.П. Хухрянской, А.Б. Жукова, Б.Д. Жилкина, М.И. Сахарова, П.Г. Кроткевич, И.С. Мелехова, Н.Л. Леонтьева, С.И. Ванина, Л.М. Перелыгина, А.А. Яценко-Хмелевского, О.И. Полубояринова, Р.Б. Федорова, В. Н. Крылова, Е.С. Чавчавадзе, В.И. Пчелина, В.Е. Вихрова, А.А. Солнцева, А.Т. Вакина, В.Д. Надуткина, В.С. Мирошникова, Н.И. Федорова, А.К. Петруша, Е.А. Пугач, Е.И. Савкова, Л.В. Коротяева, Б.Н. Уголева, А.П. Рябоконь, В.П. Рябчук, В.В. Шутова, В.К. Ширнина, А.А. Колесниковой, П.М. Мазуркина, Н.Е. Косиченко и многих других.

В условиях Европейского Севера исследования свойств древесины начаты в 1931 г. под руководством И.С. Мелехова. Первые результаты (Мелехов, 1932) показали, что в условиях Севера может произрастать сосна высокого качества и убедительно опровергли попытки некоторых зарубежных ученых «опорочить» северную древесину. Дальнейшие исследования, проведенные И.С. Мелеховым, Н.Е. Ивановой, Б.И. Иваненко, А.А. Качаловым, Ф.И. Копериным, Н.И. Стрекаловским, Т.А. Мелеховой, П.И. Войчалем, П.Н. Львовым, В.Д. Надуткиным, Г.А. Чибисовым, Н.С. Мининым, С.А. Москалевой, В.И. Мелеховым и другими, раскрывают роль различных факторов в формировании древесины.

Результаты исследований, проведенных в различных регионах страны (Малаха, 1939; Левченко, 1956; Степанов 1961; Патлай, 1965; Зайков, 1969; Родин, 1978; Полубояринов, Редько, 1977; Полубояринов, Алексеев, 1979; Полубояринов, Федоров, 1982; Ростовцев, 1980; Астратова, Пчелин, 1981; Рябоконь, Литаш, 1981; Вараксин, Исаева, Черепнин, 1982; Гриб, 1987; Мерзленко, 1987; Козлов, Матюшин, Макарова, 1987; Ломов, 1987; Агафонова, 1998; Антонов, 2000; Тарасова, Беньков, Милютин и др., 2002; Савва, Ваганов, Милютин, 2003; О.В. Пронина, 2008 и др.), в том числе, и в условиях Европейского Севера (Минин, 1982, 1984; Минин, Москалева, 1986; Нилов, Павлова, Стафеев, 1987; Минин, Крыжановская, 2001; Минин, 2005; Грибов, 2007; Антонов, 2007; Коновалов, 2007 и др.), позволяют судить о качестве древесины в культурфитоценозах.

Материалы феногенетического анализа являются свидетельством различной степени наследуемости свойств древесины в потомстве (Wettstein, 1898; Кернер, 1899; Schott, 1907; Cieslar, 1907; Hegi, 1908; Турский, 1912; Kienitz, 1922; Munch, 1925; Стачинский, 1927; Самофал, 1928; Филипченко, 1929; Larsen, 1937, 1956; Сукачев, 1938; Комаров, 1940; Тольский, 1950; Обновленский, 1951; Svoboda, 1955; Майр, Линеки, Юзингер, 1956; Терентьев, 1957; Rohmeder, Schonbach, 1959; Альбенский, 1959; Яблоков, 1962, 1965; Лукин, 1962; Правдин, 1964; Мамаев, 1972, 1974; Этверк, 1973; Воропанов, 1973; Загреев, 1978; Роне, 1980; Спурр, Барнесс, 1984 и др.). Исследованиями внутривидовых форм сосны и ели, отличающихся типом ветвления (Войчаль, 1955; Вишнякова, 1955; Картель, Маицевич, 1970; Фукарек, 1970; Маслаков, Голиков, Толстопятенко, 1980; Тарханов, Щекалев, 2004 и др.), морфологическими признаками шишек (Пчелин, 1958; Коренев, 2008 и др.), а также деревьев с различной скоростью роста (Перелыгин, 1953, 1956; Воропанов, 1973; Полубояринов, 1976 и др.), установлена взаимосвязь фенотипических признаков с качеством древесины.

Связь качества древесины, подмеченная северными крестьянами, находит отражение в трудах классиков отечественного лесоводства А.Е. Теплоухова (1850); Г.Ф. Морозова (1917), М.Е. Ткаченко (1926), В.Н. Сукачева (1934) и служит основанием для проведения научных исследований на лесотипологической основе. В трудах И.С. Мелехова (1934, 1949), А.А. Качалова, И.С. Мелехова (1936), Ф.И. Коперина (1955), В.Д. Надуткина (1955) указывается на повышение физико-механических свойств древесины сосны при улучшении лесорастительных условий. В тоже время результаты исследований Н.Е. Ивановой и Б.И. Иваненко (1934), Н.И. Стрекаловского (1949) и Ф.И. Коперина (1955) свидетельствуют об отсутствии достоверной связи лесорастительных условий с качеством древесины сосны и ели. Следует учитывать выводы для других регионов страны И.А. Яхонтова (1913), М.И. Сахарова (1936), А.И. Калниньша (1949), А.К. Петруша (1959) и др., указывающие на формирование древесины высокого качества в средних по производительности типах леса. Результаты исследований географической изменчивости качественных показателей древесины в условиях Севера (Мелехов, 1949; Коперин, 1955; Львов, 1971, 1980; Антонов, 2007; Коновалов, 2007), и в других регионах страны (Пугач, 1966; Федоров, 1981, 1983, 1986; Полубояринов, Федоров, 1982, 1990; Исаев, Черепнин, 1988; Полубояринов, Сорокин, Федоров, 2000 и др.), как правило, свидетельствуют об улучшении качества древесины при продвижении с севера на юг. Причинно-следственные связи лесорастительных условий с качеством древесины отражены в трудах Т.А. Мелеховой (1952, 1954).

Ретроспективный анализ исследовательских работ свидетельствует о различной степени влияния на формирование древесины минеральных удобрений (Следнев, 1971; Смирнов, Яценко-Хмелевский, 1974; Паршевников, Серый, Бахвалов, 1974; Казимиров, Куликова, Морозова, 1974; Паршевников, Серый, Хабарова, 1976; Бахвалов, 1978; Коржицкая, Матюшкина, 1980; Серый, 1980; Казимиров, Горбунова, 1986; Паршевников, Бахвалов, 1986; Гелес, Шубин, Коржицкая, 1986; Степаненко, 1993; Синькевич, Коржицкая, Синькевич; 1997), рубок ухода (Мелехов, 1960; Мелехова, 1961; Чибисов, 1968, 1992; Москалева, Чибисов, 1976; Москалева, Тисова, 1978; Савина, Журавлева, 1978; Полубояринов, Полончук, 1980; Чибисов, Поротов, Москалева, 1980, 1982; Синькевич, 1981; Москалева, Поротов, 1982; Минин, 1982; Чибисов, Москалева, 1984; Минин, Москалева, 1984; Москалева, Чибисов, Крыжановская, Белова, 1988; Москалева, Крыжановская, 1990; Москалева, Чибисов, 1999; Минин, Крыжановская, 2001, 2004 и др.) и их совместного применения (Москалева, Крыжановская, 1984; Минин, 1984; Чибисов, Москалева, Крыжановская, 1994; Е.С. Мельников, А.А. Смирнов, 2006; Кистерная, Аксененкова, 2007 и др.). Авторский поиск не позволил дать однозначного ответа на вопрос о влиянии рубок ухода, внесения удобрения и их совместного использования на качество древесины. Степень их проявления связана с естественной дифференциацией деревьев, видом и дозой вносимых удобрений, интенсивностью и сроком разреживания древостоев, типом лесорастительных условий и других факторов. Результаты исследований влияния рубок ухода, удобрений и их совместного использования на качество культивируемой сосны вошли в подготовленную в соавторстве монографию (Мелехов, Бабич, Корчагов, 2003).

Е.А. Кравцовым, Ю.В. Бестемянниковым (1969) отмечено снижение механических свойств древесины сосны в результате подсочки. Противоположные выводы сделаны Ю.С. Быченко (1935) и Ю.А. Фроловым (2001). Результаты наших исследований также свидетельствуют о некотором повышении физико-механических свойств древесины сосны в прикарровой зоне подсоченных деревьев. Кроме того, в диссертационной работе нами указывается на увеличение плотности и прочности древесины сосны послепожарного происхождения в зоне ствола, примыкающей к пожарной ране, что согласуется с результатами исследований И.С. Мелехова (1940, 1948) и Е.Г. Кривицких (1994).

Выполненный анализ позволяет заключить о богатой истории и значительных масштабах исследований качества древесины при лесовыращивании. Накопленный опыт, несомненно, должен быть положен в основу концепции выращивания насаждений высокой качественной продуктивности. Однако, некоторые противоречия в выводах, а также немногочисленность или отсутствие научных изысканий по вопросам влияния способа восстановления леса, приемов обработки почвы, метода создания культур, выбора древесных пород и их смешения при лесовыращивании и на качественную продуктивность насаждений, служат основанием для проведения специальных исследований.

2. МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЙ

Сложившаяся мировая тенденция в лесной промышленности в 80-х годах была ориентирована на производство пиловочника и балансов (Лосицкий, Чуенков, 1980). В настоящее время эти виды сортиментов продолжают занимать лидирующее место на рынке лесоматериалов, что предопределило их приоритетное рассмотрение при планировании эксперимента и выполнении исследований.

Анализ современных требований, основанный на изучении соответствующей справочно-нормативной литературы и материалах опроса представителей компаний - потребителей древесного сырья, позволил определить актуальную номенклатуру и степень весомости (значимости) показателей качества древесины хвойных пиловочных бревен (далее пиловочник) и балансов (табл. 1).

Таблица 1 - Номенклатура и коэффициенты весомости показателей качества древесины хвойных пиловочных бревен и балансов для производства сульфатной целлюлозы

№	Показатель качества	Коэффициенты весомости, аi,
		пиловочник	балансы
1	Размеры древесного сырья	0,083	0,051
2	Максимальный диаметр сучков, см	0,055	0,069
3	Число сучков на 1 п/м ствола, шт.	0,044	0,070
4	Длина бессучковой зоны, м	0,038	0,085
5	Плотность древесины, г/см3	0,047	0,125
6	Обугленность	-	0,165
7	Гнили	0,097	0,180
8	Кривизна	0,087	0,107
9	Рак	0,086	0,148
10	Трещины	0,075	-
11	Сбежистость	0,052	-
12	Закомелистость	0,052	-
13	Прорость	0,065	-
14	Червоточина	0,085	-
15	Сухобокость	0,074	-
16	Механические повреждения	0,060	-

Определение степени весомости базировалось на использовании метода рангов, предусматривающего ранжирование показателей качества с учетом их значимости. Ранжирование проводилось путем индивидуального анкетирования экспертов из числа ведущих специалистов по решаемой проблеме. В качестве экспертов привлечены 43 представителя из научно-исследовательских учреждений и высших учебных заведений лесного профиля, лесозаготовительных, деревообрабатывающих и целлюлозно-бумажных предприятий России, в том числе действительные члены «Реестра экспертов по древесине, лесоматериалам, конструкциям и изделиям из древесины, технологии лесозаготовок и деревообработки».

На основании результатов ранжирования k-м экспертом, рассчитывались коэффициенты весомости а каждого i -го показателя качества:

, (1)

где M_ik - номер i-й весомости показателя качества, определенный k-экспертом;

n - число учитываемых показателей качества.

Расчет параметров весомости показателей качества по данным всех участвующих в работе экспертов (N, чел.) производился как:

, (2)

Оценка согласованности мнений экспертов по степени весомости показателей произведена на основании расчета коэффициента конкордации (согласия):

, (3)

где С - сумма квадратов отклонений сумм рангов по каждому объекту от средней суммы рангов по всем объектам и экспертам;

К - количество привлеченных экспертов;

Н - количество ранжируемых показателей.

Коэффициенты конкордации составили 0,795 - по балансам и 0,623 - по пиловочным бревнам, что позволяет считать данные согласованными (щ ? 0,5) по существующей классификации (Мишин, 2007). Критерий Пирсона (ч²_расч.), оценивающий надежность коэффициента конкордации, составил соответственно 57,2 и 63,4, что превышает табличные значения (ч²_табл. составляют 17,0 и 30,5) и позволяет окончательно признать мнения экспертов согласованными с вероятностью 0,995.

Результаты экспертного ранжирования указывают на различия в степени весомости показателей качества древесины, что послужило основанием для их классификации (рис. 1). К числу основных (критических) отнесены показатели, наличие которых или их отклонение от стандартизированных норм, исключает возможность использования древесного сырья в качестве пиловочника и балансов. В группу дополнительных показателей включены характеристики древесины, роль которых при оценке качества менее значительна.

Наиболее весомым показателем качества пиловочника и балансов следует считать гниль. Важную роль для пиловочных бревен также будут иметь наличие кривизны стволов, для балансов - обугленности. Следует особо отметить существенную значимость плотности для балансовой древесины, что подчеркивает необходимость ее учета при качественной оценке и позволяет отнести к числу основных показателей. Этот факт, кроме высокого коэффициента весомости, убедительно характеризуют выполненные нами расчеты. Так для производства 1 т сульфатной целлюлозы из древесины сосны с базисной плотностью 400 кг/м³ требуется 5,2 м³ сырья, в то время как при плотности древесины 350 кг/м³ потребность достигает 6 м³. Для древесины ели при уменьшении плотности в указанных пределах потребность в сырье возрастает с 4,8 до 5,5 м³/т.

Наш опыт показывает, что определение отдельно взятых показателей качества из представленной номенклатуры не всегда позволяет объективно судить о качественном состоянии древесины в целом. Наиболее эффективным является метод комплексной оценки, применение которого дает возможность оценить качество древесины одним показателем с учетом представленных номенклатурных характеристик и их весомости.

Квалиметрия, как наука, рассматривает комплексную оценку, как метод определения уровня качества продукции или услуг, раскрывает методологические подходы к ее проведению. Применительно к древесному сырью метод комплексной оценки качества использован проф. О.И. Полубояриновым (1976). Основываясь на анализе ранее существующих требований лесоперерабатывающей промышленности, автор предлагает производить комплексную оценку качества пиловочных бревен и балансам по пяти универсальным показателям: средний диаметр древостоя, средняя протяженность бессучковой зоны, процент выхода здоровой (без гнили) древесины, процент прямоствольных деревьев, плотность древесины. Предложенный О.И. Полубояриновым подход, несомненно, заслуживает внимания, полученные автором выводы, учитывались нами при планировании и проведении эксперимента.

Комплексный показатель качества рассчитывался как средневзвешенный геометрический:

, (4)

где K_q - комплексный показатель качества;

K_i - величина i-того показателя;

K_баз. - величина базового показателя качества (в качестве базовых приняты оптимальные значения показателей из полученных в опыте, при наличии контрольных участков (секций) - значения показателей, полученные в ходе их исследования);

а_i - коэффициент весомости i-го показателя качества.

Отношение величины i-того (K_i) и базового показателя (K_баз.) представляет собой относительный показатель качества (К_отн.):

(5)

Сигнум-функция от ДК_i принималась:

sgn ДК_i = +1 при ДК_i = K_{i лучшее} - K_{i худшее} >0 (для позитивных показателей);

sgn ДК_i = -1 при ДК_i = K_{i лучшее} - K_{i худшее} < 0 (для негативных показателей).

На основании анализа полученных в ходе исследований значений комплексных показателей качества предложены следующие критерии оценки качественной продуктивности насаждений (табл. 2).

Таблица 2 - Критерии оценки качественной продуктивности насаждений на основе комплексного показателя качества древесины

Качественная продуктивность насаждения	Комплексный показатель качества, Kq.
Высокая	0,951-1,000
Средняя	0,851-0,950
Низкая	0,750-0,850

Процедура комплексной оценки выращиваемого древесного сырья включала определение основных и дополнительных показателей качества и предусматривала последовательно выполняемые операции по закладке и таксации пробных площадей, исследованию фенотипических показателей качества древесных стволов, отбору опытного материала и проведению испытаний древесины. Выполнение этих операций неразрывно связано с соблюдением положений национальных стандартов (рис. 2).

Теоретической основой при обследовании лесных культур служили рекомендации В.В. Огиевского, А.А. Хирова (1967), Е.Л. Маслакова, М.Ф. Мойко, И.А. Марковой и др. (1978), Н.П. Кобранова (1973), А.Р. Родина, М.Д. Мерзленко (1983), А.И. Александрова, И.И. Дроздова, С.Б. Васильева (2005). При закладке, таксации пробных площадей и расчетах таксационных показателей древостоев, наряду с требованиями стандартов, руководствовались общепринятыми положениями, изложенными М.С. Моисеевым (1970), Н.П. Анучиным (1977, 1982), Н.Н. Соколовым (1978), И.И. Гусевым (2000) и др., нормативно-справочными материалами (Полевой справочник таксатора, 1971; Лесотаксационный справочник…, 1986).



Рис. 2. Методологическая структура проведения комплексной оценки качества выращиваемого хвойного древесного сырья на стандартизированной основе

Изучение естественного возобновления на участках проводили с учетом положений «Инструкции по сохранению подроста…» (1984), ботанического состава живого напочвенного покрова - в соответствии с методическими указаниями Л.Е. Астрологовой, Г.Б. Гортинского (1980). Морфологическое описание почв выполняли с учетом ОСТ 56-81-84 и руководствами А.Л. Паршевникова (1974), Е.Н. Наквасиной, В.С. Серого, Б.А. Семенова (2007). Тип леса определен в соответствии с типологией В.Н. Сукачева.

Сортиментация древостоев выполнена на основании материалов фактической раскряжевки 20-26 модельных деревьев, отобранных вблизи пробной площади методом пропорционально-ступенчатого представительства. В качестве базовых приняты лесоматериалы для выработки пиломатериалов и заготовок общего назначения и производства сульфатной целлюлозы, требования к размерам и качеству которых изложены в ГОСТ 9463-88. На каждом модельном дереве учитывались пороки, замерялся диаметр у основания каждого открытого сучка. Класс товарности древостоев установлен по выходу деловой древесины от общего запаса, класс качества древесного сырья (хлыстов) определен на основании выхода деловой древесины для каждой ступени толщины с учетом классификации, изложенной в ТУ 13-0273685-408-92.

Методологической основой при отборе модельных деревьев, кряжей, изготовлении образцов (отборе кернов) и проведении испытаний древесины, наряду со стандартизированными методиками, служили труды А.И. Кондратьева, Н.Н. Абрамова (1934), А.Г. Третьякова (1934), Л.М. Перелыгина (1954, 1969), Б.Н. Уголева (1965, 2005, 2006, 2007), Н.Л. Леонтьева (1970), О.И. Полубояринова (1976), А.М. Боровикова, Б.Н. Уголева (1989), В.Н. Волынского (2000), А.А. Колесниковой (2000, 2002), П.М. Мазуркина, (2003). Образцы (керны) отбирались из числа средних для исследуемой породы деревьев с привязкой к высоте ствола 1,3 м, обязательным учетом сторон света и этапов формирования древесины. Научное обоснование принципа отбора модельных деревьев, кряжей и изготовления образцов (отбора кернов) рассмотрено в соответствующем разделе диссертационной работы.

В качестве показателя, характеризующего массу единицы объема древесины, использованы плотность при нормализованной влажности и базисная плотность. На образцах древесины, наряду с плотностью, определялись число годичных слоев в 1 см, средняя ширина годичных слоев и содержание поздней древесины в годичном слое (ГОСТ 16483.18-72), влажность в момент испытаний (ГОСТ 16483.7-85), предел прочности при сжатии вдоль волокон (ГОСТ 16483.10-85).

Применительно к практической лесохозяйственной деятельности будет достаточным на различных стадиях онтогенеза древостоя выполнять комплексную оценку качества древесины на основе указанных критических показателей. В качестве базовых следует принимать значения показателей для эталонных (контрольных) участков, при их отсутствии возможно использовать оптимальные значения, полученные в ходе наших исследований и отражеенные в соответствующем разделе диссертационной работы. На основе результатов оценки должно своевременно приниматься управленческое решение о необходимости проведения мероприятий, направленных на повышение уровня качественной продуктивности насаждений (например, рубок ухода, обрезки сучьев и т.д.).

Генетико-статистический анализ признаков древесины выполнен методом дисперсионного анализа с учетом основополагающих принципов лесной генетики (Петров, Драгавцев, 1969; Рокицкий, 1974; Роне, 1980, Котов, 1997 и др.). В качестве критерия оценки генетической гетерогенности испытуемых образцов древесных растений использован коэффициент наследуемости в широком смысле (Н²), отражающий долю влияния генотипического разнообразия особей на величину изменчивости фенотипа признака:

Н² = у²_g / у²_ph , (6)

где у²_g и у²_ph - генотипическая и фенотипическая вариансы признака.

При исследовании влияния лесохозяйственных мероприятий на качественную продуктивность насаждений, наряду с определением комплексного показателя качества, использован экономико-квалиметрический подход, предполагающий расчет возможного выхода целлюлозы и ее стоимости с единицы лесной площади на основе квалиметрической оценки древесины.

Предложено использовать инновационный термин «балансовая продуктивность» насаждений (М_б.), показывающий выход целлюлозы (т) из деловой части древесных стволов, произрастающих на площади 1 га. Формула для расчета балансовой продуктивности имеет вид:

М_б. = V / Н, (7)

где V - выход балансовой древесины, м³/га;

Н - норма расхода древесины на производство одной тонны целлюлозы, м³/т.

Норма расхода древесины на производство одной тонны целлюлозы по варке вычисляется с учетом рекомендаций Л.Н. Ерофеева (1971) как:

, (8)

где 880 - содержание абсолютно сухого вещества в одной тонне древесного сырья при влажности 12%, кг/т;

Р_баз. - базисная плотность древесины, кг/м³;

П - выход целлюлозы, % от древесины, загружаемой в котел.

К - коэффициент полезного использования технологической древесины, в долях единицы от неокоренной древесины.

В качестве конечной продукции при расчетах выбрана сульфатная целлюлоза, как наиболее важный и распространенный вид волокнистых полуфабрикатов.

Расчет возраста технической спелости леса по балансам выполнен по целевому диаметру на основе методических подходов, изложенных О.А. Неволиным, С.В. Третьяковым, С.Н. Ердяковым и др. (2003). Целевой диаметр принят равным 22 см, возраст выращивания сосны и ели до высоты 1,3 м установлен по данным Л.Ф. Ипатова (1974), Н.А. Бабича, Н.П. Гаевского, О.А. Конюшатова (2000).

В основу обработки экспериментальных данных положен системный подход с применением методов многомерной статистики, изложенных в трудах А.В. Тюрина (1961), М.Л. Дворецкого (1971), Н.Н. Свалова (1977), И.И. Гусева (2002). Статистические расчеты, включая дисперсионный, корреляционный и регрессионный анализ, выполнены на ПК с использованием пакета базовых («Microsoft Exсel») и прикладных («Model», «Stat exe», «Curve Expert») программ. Достоверность различий средних значений двух выборок определено по стандартному значению Стьюдента, средних квадратичных отклонений - по критерию Фишера. Минимальное число объектов испытаний (образцов) рассчитывалось исходя из относительной погрешности 5% при коэффициенте вариации признака ? 20% и с погрешностью 10% при вариации > 20%, что является общепризнанным в древесиноведении.

Сбор экспериментального материала проводился в период с 1999 по 2009 гг. Для анализа использованы материалы исследований 162 пробных площадей, на которых измерено более 32 тыс. таксационных диаметров и 3 тыс. высот культивируемых пород. Развитие живого напочвенного покрова и естественного лесовозобновления исследовано на 1,6 тыс. учетных площадок. Заложено и описано 103 почвенных разреза, включающих в общем количестве более 500 горизонтов. Для определения товарно-сортиментной структуры древостоев, исследования формы стволов и параметров их сучковатости отобрано 673 модельных дерева. На этих деревьях измерено 31,9 тыс. диаметров открытых сучков с учетом их состояния. Показатели макростроения и физико-механические свойств древесины получены на основании отбора 696 модельных деревьев и исследования 7,2 тыс. образцов древесины, в том числе 678 кернов и 300 срезов (шайб). Выполненный объем исследований позволил с высокой степенью достоверности провести статистический анализ экспериментальных данных и сделать научно-обоснованные выводы.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА И ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследованиями охвачена северная часть Русской равнины (Архангельская и Вологодская область). Район располагается в умеренно холодном (бореальном) почвенно-климатическом поясе северного полушария в таежно-лесной почвенно-ботанической зоне. В силу масштабности рассматриваемой территории, климатические факторы, ландшафты, почвенно-гидрологические условия и лесные ресурсы довольно разнообразны.

Годовое количество суммарной солнечной радиации составляет 60-70 ккал/см² на севере и 100-130 ккал/см² на юге региона. Средние годовые температуры воздуха убывают в направлении с юго-запада (+2,1єС) на северо-восток (-0,8єС). В самом холодном месяце среднемесячная температура воздуха составляет от -8єС на юго-западе до -22єС на северо-востоке, в самом теплом - изменяется по подзонам от 15 до 17,1єС. Годовое количество осадков в регионе составляет 425-630 мм, 50-60% их выпадает в вегетационный период. Число дней с осадками достигает 160-200 в году. Характерной чертой почвообразовательного процесса являются гумидные условия с обострением явлений оглеения при подзолообразовательных процессах. Наибольшее распространение имеют почвы подзолистого типа.

В работе отмечается, что климатические ресурсы, общая равнинность рельефа и почвенно-гидрологические условия региона не препятствуют произрастанию хвойных лесов средней и высокой продуктивности и ведению лесокультурного производства. Экологические факторы играют неоднозначную роль в формировании древесины и должны учитываться при разработке и внедрении программ по выращиванию насаждений высокой качественной продуктивности.

Леса региона в соответствии с лесорастительным районированием (Курнаев, 1973) включены в Евроазиатскую область лесов умеренного пояса. Покрытая лесом площадь на 01.01.2007 г. составляла 27,7 млн. га, корневой запас древесины оценивался в 3396 млн. м³. В результате экстенсивной эксплуатации лесов наметилось сокращение доли спелых и перестойных насаждений хвойных пород при увеличении площади молодняков. За период с 1966 по 1998 в Вологодской области площадь спелых и перестойных насаждений сократилась с 51 до 34%, в то время как доля молодняков возросла с 20 до 32%, в Архангельской области эти изменения составили по спелым насаждениям -15%, по молоднякам +10% (Трубин, Третьяков, Коптев и др., 2000; Гиряев, 2003). По той же причине значительно сократился запас спелых и перестойных древостоев при повышении запаса приспевающих. Значительная доля этого запаса сосредоточена в удаленных участках лесного фонда и является труднодоступной для эффективной эксплуатации. Предположительно, лесопромышленный комплекс региона в скором будущем может испытывать дефицит в доступных сырьевых ресурсах спелой древесины хвойных пород. Эта важная проблема находит свое отражение в трудах ряда научных деятелей (Гиряев, 2003; Пучков, Егорнов, 2007 и др.) и высказываниях интервьюированных нами представителей значительного числа лесопромышленных компаний.

Ретроспективный анализ литературы позволяет судить о широком развитии теории и практики лесокультурного дела в регионе и проведении работ по созданию культурценозов на площади более 1,5 млн. га. Выращивание лесных культур при научно-обоснованном выборе и соблюдении технологии производства позволяет формировать высокопродуктивные насаждения хозяйственно ценных пород.

Основная часть (95%) объектов исследований представлена средневозрастными культурами сосны и ели, расположенными на территории 13 административных районов северной (Емецкий район), средней (Харовский, Вельский, Плисецкий, Коношский, Няндомский район) и южной (Бабаевский, Чагодощенский, Кадуйский, Грязовецкий, Вологодский, Кадниковский, Никольский район) подзон тайги. Доля исследованных насаждений зеленомошной группы типов леса достигает 90%, что предопределено их значительной распространенностью в лесном фонде региона. Культуры северной подзоны тайги созданы посевом местных семян, средней и южной подзоны - посевом местных и инорайонных семян, посадкой сеянцев и саженцев. Обработка почвы при создании культур заключалась, в основном, в измельчении и перемешивании подстилки и дернины с минеральными горизонтами на глубину до 15 см на площадках размером до 0,25 м². Работы проводились вручную с использованием мотыг и лопат. Первоначальная густота культур составляла: в посевах - от 2,5 тыс. до 6,5 тыс. п.м./га, в посадках - от 2,5 тыс. до 4,0 тыс. шт./га. По этим объектам сделаны основные выводы и разработаны практические рекомендации.

Кроме того, исследования проведены в лесных культурах сосны и ели старших возрастов (А - 70-144 года), плантационных культурах (А - 20 лет) и лесосеменных плантациях ели (А - 28 лет), средневозрастных и спелых сосновых древостоях естественного происхождения.

При подборе объектов (участков) исследований соблюдался принцип репрезентативности.

4. ГЕНЕТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Генетико-статистический анализ свойств древесины ели обыкновенной (Picea abies Karst.) рассмотрен на примере привитого клонового потомства (южная подзона тайги, А - 28 лет, тип лесорастительных условий - разнотравный), где в однородных экологических условиях одновозрастные испытуемые особи представлены различными морфологическими формами (с щетковидным и гребенчатым типом ветвления). Размещение растений 6х8 м, что исключает взаимовлияние особей друг на друга. Возможности применения клонового потомства для целей генетического анализа и получения ценной генетической информации, в том числе при определении Н², изложены В.М. Роне (1970, 1972, 1974). Принципиальной особенностью расчета коэффициента наследуемости (Н²) в этом случае является генетическая однородность особей внутри клона и генотипическая разнородность клонов между собой.

Основное внимание уделялось исследованию макроструктуры годичных слоев, представляющих собой метамерные образования и тем самым являющихся удобным объектом для феногенетического анализа. В результате не выявлено статистически достоверных различий в выборочных средних значениях ширины годичных слоев в древесине особей рассматриваемых форм, что позволяет считать изменчивость признака преимущественно экологически обусловленной. Для морфологической формы ели с щетковидным типом ветвления отмечено достоверное преимущество по процентному содержанию поздних зон в годичных слоях (t_факт. = 3,8 при t_0,001 = 3,3). Формирование поздней древесины в значительной степени обусловлено генотипом, что подтверждается высоким значением коэффициента наследуемости признака в потомстве (Н² = 0,92; F = 12,1 при F_0,05 = 3,9). Наличие жесткого генетического контроля ширины поздней зоны, положительной корреляционной связи между процентным содержанием поздних зон и плотностью древесины, а также относительная простота определения показателя, позволяют рекомендовать его для учета при плановой селекции на качество древесины. Использование морфологической формы ели с щетковидным типом ветвления в качестве материнского продуцента позволит увеличить содержание поздних зон в годичных слоях и тем самым повысить плотность древесины.

Близкие к нулю значения коэффициентов Н² по размерным характеристикам стволов (таксационный диаметр, высота) и интенсивности их естественной очищаемости от сучьев свидетельствуют о высокой степени влияния экологической составляющей на изменчивость признаков у ели.

Феногенетический анализ свойств древесины сосны обыкновенной (Pinus silvestris L) выполнен на примере географических культур (средняя подзона тайги). Культуры заложены в 1963 г. в однородных лесорастительных условиях по единой технологии (высев семян в площадки размером 0,4х0,4 м, N - 2,5 тыс. п./м га, тип лесорастительных условий - черничный) инорайонными (северная подзона тайги, Двинско-мезенский лесосеменной район, нижнедвинский подрайон, Карпогорский, Онежский, Пинежский климатипы) и местными (средняя подзона тайги, Верхнедвинской лесосеменной район, южноархангельский подрайон, Хмельницкий, Верхнее-Тоемский, Приозерный, Каргопольский, Конецгорский, Лимендский климатипы) семенами. Лесосеменные районы следует считать контактирующими, что не исключает возможности перемещения семян в указанных границах (Лесосеменное районирование…, 1982).

Отмечена высокая степень генетической обусловленности процентного содержания поздних зон в годичных слоях древесины сосны (Н² = 0,98; F = 42,8 при F_0,05 = 1,9) и плотности древесины сосны (Н² = 0,77; F = 3,4 при F_0,05 = 2,0). Результаты исследований, подтверждая выводы О.И. Полубояринова (1976), Т.В. Арсеньевой (2001), А.В. Киселевой (2001, 2002), Е.П. Хазовой (2007) и др., служат основанием для учета рассматриваемых признаков при селекции на качество древесины сосны. Использование в указанных лесорастительных условиях в качестве материнского продуцента сосны Пинежского происхождения, в силу абсолютного доминирования по плотности древесины, будет способствовать повышению качественной продуктивности выращиваемых насаждений.

Параметры сучковатости стволов сосны, включая диаметр у основания сучков, степень естественного очищения от сучьев, также следует считать преимущественно генетически обусловленными признаками (Н² составил 0,97 и 0,91 соответственно; F > F_0,05) и учитывать при селекции на качество древесины сосны.

С учетом комплексных показателей качества по пиловочнику, насаждения критериально соответствуют уровню средней качественной продуктивности (K_q = 0,853-0,916), за исключением Карпогорского климатипа, характеризующегося низким качеством пиловочного сырья (K_q = 0,842). Приозерный, Верхне-Тоемский и Пинежский климатипы отличаются высокой качественной продуктивностью насаждений по балансам (K_q = 0,958-0,967), остальные климатипы соответствуют среднему уровню качества (K_q = 0,865-0,950). Абсолютное доминирование комплексного показателя по пиловочным бревнам отмечено для Онежской сосны, по балансам - для Верхне-Тоемской, что позволяет рекомендовать для использования в соответствующих лесотипологических условиях семена указанного происхождения с целью повышения качественной продуктивности насаждений.

Комплексный показатель качества древесины сосны по пиловочнику и балансам для инорайонных климатипов составил в среднем 0,942 и 0,882 соответственно, для местных климатипов 0,935 и 0,865, что соответствует среднему уровню качественной продуктивности насаждений. С учетом основополагающих принципов лесосеменного районирования и результатов проведенных исследований, следует считать возможным перемещение инорайонных семян в пределах указанных границ и типов леса, что не вызовет снижения качественной продуктивности насаждений.

Для географических культур сосны обыкновенной (А - 50 лет), заложенных Иркутскими семенами (Нижнеенисейский лесосеменной район) в однородных с местным климатипом (Верхнедвинской лесосеменной район) экологических условиях (средняя подзона тайги, тип лесорастительных условий - черничный, N - 1,2 тыс. п./м га), подтверждается значительная доля влияния генотипа на толщину сучков (Н² = 0,95; F = 19,3 при F_0,05 = 3,8). Комплексный показатель качества по пиловочнику составил для местного и инорайонного климатипа, соответственно, 0,975 и о,971, по балансам - 0,984 и 0,990, что отвечает высокому уровню качественной продуктивности насаждений. Использование семян Иркутского происхождения в рассмотренных экологических условиях не вызвало снижения качества выращиваемого древесного сырья.

5. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НА СВОЙСТВА ВЫРАЩИВАЕМОЙ ДРЕВЕСИНЫ

В разделе изложены результаты исследований показателей качества древесины и комплексной оценки качества насаждений с учетом географического и лесотипологического принципов, являющихся основой практического лесоводства.

Для культур сосны (А - 50 лет, N - 3,0 тыс. шт./га) и ели (А - 50 лет, N - 3,2 тыс. шт./га) при продвижении на юг в меридиальном направлении на 120 км (?1°) характерно увеличение ширины годичных слоев в среднем на 36,8% (t_факт. = 5,0 при t_0,001 = 3,4) и 47,1% (t_факт. = 5,7 при t_0,001 = 3,4) соответственно, что вызвано активной и продолжительной митотической деятельностью камбия в наиболее оптимальных экологических условиях роста (табл. 3). Среди составляющих, предопределивших увеличение признака у сосны, в среднем 8% приходится на действие географического фактора (F = 10,1 при F_0,05 = 3,9), у ели - 22% (F = 23,8 при F_0,05 = 4,0).

Таблица 3 - Средние показатели качества древесины сосны и ели в культурах по подзонам тайги (тип лесорастительных условий - кисличный)

Показатель	Культуры по подзонам тайги
	сосны	ели
	средняя	южная	различие, %	средняя	южная	различие, %
Средняя ширина годичного слоя, мм	1,9	2,6	+36,8	1,7	2,5	+47,1
Содержание поздней древесины, %	34,0	36,6	+2,6	22,0	26,0	+4,0
Плотность при 12% влажности, г/см3	0,450	0,458	+1,8	0,417	0,422	+1,2

При продвижении в указанном направлении отмечается незначительное увеличение процентного содержания поздних зон у сосны (t_факт. = 1,2 при t_0,05 = 2,0), и более существенное у ели (t_факт. = 2,9 при t_0,01 = 2,6). Доля влияния фактора на результативный признак у ели достигает 5% (F = 4,7 при F_0,05 = 4,0). Наметившееся увеличение плотности древесины сосны и ели нельзя считать статистически обоснованным (t_факт. = 0,7 при t_0,05 = 2,0). Выявленные закономерности подтверждаются материалами исследований в сосняках черничных естественного происхождения (А - 42-45 лет), произрастающих в подзоне северной и средней тайги (удаленность объектов в меридиальном направлении 350 км или ?3°). При такой удаленности объектов географо-зональный фактор проявляется с большей силой, положительно отражаясь на величине средней ширины годичного слоя (з²±m = 0,74±0,002, F = 455,6 при F_0,05 = 4,0) и процентном содержании поздних зон (з²±m = 0,03±0,006, F = 4,5 при F_0,05 = 4,0) в древесине сосны. Наметившиеся положительные изменения в плотности древесины не являются статистически достоверными (t_факт. = 0,1 при t_0,05 = 2,0).

Выполненные исследования позволяют заключить, что создание насаждений в более южных районах относительно пунктов переработки древесного сырья будет способствовать получению дополнительного радиального прироста древесины без снижения ее плотности.