Пространственная структура лесных экосистем

АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
4. Динамика роста в первый год жизни в условиях поликомпонентных
пастбищ агрофитоценозов
Вариант
Терескен 100%
Высота растений (длина побегов), мм
камфопрутняк
житняк
типчак
росма
терескен
80±11
124±12
Прутняк 100%
Прутняк 50 + Терескен 50%
Прутняк 40 + Терескен 15 + Камфоросма 45%
Прутняк 50+ Терескен 25+ Типчак 25%
Прутняк 30 + Терескен 15 + Мятлик 30 +
Камфоросма 10 + Житняк 15%
Прутняк 10 + Терескен30 + Камфоросма 10 +
Житняк15 + Мятлик 35%
мятлик
87±10
131±18
86±10
105±10
85±8
97±10
86±11
124±17
80±5
118±12
88±12
148±15
88±12
118±16
87±10
118±18
79±12
120±12
84±11
126±16
82±12
115±15
105±12
115±12
84±6
86±6
88±10
128±16
97±11
130±15
135±18
147±20
111±11
160±15
82±7
110±12
86±6
112±10
Примечание: числитель – I декада июля; знаменатель – I декада сентября
Слабый рост кустарников можно объяснить
неблагоприятными эдафическими и погодными
условиями для их развития. В июле – августе
наблюдалось массовое усыхание особей и отмирание верхних частей стебля.
Таким образом, общая продуктивность пастбищной экосистемы определяется не только
индивидуальным адаптивным потенциалом
растительных организмов, но и в большей степени интегральным адаптивным потенциалом
пастбищной экосистемы в целом, формируемым
эффектом взаимодействия сортов, экотипов,
видов и жизненных форм кормовых растений,
входящих в состав данной экосистемы. Более
полное освоение экологической ниши и интенсификация использования ресурсов среды достигаются в тех пастбищных экосистемах, которые
смоделированы по типу зональных биогеоценотических структур. Именно в таких пастбищных
экосистемах наиболее полно реализуется прин-
цип взаимной дополняемости видов кормовых
растений на основе дифференциации ниш.
Литература
1. Алимаева Л.Н. Биология прорастания семян терескена
// Семеноводство, биологическая оценка селекционируемых
кормовых растений и их возделывание в Казахстане. АлмаАта, 1983. С. 75–82.
2. Алимаева Л.Н. Плоды и семена прутняка и терескена
серого // Создание и использование сенокосов и пастбищ
в пустынной и полупустынной зонах. Алма-Ата, 1981.
С. 139–150.
3. Шамсутдинов З.Ш., Назарюк Л.А. Введение в культуру и
селекция новых кормовых растений в зоне пустынь и полупустынь // Каракулеводство. 1976. Вып. 5. С. 226–228.
4. Шамсутдинов З.Ш. Семеноводство пустынных пастбищных
растений. Ташкент: ФАН, 1974. С. 52–63.
5. Шамсутдинов З.Ш. Дикорастущие кормовые растения и их
роль в повышении урожайности пустынных и полупустынных
пастбищ СССР // Материалы конф. по кормопроизводству.
М., 1969. С. 18–25.
6. Шамсутдинов З.Ш. Проблемы интродукции и селекции
кормовых культур в аридных районах СССР // Вестник
сельскохозяйственной науки. 1982. №12. С. 99–107.
7. Иванов В.М., Устименко А.Н. Перезамещение склонных
земель злаково-бобовыми травостоями в подзоне светлокаштановых почв Волгоградской области // Известия
Нижне-Волжского агроуниверситетского комплекса. 2007.
№3(7). С. 6–9.
Пространственная структура лесных
экосистем урбанизированных территорий
как показатель их устойчивости*
С.А. Шавнин, д.б.н., профессор, В. А. Галако, к.с.-х.н.,
В.Э. Власенко, к.б.н., Ботанический сад УрО РАН
факторов, среди которых немаловажную роль
играют показатели динамики лесной растительности [1]. Данные показатели характеризуют
нарушение лесной растительности в результате
изменения экологической обстановки и антропогенного воздействия.
Обоснование выделения зон с различной
экологической ситуацией проводится обычно
на основании различного рода определяющих
_______________________
* Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН (Проект №09-П-4-1039) и Программы
интеграционных проектов УрО РАН (Проект №09-И-4-2002).
12
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
Критерии оценки состояния и динамики
лесов различаются в зависимости от структурнофункциональной организации лесных биогеоценозов, их таксационной и возрастной
характеристики [2]. Кроме того, в результате
техногенного загрязнения и рекреационной
нагрузки лесных экосистем нарушается их
устойчивость и создаются условия, при которых
невозможно многоцелевое использование лесов.
Важную роль играет при этом изучение функциональной значимости факторов внешней и
внутренней среды на разных стадиях сукцессий
лесной растительности. Однако в настоящее
время отсутствуют работы по определению
доли факторов загрязнения и рекреационных
нагрузок на лесные экосистемы в их общем
влиянии. Решение данной проблемы позволит
разработать конкретные способы управления
устойчивостью лесных насаждений урбанизированных территорий крупных промышленных
городов. Важным показателем при изучении
устойчивости и моделировании динамики лесных насаждений служит их пространственная
структура, что вносит значительный вклад в исследование биологически обоснованной теории
развития лесных экосистем [3].
Под структурой понимается совокупность
пространственно-временных соотношений между элементами объекта, совокупность устойчивых
связей объекта. Пространственная структура
фитоценоза (ПСФ) определяется как совокупность данных о размещении N растений в
определённой области W плоскости в виде схемы
их расположения, задаваемой координатами
(xi, yi), и векторов {zi}, где zi – (ziı,……, ziк) набор
значений характеристик отдельного растения,
используемого в конкретной модели.
Структура представляется как динамический
показатель, отражающий организацию сообщества в пространстве и времени, его устойчивость и
норму реакции на внешние воздействия. Модель
устойчива, если достаточно малые изменения в
её структуре вызывают такое поведение, которое
в некотором смысле качественно аналогично
поведению исходной модели [4].
В связи с вышеизложенным целью данной
работы послужила оценка экологического состояния лесных экосистем, ослабленных рекреационными нагрузками и промышленными
эмиссиями, при условии разделения данных факторов на основе лесоводственно-таксационного
анализа, в частности, при исследовании пространственной структуры лесных насаждений
городской зоны г. Екатеринбурга.
В качестве объектов исследований были выбраны лесные экосистемы в зонах повышенной
рекреации и промышленных загрязнений, для
которых установлены методы количественной и
качественной оценки жизнеустойчивости. Для
оценки состояния спектра абиотических и биотических компонентов лесных экосистем урбанизированной территории на примере г. Екатеринбурга заложено 12 постоянных пробных площадей (ППП) по четырём альтернативным
вариантам развития. Пробные площади №1–3
представляют насаждения Юго-Западного лесопарка г. Екатеринбурга с полным набором
абиотических и антропогенных факторов (загрязнение, рекреационная нагрузка). На территории
Ботанического сада УрО РАН насаждения ППП
№4–6 отличаются отсутствием рекреационной
нагрузки, но наличием атмосферного загрязнения. ППП №10–12, заложенные в районе оз. Чусовского, характеризуются полным набором
рекреационной нагрузки и отсутствием признаков техногенного загрязнения. В качестве
контроля (фона) были выбраны лесные участки
с отсутствием рекреационной нагрузки и загрязнения (ППП №7–9). Выбор участков для
закладки пробных площадей предусматривал их
сопоставимость по основным таксационным и
типологическим показателям лесных сообществ,
находящихся под влиянием различного уровня
техногенного загрязнения и рекреационной
нагрузки.
Основной метод исследования – закладка
постоянных пробных площадей (ППП) с последующим проведением на них длительных
или разовых наблюдений с целью получения
разносторонней и достоверной информации о
состоянии лесных сообществ и их динамике.
Закладка ППП и лесотаксационные исследования проводились по стандартным методикам.
В работе использованы экспериментальные
данные, представляющие собой материалы
обмеров таксационных характеристик деревьев
на закартированных ППП. У всех деревьев измерялись основные морфологические параметры: диаметры стволов на высоте 1,3 м в двух
направлениях, высоты, проекции крон в двух
направлениях, длина кроны деревьев, расстояние
и направление между деревьями. На основе полученных экспериментальных данных вычислены
морфометрические показатели древостоев на
ППП. Для изучения пространственной структуры
проведены расчёты координатных точек всех
деревьев и построены схемы их расположения
на пробных площадях. Детальное изучение пространственной структуры сосновых насаждений
осуществлялось в пределах сукцессионного ряда
с набором экологических условий, характерных
для разнотравных сосняков. Состав древостоя
представлен на 90–95% сосной обыкновенной.
Под биологической устойчивостью насаждения понимается способность противостоять неблагоприятным условиям среды при
наименьшем отпаде деревьев, сохраняющих
максимальную долговечность и длительность
13
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
роста [5, 6]. К устойчивым относятся насаждения
при наличии у них лесобиологических свойств
противостоять неблагоприятным условиям роста
и развития, при которых исключается возможность преждевременного распада и отмирания,
смена одних пород другими. О снижении устойчивости свидетельствуют изменение структуры
насаждения, расположение на площади скоплений сухостоя и валежа, изменение цвета
хвои и листвы у значительной части деревьев,
степень повреждённости деревьев насекомыми
и грибами [7].
Первым этапом исследований пространственной структуры сосновых древостоев урбанизированных городских территорий, как показателя
устойчивости, послужила оценка типа распределений, характеризующих размещение деревьев
на ППП. Принято при характеристике пространственной структуры объектов выделять три
типа распределений: регулярное (правильное),
случайное и групповое. При регулярном распределении каждая точка имеет круговую область,
не содержащую других точек; при случайном
оно соответствует распределению Пуассона [8].
Анализируя пространственную структуру по
материалам постоянных пробных площадей,
следует отметить, что рекреационная нагрузка
и техногенные эмиссии существенно влияют
на пространственное размещение деревьев
(ППП 1–3, 4–6, 10–12), где отмечается групповой тип распределения. На контрольных
участках (ППП 7–9) представлен случайный
тип распределения.
Морфометрические показатели кроны, в частности её средняя высота и средний диаметр, являются функцией условий местопроизрастания,
возраста и пространственного распределения
деревьев в насаждении. В то же время протяжённость и диаметр кроны каждого дерева связаны
с диаметром ствола. Отношение между средним
диаметром стволов на пробных площадях и
средним диаметром кроны деревьев коррелирует
достаточно высоко (r = 0,750–0,900).
Более информативен при определении степени влияния нагрузок рекреационного и техногенного характера на насаждения фактор
конкуренции крон, основанный на понятии
перекрывающих друг друга круговых зон влияния. Радиус R зоны влияния любого дерева
должен составлять
R = Hr/h,
где H – высота дерева (м);
r – средний радиус кроны (м);
h – средняя протяжённость кроны (м).
При длительном воздействии рекреации и
промышленных выбросов нарушается корреляция между высотой и диаметром насаждений. По
данным наших исследований получена модель
зависимости между высотами деревьев сосны и
их диаметрами на высоте 1,3 м, выражаемая параболическими кривыми 3-го порядка. Кроме того,
при характеристике морфоструктуры сосновых
древостоев установлена корреляционная зависимость диаметров крон деревьев от диаметров
стволов на высоте 1,3 м. На контрольном участке
(ППП 9) данное соотношение более устойчиво
и отличается повышенным коэффициентом
корреляции взаимосвязи диаметров стволов и
диаметров крон деревьев (r = 0,924±0,115). Абсолютные значения диаметров крон на данной
площади имеют более высокие показатели по
сравнению с другими ППП (рис. 1).
Рис. 1 – Зависимость Д кроны деревьев сосны (м) от Д ствола на высоте 1,3 м (ППП 14-9-12):
Дкроны – (1) = 26,3383–1,6842х+0,0427х^2–0,0003х^3;
Дкроны – (4) = -19,0825+1,5293х–0,0294х^2+0,0002х^3;
Дкроны – (9) = 1,4593+0,0258х+0,0077х^2-9,9553Е-5х^3;
Дкроны – (12) = 3,1464+0,3496х–0,01х^2+9,7429Е-5х^3
14
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
Сильное влияние на характер изучаемой
взаимосвязи оказывают рекреационные нагрузки
(ППП 12).
Не менее важной характеристикой пространственной структуры лесных экосистем
служит распределение деревьев на изучаемой
площади во взаимосвязи с их таксационной
характеристикой. В связи с этим на основании
проведённого картирования деревьев сосны на
пробных площадях получены данные по анализу
взаимосвязи расстояний между деревьями и их
диаметрами на высоте 1,3 м, а также диаметрами
крон. Эта взаимосвязь выражается параболическими кривыми 2-го порядка. Наиболее тесная
связь отмечается в контрольных насаждениях
(r = 0,834±0,024), крайне низкая – при сильных
рекреационных нагрузках: r = 0,087±0,004 (рис. 2).
Особенно ярко выражен эффект влияния
рекреационной нагрузки на пространственную
структуру сосновых древостоев урбанизированных территорий при исследовании взаимосвязи
расстояния между деревьями и диаметрами крон
(рис. 3). Данное соотношение хорошо отображается математически параболическими кривыми
Рис. 2 – Зависимость расстояния между деревьями сосны (м) от диаметра ствола на высоте 1,3 м (см)
(ППП 1-4-9-12) (см):
R, м (1) = 0,8915+0,1203х–0,0006х^2;
R, м (4) = 7,7463–0,153х+0,0022х^2;
R, м (9) =1,3335+0,1035х–0,0007х^2;
R, м (12) = 3,4116+0,0663х–0,0007х^2
Рис. 3 – Зависимость расстояния между деревьями сосны (м) от диаметра кроны стволов (м) (ППП-1-4-9-12):
R,м (1) = 6,2571–0,875х+0,0893х^2;
R,м (4) = 10,1274–1,8х+0,1476х^2;
R,м (9) = 3,869–0,5333х+0,0738х^2;
R,м (12) = -3,0749+1,3912х–0,0565х^2
15
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
второго порядка. Коэффициент корреляции
между диаметрами кроны и расстоянием между
деревьями на ППП 12, где отмечается сильная
рекреационная нагрузка, имеет наименьшее
значение и составляет r = 0,355±0,056, тогда как
на контрольных пробных площадях (ППП 7–9)
значение этого показателя существенно повышается (r = 0,912±0,213), что свидетельствует
о сильном влиянии рекреации на структуру
биогеоценозов.
В результате исследований пространственной
структуры сосновых древостоев урбанизированных территорий, как показателя устойчивости
к рекреационным и техногенным нагрузкам
в зависимости от особенностей структурнофункциональной организации лесных экосистем,
установлено, что рекреационные нагрузки и
техногенные эмиссии оказывают существенное
влияние на пространственную структуру лесных
насаждений, что проявляется в изменении типа
их пространственных распределений и взаимосвязи между морфометрическими показателями.
Наиболее сильное влияние на устойчивость
лесных фитоценозов, выражающееся в нарушении организационной структуры, оказывают
рекреационные нагрузки.
Литература
1. Васильев С.В. Экологический риск воздействия на лесные и болотные экосистемы // Исследования экологогеографических проблем природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости
развития нефтегазовых регионов России: теория, методы
и практика. Нижневартовск: НГПИ, ХМРО РАЕН, ИОА
СО РАН, 2000. С. 170–174.
2. Мауринь А.М. Становление концепции биотемпорализма //
Темпоральные аспекты моделирования и прогнозирования
в экологии. Рига: РГУ, 1986. С. 3–30.
3. Бузыкин А.И., Гавриков В.Л. Анализ структуры древесных
ценозов. Новосибирск: Наука, 1985. 94 с.
4. Гусаков С.В., Фрадкин А.И. Моделирование на ЭВМ пространственной структуры лесных фитоценозов. Минск:
Наука и техника, 1990. 112 с.
5. Левич А.П. Понятие устойчивости в биологии. Математические аспекты // Человек и биосфера / МГУ. 1976. №1.
С. 138–173.
6. Матюк И.С. Устойчивость насаждений. М.: Лесн. пром-сть,
1983. 134 с.
7. Чиллингуорт Д. Структурная устойчивость математических
моделей. Значение методов теории катастроф // Математическое моделирование. М.: Мир, 1979. С. 249–276.
8. Лащинский Н.Н. Биология, экология и взаимоотношение
ценопопуляций растений. М.: Наука, 1982. 41 с.
Почвенно-экологическая оценка лесорастительных
условий почвогрунтов южного Оренбуржья
Н.Д. Кононова, к.с.-х.н., Г. Г. Зуенкова, соискатель,
В.М. Кононов, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ
колоссальный вред степному лесоразведению.
Концепция регионального природопользования,
которая в нормальных условиях должна была
развиваться из известной схемы В.В. Докучаева
о соотношении пашни, луга, леса и воды, в региональном аспекте осталась полностью неразработанной [5]. Также она фактически не применялась в практическом землепользовании. Дело
в том, что в качестве непосредственных причин
учащения засух и увеличения общей засушливости климата в европейской части России автор
называет вырубку леса, сплошную распашку территории и связанное с предыдущими причинами
уменьшение влияния водной составляющей на
климат территории. Уже в конце ХХ в., через
100 лет после выхода книги В.В. Докучаева в
свет, по распаханности территории Оренбуржье
вышло на второе место в России, превысив все
меры коренного преобразования ландшафтов.
Вне поля зрения исследователей остался тот факт,
что целинной кампании в области предшествовал
200-летний период массового сведения лесов на
её территории, с соответствующим постепенным
снижением их защитной, пролонгирующей и
конвекционной роли.
Наибольшую ценность по рассматриваемой
проблеме сегодня для нас представляют квалифицированные свидетельства учёных, работавших в Оренбургском крае: П.И. Рычкова [6],
Новая парадигма природопользования предполагает ориентацию на сохранение и повышение земельно-ресурсного потенциала территории
и ликвидацию обострившихся экологических
противоречий, вызванных хозяйственной деятельностью человека [1, 2].
Современное состояние земельных ресурсов
и связанная с ним экологическая ситуация достаточно полно отражают ошибки земледельческого использования территории России.
В Оренбургской области из-за более высокой
степени распаханности земель они выглядят значительно острее, чем в остальной России [3, 4].
Решение этой проблемы требует осуществления
структурной и технологической адаптации землепользования к природным условиям Оренбуржья в целях сохранения и восстановления
биопотенциала территории.
Выделение из пашни земель фонда трансформации, осуществлённое в процессе агроэкологической оценки пашни области в 1998–2000 гг.,
делает возможным частичное решение проблемы
леса – наиболее дефицитной в регионе составляющей земельных угодий.
Косметическая роль, навязанная природоохранной науке в недалёком прошлом, нанесла
16