ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы определяется защитной ролью лесов, которые являются источниками древесины, получаемой при главном и промежуточном пользовании. При этом на водосборах может проявляться эрозия почв и др. негативные явления, которые при рубках главного пользования исследованы весьма детально (Д.Ф. Кравчинский, 1901; Г.Ф. Морозов, 1927; М.Е. Ткаченко, 1952; В.Г. Нестеров, 1954; А.В. Победенский, 1964; И.С. Мелехов, 1966; В.З. Гулисашвили, 1966; А,Ф. Поляков, 1965; В.Н. Данилик, 1972; В.Н. Дьяков, 1973; В.Г. Атрохин, 1976; Р.Г. Чагелишвили, 1979; АЛ. Ливанов, 1983; Н.М. Горшенин, 1986; Horvat М. Zemljec, 1998; В.А. Гордиенко, 1999; И.П. Коваль и Н.А. Битюков, 2000; В.М. Ивонин и др., 2001).
Промежуточное пользование, объединяющее рубки ухода и выборочно-санитарные рубки, предполагает получение древесины при формировании разновозрастных сомкнутых насаждений с сохранением водоохранно-защитных функций и биоразнообразия (A Horvat, M. Zemljec, 1998; В. Zeide, 2001 и др.).
На Северном Кавказе к 100-летнему возрасту насаждения в зависимости от породного состава и условий местопроизрастания подвергаются 8-^12 циклам рубок промежуточного пользования различной интенсивности (Т.К. Солнцев и др., 2002). При этом прорубаются технологические коридоры и трелевочные волока эксплуатируются лесовозные дороги и погрузочные площадки, когда повреждается подрост и молодняк, частично или полностью нарушается подстилка и живой напочвенный покров, повреждаются почвы, активизируется эрозия.
Эколого-лесоводственные требования к промежуточному пользованию регламентированы Наставлениями по рубкам ухода (1993). Соответственно разработаны пределы допустимых воздействий лесосечных работ на лесную среду при рубках ухода (И.П. Коваль, Н.А. Битюков, 2000) при соблюдении критериев и индикаторов устойчивого управления лесами, определенных приказом б.ш. Рослесхоза № 21 от 5.02.98 г.
Однако, при промежуточном пользовании (прореживание, проходные и выборочно-санитарные рубки, переформирование и обновление насаждений) эрозионные процессы исследованы недостаточно, особенно в горных лесах Северного Кавказа.
Поэтому является актуальным изучение эрозии почв в буково-пихтовых лесах, пройденных рубками промежуточного пользования не сплошными методами на базе тракторных технологий. Это определило направление наших работ в рамках темы 11.02.01 Координационного плана Россельхозакадемии. Исследования проведены в 2001-2003 гг. на кафедре Экологии и лесных мелиорации ФГОУ ВПО "НГМА". Эксперименты вели на землях Псебайского лесхоза Краснодарского края.
Цель и задачи исследований. Цель исследований - установить связи, определяющие показатели поверхностного стока и эрозии почв в буково-пихтовых лесах, пройденных промежуточными рубками, а так же уточнить технологии прореживания и изреживания насаждений.
Для достижения постановленной цели решались следующие задачи:
- проанализировать опыт промежуточного пользования в лесах Псебайского лесхоза;
- охарактеризовать буково-пихтовые лесные экосистемы в местах проведения промежуточных рубок;
- исследовать условия формирования ливневого стока и проявления эрозии почв в лесах, пройденных промежуточными рубками;
- изучить особенности формирования стока и проявления эрозии на тракторных волоках;
- уточнить технологии промежуточных рубок для снижения их негативных экологических последствий.
На защиту выносится:
- уравнения связи показателей стока и эрозии с воздушно-сухой массой лесной подстилки и живого напочвенного покрова, плотностью слоя почв
0-20 см в буково-пихтовых лесах, пройденных рубками промежуточного пользования;
- зависимость продолжительности времени между циклами проходных рубок от коэффициентов ливневого стока, определяющая периодичность изрежива-ния буково-пихтовых древостоев;
- цикличность протекания эрозионных процессов на тракторных волоках, заключается в периодической самоотмостке (при ливнях) поверхности защитным слоем щебня и уничтожении этого слоя во время эксплуатации волоков.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
- установлено, что периодическое изреживание буково-пихтовых насаждений старше 50 лет с выборкой приспевающих и спелых деревьев и использовании при трелевке гусеничных тракторов приводит к деградации лесных экосистем: доминированию в составе малоценных видов, подавлению подлеска, угнетению подроста бука и пихты, активизации эрозионных процессов;
- определены связи плотности верхнего слоя почв и воздушно-сухой массы живого напочвенного покрова и лесной подстилки с коэффициентами стока и эрозией почв в буково-пихтовых лесах, пройденных промежуточными рубками;
- обнаружена цикличность протекания эрозионных процессов на эксплуатируемых тракторных волоках.
Практическая значимость работы определяется:
- характеристиками эксплуатируемых буково-пихтовых лесов (нормальное распределение площадей по бонитетам и полнотам с преимуществом насаждений Ъ-Ш классов бонитета и полнотой 0,5-Ю,6;
- уточненными технологиями промежуточного пользования (прореживание и изреживание буково-пихтовых древостоев необходимо проводить с цикличностью не менее 20 лет и выборкой не более 10 % запаса за каждый цикл);
- предложениями по укреплению лесовозных дорог неликвидом и порубочными остатками при норме 20 т/га и более на периоды прореживания и проходных рубок.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, составлении методики и выборе мест исследований, изготовлении экспериментальной дождевальной установки, проведении экспериментов, отборе образцов, выводах и предложениях производству.
Апробация работы проводилась на Межвузовском научно-координационном Совете по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Курск, 2003 г.); Международной конференции "Защита народно-хозяйственных объектов от воздействия селевых потоков" (Пятигорск, 2003 г.); расширенном заседании кафедры экологии и лесных мелиорации ФГОУ ВПО "НГМА" (Новочеркасск, 2004 г.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано четыре печатных работы.
Реализация результатов исследований проведена в Псебайском лесхозе Краснодарского края и в учебном процессе лесохозяйственного факультета ФГОУ ВПО "НГМА".
Структура работы: содержит введение, семь глав, общие выводы и предложения производству, список использованной литературы и приложения.
Объем диссертации: включает 168 страниц, в т.ч. 96 страниц машинописного текста, 37 таблиц, 54 рисунка и 18 таблиц трех приложений. Список использованной литературы включает 148 источников, в т.ч. 18 на иностранном языке.
При написании диссертации автор использовал материал лесоустройства 1997 г. Псебайского лесхоза Тамбовской экспедиции Воронежлеспроект. Кроме этого, использованы материалы метеостанции "Псебай" (п. Андрюки) и данные искусственного дождевания, полученные автором при работе экспедиции кафедры экологии и лесных мелиорации НГМА в лесах Псебайского лесхоза (2002 г.).
Автор приносит благодарность своему научному руководителю проф. Ивонину В.М.
8
1 ЭРОЗИЯ ПОЧВ В ЛЕСАХ, В СВЯЗИ С РУБКАМИ ГЛАВНОГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Всемирный лесной конгресс в Анталье (1987) особое внимание правительств обратил на научные исследования по результатам которых XXI век будет характеризоваться потенциальным критическим дефицитом воды, деградацией земель, наступлением пустынь и сокращением биоразнообразия экосистем, особенно в горных условиях. При этом рекомендовано в полной мере использовать экологические функции лесов, целенаправленно проводя мероприятия по сохранению целостности горных экосистем.
Экологические функции лесов (водоохранные, почвозащитные и др.) исследованы довольно подробно (П. Демонце, 1891; Ф.К. Арнольд, 1893; Г.Ф. Морозов, 1904; Д.Г. Смарагдов, 1939; В.И. Рутковский, 1949; Г.Н. Высоцкий, 1950; М.В. Рубцов, 1972; П.Н. Матвеев, 1973; А.А. Молчанов, 1973; Р.В. Опритова, 1978; А.В. Побединский, 1979; Х.Ф. Идзон, 1980; Смит X. Уильяме, 1985; А.А. Ханазаров, 1987; Н.А. Воронков, 1988; А.П. Казанкин, 1992; Ю.Н. Краснощёкое, 1994; И.П. Коваль и НА. Битю-ков, 2000; В.М. Ивонин и др. 2001; В.А. Усольцев, 2002 и др.)
Учение о лесе, как едином целом живых организмов с территорией ими занимаемой, создал Г.Ф. Морозов (1912). В настоящее время считается, что лес - это целостная совокупность лесных древесных и иных растений, земли, животных микроорганизмов и др. природных компонентов, находящихся во взаимосвязи с внутренней и внешней средой (ОСТ 56-108-98).
На основании учения о лесе получила развитие лесная типология, как основа любого лесопользования (Г.Ф. Морозов, 1904; Е.В. Алексеев, 1928; Д.В. Воробьёв, 1953; В.Г. Нестеров, 1954; В.З. Гулисашкевич, 1964; П.С. Погребняк, 1968; В.Н. Сукачёв, 1972; И.С. Мелехов, 1976; Б.Ф. Остапенко, 1980; П.Н. Датунишвили и др., 1986 и др.).
Ресурсами лесопользования являются: промышленная древесина, древесное топливо и недревесная продукция леса, рекреация, пастбищное и охотничье хозяйство.
Однако в связи с ростом населения Земли в настоящее время изменяется отношение к лесопользованию, которое должно быть специфически целенаправленными с социальным и целевым управлением, бережным отношением к биологическому разнообразию (J.P, Kimmins, 2002).
Лесное законодательство России направлено на обеспечение рационального и не истощительного пользования лесов, их охрану, защиту и воспроизводство, исходя из принципов устойчивого управления лесами и сохранения биологического разнообразия лесных экосистем, повышения экологического и ресурсного потенциала лесов, удовлетворения потребностей общества в лесных ресурсах на основе научно обоснованного многоцелевого лесопользования.
Главным ресурсом лесопользования выступает промышленная древесина, спрос на которую не должен приводить к интенсификации технологий лесосечных и транспортных работ.
Всемирные лесные конгрессом в Анталье (1997) рекомендован комплекс мер по регулированию и сокращению глобального объема лесозаготовок:
- сокращение площадей лесов, вовлекаемых в лесопользование за счёт увеличения их удельной продуктивности;
- улучшение экологических показателей технологий лесопользования;
- экономическое стимулирование лесопользователей при внедрении экологизированных технологий лесосечных работ и транспортировки древесины; принятие правил и систем лесозаготовок (кодексов), направленных на развитие экологически безопасного лесопользования, на основе модели ФАО.
Промышленную древесину заготавливают при рубках главного пользования, негативные экологически последствия которых изложили в своих
10
публикациях Ф.К. Арнольд (1893), Д.Ф. Кравчинский (1901), М.Е. Ткаченко (1952), Г.М. Тарасашвили (1956), А.В. Побединский (1964), А.И. Ильин (1965), Г.Т. Беленко (1971), М.В. Каневский и К.Е. Вороницин (1974), А.С. Исаев (1979), B.C. Олийник и др. (1986), В.А. Гордиенко (1988), Н.А. Битюков и Р.Д. Шинников (1992), М.В. Гомонай (1999), П.Я. Слабодян (2000), М.В. Adams at al. (2000) и др.
Особое внимание было обращено на изменение свойств почв на вырубках (И.И. Хуторцев, 1957; B.C. Шумаков и др., 1973, В.В. Ильинский, 1972; ВТ. Семенова, 1975; В.В. Бизюкин, 1976; В.В. Стефин, 1981 и др.).
Разрабатываются экологические требования к лесозаготовительной технике на основе исследований, проведённых как в нашей стране (М.В. Каневский и др; В.И. Исаев, 1974; М.В. Рубцов и др., 1985; Р.Д. Шинников, 1985; Г.В. Яковлев и др., 1985; А.А. Гойденко и др., 1995; В.И. Обы-денников, 1996; Г.М. Анисимов и др., 1998; В.Ф. Зинин, 2000 и др.), так и за рубежом (Христо П. Христов, 1993; J. Huang at al., 1996; Dieter F. Giefinq, 1998 и др.)
Расстраивая положительные и отрицательные моменты использования в России Канадской и Скандинавской технологий лесозаготовки, В.А. Минаев и др. (1999) выяснили, что допустимо применение форварде-ров при валке бензопилами и хорвестеров с форвардерами при черезполос-ных рубках и отсутствии подроста.
В Португалии испытывали влияние на почву хорвестеров, форварде-ров и тросовых трелёвщиков. При этом наименьшее уплотнение почв наблюдалось у форвардеров (Femandes Horoldo Carlos, 1998).
В нашей стране валочно - трелёвочные машины и бесчекерные трелёвочные трактора преобладают физические свойства почв в связи с повышенным удельным давлением из-за большой массы навесного оборудования и нагрузки на мосты комлей (А.Н. Шабалин и др., 1981; В.И. Обыден-ников, 2002).
11
В США и Канаде деревья с лесосек удаляют вместе с кронами при помощи тяжёлой техники, что ведёт к уплотнению и нарушению верхних горизонтов почв, снижению инфильтрации, усилению стока и эрозии почв (Corle. David N., 1994).
На юго-востоке Австралии после лесозаготовок в сосновых и эвкалиптовых лесах почвы уплотнялись. При этом уменьшение макропорозно-сти верхних слоев приводило к снижению аэрации и ухудшению водно -физических свойств почв (J. Hyanq at al., 1996).
Влияние лесозаготовок на микробиологические процессы в почвах бореальных лесов Канады исследовал V.G. Marshall (2000). При этом был установлен порядок убывания степени жестокости воздействия на организм почвы: сплошные рубки, равномерно-постепенные системы с расширенным оборотом рубок.
В Тасмании на вырубках и гарях установлена связь эрозии с механическим разрушением гранитных почв (Wilson Cathyd., 1999).
Аналогичные исследования в горно-таежных лесах Сибири (А. А. Ону-чин и др., 2000) показали, что вырубки вызывают более сильное увеличение стока наносов, чем гари.
В России и странах СНГ установлено, что лесозаготовки в горных лесах ведут к нарушению или уничтожению лесной подстилки, перемешиванию почвенных горизонтов, формированию техногенного микрорельефа, ухудшению водно-физических и химических свойств почв, усилению поверхностного стока и активизации эрозии (В.З. Гулисашвили, 1956; А.А. Дробиков, 1969; А.Ф. Поляков, 1965; Р.Д. Шинников, 1966; В.Н. Да-нилик, 1972; В.Н. Дьяков, 1972; Н.М. Горшенин, 1974; Р.Г. Чагелишвили, 1977; О.В. Чубатый, 1981; В.А. Гордиенко, 1986; В.И. Парпан и др., 1988; А.А. Гойденко и Г.Т. Беленко, 1995; И.П. Коваль и Н.А. Битюков, 2000; В.М. Ивонин и др., 2001 и др.). В буково - пихтовых лесах Северного Кав-
12
каза рекомендованы узкополосные постепенные рубки (Н.А. Недвецкий и др., 1980).
В зарубежных странах к аналогичным выводам пришли Хуан Эрреро и др. (1987), М. Ahtiainen (1994), Roben Robek at al. (1995) и др.
При этом особое внимание уделяют сосредоточению стока и усилению эрозии вдоль волоков и лесовозных дорог (Tomasic Zeljko, 1994; Iqor Potocnik, 2000; Qio Rond - zn at al., 2001).
По В.А. Гордиенко (1999), эрозия почв в горах развивается по сети магистральных пасечных волоков, поэтому способ рубок при этом большого влияния не оказывает.
На Северном Кавказе пасечные волоки - террасы, в отличие от магистральных серпантинных волоков, являются препятствием для водной эрозии и накопителями смытой почвы. На магистральном волоке снос почвы достигает максимума через два года, а спустя три года приходит некоторое уменьшение смыва почвы, т.к. сток проходит по твёрдой материнской породе (И.П. Коваль и Н.А. Битюков, 2000).
Поэтому после разработки лесосек трелёвочные волоки предложено выравнивать и устраивать на них земляные валы (высотой 0,5 - 0,6 м) и водоводы (А.П. Казанкин, 1978).
Следует учитывать, что на волоках - террасах могут возникать крутые оползневые трещины отрыва, ориентированные по простиранию полотна террас. После смещения участка полотна такие трещины образуют главный фронтальный уступ оползня. На участках волоков, направленных вдоль общего падения склонов, кроме главного, образуются ряд нижерасположенных уступов. Ступенчатость вызывает активизацию линейной эрозии (В.М. Ивонин и др., 2001).
В горах рекомендовано сочетать тракторную подтрелёвку хлыстов или сортиментов к подвесным трелёвочным установкам. Применяют самоходные
13
канатные установки (СВ. Белов, 1985; И.С. Соколов, 1990; (М.В. Гомо-най, 1999).
В целом, для горных лесов Северного Кавказа разработаны пределы допустимых воздействий лесосечных работ на лесную среду при рубках главного пользования по которым: число повреждённых деревьев, оставленных на корню, не должно превышать на склонах крутизной до 10° - 8 %, а на склонах круче 10° - 12 % запаса; площадь сохраненного подроста после выборочных рубок не менее 70-5-80 %, после сплошных рубок - 50 ч-70 %; минерализация почвы - не более 15 % площади вырубки; сохранность почвенного покрова без существенных повреждений - 70 -е- 80 % площади между трелёвочными волоками; ежегодная рубка - 0,5-ь 1 % лесопокрытой площади водосбора реки; лесистость за ревизионный период (10 лет) должна сохранятся с колебаниями + 1 %; водоохранно-защитные функции должны стабилизироваться в букняках и пихтарниках за 25 лет, в дубравах - за 15 лет (И.П. Коваль, Н.А. Битюков, 2000).
Для соблюдения этих пределов рекомендовано в лесозаготовительном процессе использовать вертолёты (для трелёвки), что позволяет сохранять экологические функции горных лесов, расширять диапазон рубок по крутизне склона (до 40°) и доступность лесных массивов (B.C. Халявка, В.П. Заикин, 1980; B.C. Белов, 1983; В.В. Илькун, 1985; К.К. Калуцкий и др., 1988; К.П. Коваль, 1990; И.В. Коляда, 2000 и др.).
По результатам исследований Кф ВНИИЛМ, Кф ГосНИИГА и Кф ЦНИИМЭ разработаны инструкции по применению вертолётов МИ-8 (1986) и КА - 32 (1991) при трелёвке древесины в горных условиях Кавказа.
Промежуточное использование объединяет рубки ухода (осветление, прочистки, прореживание, проходные, обновления и переформирования), а также - выборочно - санитарные рубки. Их проводят для заготовки древесины в период между рубками главного пользования (ОСТ 56-108-98).
14
Необходимость промежуточного пользования в нашей стране обоснована в работах М.Е. Ткаченко (1955), В.З. Гулисашвили (1956), Н.П. Георгиевского (1957), П.Н. Ушатина (1962), А.В. Давыдова (1971), СВ. Белова (1988), АЛ. Ливанова (1983), Е.И. Зеленко (1994), С.Н. Сеннова (2001) и др.
В горных лесах Западной Европы в результате рубок ухода формируют разновозрастные сомкнутые насаждения с сохранением биоразнообразия и водоохранно-защитных функций (A. Horvat, M. Zemljec, 1998).
В США представлены преимущества и недостатки различных рубок, сочетающих получение древесины с сохранением биоразнообразия и водо-охранно - защитных функций лесов ( В. Zeide, 2001). При этом установлено, что даже рубки ухода негативно влияют на почву (Дж. Г. Айер и С.А. Уайльд, 1975).
Влияние равномерно - постепенных рубок на разнообразие видов в буковых лесах Японии исследовано T.Naqaike at al. (1999).
В Венесуэле 30-ти летние циклы проходных рубок при заготовке 45 -60 м3/га не обеспечивали устойчивости лесов. Стабильный выход продукции возможен при 60 -ти летнем цикле рубок (L. Kammesheidt at al., 2001).
В хвойно-широколиственных лесах России создание наиболее устойчивых разновозрастных насаждений достигается проведением рубок переформирования, при которых в течение длительного периода времени за несколько приёмов рубок ухода одновозрастные насаждения переводят в разновозрастные (В.И. Желдак и др., 1994).
В горах, на склонах круче 40° при рубках обновления предложено вырубать старые деревья куртинами, площадью от 0,16 до 0,6 га с вертолётной трелёвкой древесины (Е.И. Зеленко, 1994).
Однако новые виды рубок - обновления и переформирования, внедряют при использовании средоразрушительных технологий на базе гусеничных тракторов в горных лесах любой категории защищенности (В.А. Гордиенко, 1999).
15
На Северном Кавказе к 100-летнему возрасту насаждения в зависимости от условий произрастания и природного состава подвергаются 8-12 циклам рубок ухода различной интенсивности. Для этого прорубают просеки, трелевочные волоки и трассы канатных установок, когда частично или полностью уничтожается лесной покров (Т.К. Солнцев и др., 2002).
В горных лесах западной Европы в результате рубок ухода формируют разнообразные сомкнутые насаждения с сохранением биоразнообразия и водоохранно-защитных функций (A. Horvat, M. Zemljec, 1998).
Пределы допустимых воздействий лесосечных работ на лесную среду при рубках ухода включают следующие нормативы (И.П. Коваль, Н.А. Битюков, 2000): число повреждённых деревьев при осветвлениях и прочистках не должно превышать 2 %; прореживаниях, проходных рубках и санитарных рубках - 3 % оставленных деревьев; площади технологических коридоров при проходных рубках - до 15 %, выборочных санитарных -до 7 % площади лесосеки; площадь погрузочных пунктов не должна быть более 0,2 га, их общая площадь на лесосеке до 10 га - не более 4 %, свыше 10 га-не более 2 %; площади лесосеки; минерализованная почва при осветлениях и прочистках - до 10 %; прореживаниях, проходных и санитарных рубках -до 15 %; площади лесосеки; сохранность подроста и молодняка на склонах крутизной до 10° - 80 % зимой и 70 % летом, на склонах круче 10° - 70 и 60 % соответственно (без учёта волоков); площадь ежегодных рубок, связанных с трелёвкой не должна превышать 1 % лесопокрытой площади водосбора реки, а площадь ежегодного ухода за молодняком (осветления и прочистки) -до 2 %.
Следует отметить, что не приемлемо предложение А.П. Казанкина (1978) о выравнивании трелёвочных волоков и устройстве на них земляных валов для лесов пройденных промежуточными рубками. Заготовку древесины проводят также при прочих рубках. Эти рубки могут быть связанными и не связанными с ведением лесного хозяйства. В последнем случае - это
16
расчистка лесных площадей под строительство, разрубка трасс трубопроводов, ЛЭП и др. На таких вырубках эрозия почв особенно активна. Мелиоративные мероприятия на участках трасс трубопроводов, ЛЭП и т.п. должны быть направлены на создание мульчирующего слоя на поверхности нарушенных почв и улучшения их физико-механических свойств за счёт внесения мелиорантов (В.М. Ивонин, И.В. Коляда, 2003).
В целом, приказом б.ш. Рослесхоза № 21 от 5.02.98 г. определены критерии и индикаторы устойчивого управления лесами.
Для горных территорий основные условия лесных пользований определяются следующими критериями (Т.К. Солнцев и др., 2002):
- экологический потенциал водосбора, определяемый масштабами влияния леса на окружающую среду;
- уровень и динамика лесистости водосбора в связи с рубками (с определением фактической и критической лесистости определяется стратегия лесопользования);
- качественная продуктивность насаждений, определяется породным соста-
вом, продуктивностью и санитарным состоянием;
- возрастная структура насаждений с количественным индикатором, характеризующим соотношение площадей различных возрастных групп;
- размер лесопользования (главное, промежуточное, побочное и рекреационное) на водосборе - в основном размер рубок леса;
- биоразнообразие лесных экосистем.
Таким образом, эрозия лесных почв сильно проявляется на водосборах в результате главного и некоторых видов рубок промежуточного пользования. Если при главном пользовании эрозионные процессы изучены довольно детально, то при промежуточном (прореживание, изреживание и выборочные санитарные рубки) данных таких исследований не достаточно, особенно в горных лесах. Поэтому является актуальным изучение эрозион-
17
ных процессов в горных лесах, пройденных рубками промежуточного пользования не сплошными методами на базе тракторных технологий.
Особое внимание следует обратить на эрозию почв, спровоцированную нарезкой и эксплуатацией технологических коридоров, волоков и лесовозных дорог.