CC BY
68
УДК 630*181,27,39
ФЕДЯЕВ Александр Леонидович, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 28 научных публикаций
ФЕКЛИСТОВ Павел Александрович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и защиты леса Архангельского государственного технического университета. Автор более 180 научных публикаций
БИРЮКОВ Сергей Юрьевич, кандидат биологических наук, научный сотрудник Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 16 научных публикаций
МАЙОРОВА Елена Валентиновна, начальник отдела природопользования мэрии г. Северодвинска. Автор одной научной публикации
ФОРМИРОВАНИЕ И ВЗАИМОСВЯЗЬ МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИХ,
ЭДАФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ЛЕСОПАРКА ЯГРЫ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Антропогенное влияние на растительные экосистемы лесопарка Ягры проявляется через деформацию береговой линии Двинского залива, деградацию насаждений на песчаных и торфяных почвах. Экспозиция и уклон склонов мезорельефа, развитие растительности являются определяющими факторами формирования микроклиматических, почвенно-грунтовых факторов лесопарка. Показана взаимосвязь освещенности, температуры воздуха и почвы. Анализируются водно-физические свойства почво-грунтов лесопарка в условиях антропогенного воздействия.
Антропогенное влияние, рекреация, деградация насаждений, дигрессия, микроклиматические условия, мезорельеф, влажность почвы, продуктивность насаждений
Методика. Исследования проводили в зеленой зоне г. Северодвинска Архангельской области на территории лесопарка Ягры, расположенного между Двинским заливом Белого моря и рекой Ягоркой. Характерной чертой ландшафта лесопарка является чередование невысоких песчаных гряд и понижений рельефа, протянувшихся вдоль побережья залива. 337,8 га (80%) территории представлено открытыми ландшафтами, в том числе болота занимают
152,7 га. Закрытые и полуоткрытые ландшафты сформированы сосновыми и березовыми древостоями на площади 85,4 га.
Солнечная энергия является практически основным существенно значимым фактором, определяющим тепловой режим почвы. От величины солнечного излучения, поступающего к поверхности земли, зависит не только интенсивность фотосинтеза и транспирации растений, но и температурный баланс и биологическая
активность почвы, обеспеченность корневых систем почвенной влагой, интенсивность биохимических реакций в системе растение -почва. Водно-физические свойства почвы определяют ее плодородие, жизнедеятельность микроорганизмов, рост и развитие растений. Продуктивность древостоев в значительной степени зависит от потенциального плодородия, гидротермического режима почв, в значительной степени определяющих ход биохимических реакций и физиологическую активность растений [2, 4, 6].
Антропогенное воздействие оказывает непосредственное влияние на развитие растительности и почвенно-грунтовые условия, развитие эрозии почвы. Рекреационные нагрузки становятся существенными факторами, определяющими состояние и развитие пригородных лесов [8]. Поэтому изучение влияния микроклиматических и эдафических факторов на рост и развитие растительных сообществ в условиях антропогенного воздействия представляет важный и своевременный научный интерес.
При проведении исследований учитывали изменение освещенности поверхности почвы, температуру и влажность воздуха и почвы на выраженных участках мезорельефа с различным развитием растительности по общепринятым методикам в соответствии с требованиями международных стандартов [1, 3, 7].
Результаты и обсуждение. На состояние лесопарка, развитие растительных сообществ оказывают влияние следующие антропогенные факторы:
- Наличие объектов военного назначения. На территории лесопарка выделены земельные участки под объекты военного назначения, дороги и коммуникации, обслуживающие эти объекты. Изъятие лесных территорий под технические сооружения неизбежно связано не только с ликвидацией бореальной растительности лесопарка, но и с нарушением естественных почвенно-гидрологических условий. В связи с проведением дноуглубительных работ в Двинском заливе оказывается влияние на характер и амплитуду морского прибоя. В настоящее время морской прибой - серьезный фак-
тор, разрушающий береговую линию острова Ягры. По результатам многолетних наблюдений отмечается существенная деформация мезорельефа прибрежной полосы лесопарка.
- Рекреационные нагрузки в наиболее привлекательных для населения территориях достигают 10-20 чел./га. Увеличивается нагрузка автотранспорта. В результате рекреация становится фактором интенсивной дигрессии древесно-кустарниковой растительности и напочвенного покрова.
- Песчаные почвы и слабо развитый напочвенный покров не выдерживают комплекса отрицательных антропогенных факторов. В результате наблюдается эрозия почвы, оголение и повреждение корневых систем растений, утрата напочвенного покрова, усыхание деревьев, образование мезорельефа с признаками дюн.
- Значительная часть избыточно увлажненных территорий лесопарка покрыта тростниковой растительностью или низкобонитетными кустарничково-сфагновыми сосняками. На отдельных участках болот в связи со строительством инженерных сооружений нарушается естественный внутригрунтовый сток, с возникновением застойного заболачивания.
Экспозиция и уклон склонов мезорельефа, развитие растительности являются определяющими факторами поступления солнечной энергии к поверхности почвы на территории лесопарка. Освещенность различных участков поверхности почвы зависит от интенсивности затенения этих участков кронами деревьев и кустарников, развития кустарничков и напочвенного покрова. Под пологом интенсивно затененных сосняков брусничных, черничных, сформировавших закрытые ландшафты лесопарка, освещенность поверхности почвы даже в ясные солнечные дни не превышает 20 000 Лк. В связи с невысокой сомкнутостью крон деревьев и слабым развитием подлесочных пород в разреженных сосняках лишайниковых и кустарничково-сфагновых освещенность почвы на полуоткрытых ландшафтах достигает 45 000 Лк. Освещенность поверхности почвы в прогалинах и на открытых ландшафтах лесопарка, где отсутствует древесная и кустарни-
ковая растительность, нет затенения поверхности почвы, в ясные солнечные дни в течение продолжительного времени изменяется в интервале 50 000-70 000 Лк, кратковременно достигает 80 000 Лк, интенсивно прогревая верхние слои почвы.
В связи с постоянно меняющейся интенсивностью солнечного излучения и выраженностью мезорельефа поверхность и верхние слои почвы открытых и закрытых ландшафтов прогреваются неравнозначно. Верхние слои почвы хорошо освещенных склонов лесопарка прогреваются до эффективных температур (7-8°С) к 10-15 мая, а на ровных площадках под пологом леса на две недели позднее - к 24-28 мая. В июне приземный слой воздуха на участках открытых ландшафтов прогревается до температуры 18-28°С, в июле достигает 35-3 8°С. В периоды интенсивного солнечного излучения поверхность почвы открытых ландшафтов прогревается до 40-45°С, верхние слои почвы -до 15-25°С. Под пологом древостоев закрытых ландшафтов температура воздуха в течение вегетационного периода не превышает 25-30°С, температура верхних слоев почвы не прогревается более чем до 13-18°С.
Между параметрами физических свойств почв существуют тесные функциональные связи, определяющие биологическую активность почв, обеспеченность растений элементами питания и водой. Корреляционный анализ показал наличие умеренной (по М.Л. Дворецкому [5]) обратной связи между освещенностью поверхности почвы и влажностью приземного воздуха, умеренную прямую связь с температурой приземного слоя воздуха, значительную связь с температурой поверхности почвы. Статистический анализ моделей функциональных зависимостей представлен в таблице 1.
В связи с перемещением воздушных слоев разница в температуре воздуха на открытых площадках и участках, прикрытых кронами деревьев и кустарников, сглаживается. Между температурой приземного слоя воздуха и температурой поверхности почвы существует высокая корреляционная зависимость.
Выявлена функциональная зависимость между температурой и влажностью приземного воздуха. В связи с повышением температуры воздуха в дневные часы влажность уменьшается, снижение температуры воздуха в ночные и предрассветные часы сопровождается значительным увеличением влажности воздуха. В зависимости от сочетания различных факторов - освещенности, температуры воздуха и почвы, активности перемещения воздуха -суточная динамика влажности воздуха различных участков лесопарка достаточно хорошо выражена. В утренние предрассветные часы влажность воздуха достигает на различных участках лесопарка 100%. В дневные часы, при хорошем освещении и прогретости воздуха, снижается до 25-30%. Под пологом древосто-ев на закрытых ландшафтах влажность приземного слоя воздуха колеблется в дневные часы от 56 до 80%. В разреженных древостоях диапазон влажности воздуха шире - от 40 до 70%. На открытых ландшафтах, лишенных растительности, в ясные дни диапазон влажности воздуха составляет 30-60%, в часы с интенсивным солнечным излучением снижается до 18-23%.
Лучевая энергия солнца преобразуется в тепловую на поверхности и верхнем слое почвы. Уже на глубине более 6 см значимая корреляционная зависимость между интенсивностью освещения и температурой почвы не выявлена. Тем не менее прогреваемость нижних слоев почвы обеспечивается хорошей теплопроводностью песчаных почв лесопарка. Это подтверждает статистический корреляционный анализ: между температурой поверхности почвы и температурой почвы на глубине 6 см выявлена высокая корреляционная зависимость. Очень высокая корреляционная связь между температурой почвы на глубине 6 и 12 см, 12 и 18 см, 18 и 28 см (таблица 1).
Структура, механический состав, объемная масса, плотность твердой фазы, влажность почвы - важнейшие показатели водно-физического состояния почв, определяющие запас продуктивной влаги и питательных веществ, общее физиологическое состояние растений, продуктивность насаждений.
Таблица 1
Статистический анализ взаимосвязи микроклиматических, эдафических факторов в лесопарке Яп)ы
Регрессионная статистика Коэфс эициенты Дисперсионный анализ 1
Факторы регрессионной зависимости Мно- жес- твен- ный И К квад- рат Нормированный Ж квадрат Стан- дарт- ная ошибка На-1>л золения Пере- сече- ние (А) Стан- дарт- ная ошибка Критерий Т. ст (В) Стан- дарт- ная ошибка Критерий Т. ст Ж Регрес- Оста-сия ток Кри- терий :г
Освещенность и температура поверхности почвы 0,642 0,412 0,408 5,377 153 4,3035 0,6362 6,8 0,00025 0,00002 10,2 3063 4367 106
Температура воздуха и поверхности почвы 0,787 0,619 0,617 3,948 335 0,870 0,457 1,9 0,936 0,040 23,2 8417 5189 540
Температура поверхности почвы и на глубине б см 0,747 0,558 0,557 2,629 335 2,511 0,272 9,2 0,462 0,023 20,5 2908 2302 421
Температура почвы на глубине 6 и 12 см 0,980 0,961 0,961 0,739 335 -43,1354 0,084 -1,6 0,925 0,010 90,4 4456 182 8168
Температура почвы на глубине 12 и 18 см 0,980 0,960 0,960 0,726 335 -0,2595 0,080 -3,2 0,9529 0,011 89,4 4212 175 4387
В лажность и температура почвы 0,325 0,105 0,101 6,375 206 9,322 0,910 10,2 -0,320 0,065 -4,9 977 8291 24
•рь
00
Таблица 2
Статистический анализ водно-физических свойств песчаных почв в лесопарке Ягрм
Факторы регресси он ной зависимости Регрессионная статистика Коэффицие нты Дисперсионный анализ
Мно- жес- твен- ный ы И Квад- рат Нормированный И квадрат Стан- дарт- ная ошибка На- блю- де- ния Пере- сече- ние (А) Стан- дарт- ная ошибка Кри- те- рий Т, ст (В) Стан- дарт- ная ошибка Кри- те- рий Т, ст Кри- те- рий ¥
Регре- ссия Оста- ток
Влажность и температура почвы 0,325 0,105 0,101 6,375 206 9,322 0,910 10,2 -0,320 0,065 -4,9 977 8291 24
Влажность и объемная масса почвы 0,587 0,345 0,341 5,456 206 29,098 2,317 12,6 -17,432 1,683 -10,3 3195 6073 107
Общая пористость и объемная масса почвы 0,910 0,828 0,827 3,608 206 96,079 1,532 62,7 -34,864 1,113 -31,3 12778 2656 981
Запас влаги и температура верхнего слоя почвы (30 см) 0,700 0,490 0,487 17,796 206 65,576 2,541 25,8 -2,548 0,182 14,0 62048 64606 196
Запас влаги и влажность верхнего слоя почвы (30 ем) 0,557 0,310 0,307 20,694 206 23,357 1,855 12,6 2,059 0,215 9,9 39288 87365 92
Запас влаги и объемная масса верхнего слоя почвы 0,433 0,187 0,183 22,462 206 99,043 9,537 10,4 -47,508 6,928 -6,9 23728 102926 47
Запас в лаги и общая пористость верхнего слоя почвы 0,516 0,266 0,262 21,348 206 -37,465 8,506 -4,4 1,477 0,172 8,6 33679 92975 74
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Сосняки брусничные, черничные произрастают на супесчаных (песчаных) почвах со слабо выраженным органогенным оструктуренным слоем. Основная часть почвенной гряды вдоль побережья Двинского залива бесструктурная. Объемная масса ненарушенных верхних слоев в зависимости от содержания органики, выраженности структуры и механического состава колеблется от 0,8 до 1,2 г/см3. Плотность супесчаных и песчаных бесструктурных слоев почвы составляет 1,3—1,7 г/см3. Общая пористость изменяется от 20 до 60%, пористость аэрации - от 20 до 55%.
Статистический анализ (таблица 2) показал, что температура почвы оказывает умеренную связь на влажность песчаных почв лесопарка, долю пор в почве, занятых водой, наличие доступной влаги, значительное влияние на запас влаги в почвенных горизонтах и общий запас доступной влаги в 30-сантиметровом слое почвы. Анализ распределения влажности дренированных почв в течение вегетации показывает, что 75% статистической выборки имеет влажность почвы менее 10% и лишь 2-3% выборки - 23 и 45% .
На рисунке 1 показана регрессионная зависимость влажности почвы от объемной массы. С увеличением объемной массы почвы влажность уменьшается.
60,0
40.0
20.0 0,0
-20,0'
у = -17,432х + 29,098
,0,00_
0,50
1.00
1.50
00
Объемная масса почвы, г/см
Рис. 1. Влияние объемной массы на влажность песчаной почвы
ет от 40 до 60%. Выраженный перегнойно-аккумулятивный горизонт, подстилка имеют пористость от 60 до 80 % общего объема почвы. Лишь незначительная часть почвы имеет пористость от 20 до 40%. Что свидетельствует о достаточно высокой аэрации песчаных и супесчаных почв.
Функциональная связь между объемной массой и скважностью почвы адекватно описывается уравнением параболы первого порядка - рисунок 2. Увеличение объемной массы сопровождается снижением общей пористости песчаных почв лесопарка. Запас продуктивной влаги -важный показатель водно-физических свойств почвы, определяющий условия развития растений. Для удовлетворительной оценки водного баланса в 30 см слоя почвы должно быть от 300 до 430 м3/га продуктивной влаги [4].
Объемная масса, г/см3
Рис. 2. Влияние объемной массы на общую пористость песчаных почв
2
Основная масса песчаных почв с массой более 1,25 г/см3 имеет влажность почвы менее 10%.
Анализ распределения общей пористости песчаных почв лесопарка показывает, что суммарный объем пор основной массы супесчаных и песчаных почв лесопарка Ягры варьиру-
Рис. 3. Распределение запаса влаги в дренированных почвах
Как видим на рисунке 3, запас продуктивной влаги корнеобитаемого слоя дренированных почв не превышает 110-120 м3/га. Особенно
острый дефицит влаги на территории открытых и полуоткрытых ландшафтов наступает, как видно на рисунке 4, в период активной вегетации растений, когда температура почвы превышает 8-10°С. В этот период запас доступной влаги в песчаных и супесчаных почвах составляет менее 50 м3/га. А при интенсивном прогревании песков доступная влага полностью испаряется.
Рис. 4. Влияние температуры на запас влаги в песчаных почвах
Торфяные почвы на заболоченных территориях имеют объемную массу почвы менее 0,6 г/см3, общую пористость 60-80%. В связи с высоким уровнем грунтовых вод в период весенней верховодки, а на территориях с нарушенным внутри-грунтовым стоком практически в течение всего вегетационного периода, поры торфяных почв заняты водой. Пористость аэрации составляет менее 2-3%. Что совершенно недостаточно для развития ростовых процессов. Развитие анаэробных процессов приводит к усыханию заболоченных насаждений лесопарка.
При естественном понижении уровня грунтовых вод в летний период в корнеобитаемом слое почвы аэрация составляет 10-15%. В наиболее благоприятные периоды достигает 3545%. Таким образом, периодически на заболоченных территориях создаются условия для развития древесной растительности.
Дефицит влаги и естественная нехватка
элементов питания супесчаных и песчаных почв лесопарка влияют на жизненное состояние древостоев лесопарка. Чем более дефицит доступной влаги в почве, тем чаще встречаются деревья с признаками дефолиации кроны, суховершинностью, деформацией ветвей и стволов деревьев. На открытых ландшафтах лесопарка в условиях возрастающей рекреационной нагрузки дефицит влаги сдерживает сукцессию, затрудняет естественное восстановление древесной растительности и напочвенного покрова.
Выводы. По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
1. Антропогенное влияние на растительные экосистемы лесопарка Ягры проявляется через деформацию береговой линии Двинского залива, деградацию насаждений на песчаных и торфяных почвах.
2. При отсутствии древесной растительности и напочвенного покрова песчаные почвы в летний период аккумулируют значительное количество солнечной энергии, прогреваются до 25-40°С. Значительная прогреваемость песчаных почв сопровождается интенсивным испарением доступной и даже гигроскопической влаги.
3. Дефицит влаги и естественная нехватка элементов питания супесчаных и песчаных почв лесопарка, так же как и избыток влаги при недостатке кислорода на избыточно-увлажненных почвах, приводит к снижению физиологической активности ассимиляционного аппарата растений. Наблюдается появление хлорозов и некрозов хвои, дефолиации кроны растений вплоть до полного усыхания отдельных деревьев, биогрупп и даже компактных участков дре-востоев.
4. Установлены функциональные связи между основными микроклиматическими и эдафи-ческими факторами лесопарка Ягры.
Список литературы
1. АникиеваВ.А., Елизаров Ф.П., КубракН.И., Чертовской В.Г. Методическое пособие по изучению микроклимата лесных биогеоценозов. Архангельск, 1983.
2. Буш К.К., Залитис П.П. Гидролесомелиорация в Латвийской ССР // Повышение продуктивности заболоченных лесов: сб. науч. трудов. Л., 1983. С. 50-57.
3. ВадюнинаА.Ф., КорчагинаЗ.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.
4. Ващенко И.М. Практикум по основам сельского хозяйства [Текст]. М., 1982.
5. ГусевИ.И. Моделирование экосистем: учебное пособие. Архангельск, 2002.
6. Тужилкина В.В. Суточные и сезонные изменения фотосинтеза сосны и ели // Биогеоценологические исследования хвойных фитоценозов на Севере: труды Коми филиала АН СССР. №9 59. Сыктывкар, 1983. С. 33-40.
7. ФоминГ.С., ФоминА.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам: справочник. М., 2000.
8. БуроваН.В., ФеклистовП.А. Антропогенная трансформация пригородных ельников. Архангельск, 2007.
Fedjaev Alexandr, Feklistov Pavel, Birjukov Sergey, Majorova Elena
FORMATION AND INTERRELATION OF MICROCLIMATIC, EDAPHIC FACTORS OF YAGRY RECREATIONAL FOREST UNDER THE CONDITIONS OF ANTHROPOGENIC IMPACT
Anthropogenic impact on the vegetative ecosystems of the Yagry recreational forest is shown through the deformation of Dvinsky gulf coastal line, degradation of plantings on sandy peat soils. The exposition and batter of the mesorelief slopes, vegetation development are the determining factors of the formation of the recreational forest microclimatic and soil factors. The interrelation of light exposure, air and soil temperatures is shown. The hydrophysical properties of the recreational forest soils under theconditions of anthropogenic impact are analysed.
Рецензент - Петрик В.В., доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой лесных культур и ландшафтного строительства Архангельского государственного технического университета
