Научная статья на тему 'ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ФИТОМАССЫ В ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НА ОТВАЛАХ ЛИСТВЯНСКОГО УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА'

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ФИТОМАССЫ В ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НА ОТВАЛАХ ЛИСТВЯНСКОГО УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
30
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОТВАЛЫ / ЛЕСНАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ / ФИТОМАССА / ДЕПОНИРОВАНИЯ УГЛЕРОДА / PINUS SYLVESTRIS L / BETULA PENDULA ROTH

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Уфимцев Владимир Иванович, Андроханов Владимир Алексеевич

Лесные насаждения выполняют важнейшую роль по связыванию и долголетнему накоплению атмосферного углерода. На отвалах вскрышных пород угольной промышленности Кузбасса произрастает более 25 тысяч гектар молодых и средневозрастных насаждений, по скорости прироста древесины не уступающим естественным лесам (I-II класс бонитета). На отвалах Листвянского угольного разреза сохранились наиболее старшие сосновые (Pinus sylvestris L.) и березовые (Betula pendula Roth.) насаждения на техногенных субстратах в Кузбассе (свыше 40 лет), которые могут служить модельными полигонами для оценки способности таких насаждений к депонированию углерода. Отличительной особенностью лесных насаждений, произрастающих на отвалах Кузбасса, является неравномерность их густоты и сомкнутости крон. Установлено, наибольшей актуальной способностью к накоплению углерода обладают насаждения при сомкнутости крон около 90%: в сосновых насаждениях накапливается до 136,1 т га-1 в пересчете на чистый углерод, в березовых насаждениях - до 130,1 т га-1. В таких насаждениях около ¾ всего углерода сосредоточено в стволовой древесине. В насаждениях с сомкнутостью крон около 30% значительно возрастает доля углерода в кроновой части деревьев, особенно в березовых насаждениях, поэтому такие насаждения обладают максимальной способностью к фотосинтезу и потенциальному накоплению углерода в будущем. Кроме того, под покровом насаждений с сомкнутостью крон около 30 % формируется травянистый покров, имеющий вид сложной растительной группировки с преобладанием луговых видов, обладающих высокой способности к фитомериорации техногенных элювиев. В сомкнутых насаждениях травостой не развит, однако под их покров поселяются специфичные теневыносливые виды, в том числе редкие и исчезающие Orthília secúnda L. и Neottianthe cucullata L. Schltr.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству , автор научной работы — Уфимцев Владимир Иванович, Андроханов Владимир Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FEATURES OF PHYTOMASS ACCUMULATION IN FOREST PLANTS ON DUMPS OF THE LISTVYANSKY COAL MINE

Forest ecosistems perform an important role in the binding and long-term accumulation of atmospheric carbon. More than 25,000 hectares of young and middle-aged plantations grow on overburden dumps of the Kuzbass coal industry, which are not inferior to natural forests in terms of wood growth rate (I-II quality class). The oldest pine (Pinus sylvestris L.) and birch (Betula pendula Roth.) plantations on technogenic substrates in the Kuzbass (over 40 years) have been preserved on the dumps of the Listvyansky coal mine, which can serve as model polygons for assessing the ability of such plantations to sequester carbon. A distinctive feature of forest plantations growing on the dumps of Kuzbass is the uneven density and density of their crowns. It has been established that plantations with a crown density of about 90% have the highest actual ability to accumulate carbon: up to 136.1 t hectare-1 in terms of pure carbon accumulates in pine plantations, and up to 130.1 t hectare-1 in birch plantations. In such plantations, about ¾ of all carbon is concentrated in stem wood. In plantations with a canopy density of about 30%, the proportion of carbon in the canopy of trees increases significantly, especially in birch plantations, so such plantations have the maximum capacity for photosynthesis and potential carbon accumulation in the future. In addition, under the cover of plantations with a crown density of about 30%, a herbaceous cover is phytomized, which looks like a complex plant group with a predominance of meadow species that have a high ability for phytomerioration of technogenic eluvium. In closed stands, grass stand is not developed, but specific shade-tolerant species settle under their cover, including rare and endangered Orthília secúnda L. and Neottianthe cucullata L. Schltr.

Текст научной работы на тему «ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ФИТОМАССЫ В ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НА ОТВАЛАХ ЛИСТВЯНСКОГО УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА»

УДК: 631.618

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ФИТОМАССЫ В ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НА ОТВАЛАХ ЛИСТВЯНСКОГО УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА

Уфимцев Владимир Иванович

Кандидат биологических наук, заведующий лабораторией Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского тделения Российской академии наук e-mail: uwy2079@gmail. com

Андроханов Владимир Алексеевич

Доктор биологических наук, Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук

Лесные насаждения выполняют важнейшую роль по связыванию и долголетнему накоплению атмосферного углерода. На отвалах вскрышных пород угольной промышленности Кузбасса произрастает более 25 тысяч гектар молодых и средневозрастных насаждений, по скорости прироста древесины не уступающим естественным лесам (I-II класс бонитета). На отвалах Листвянского угольного разреза сохранились наиболее старшие сосновые (Pinus sylvestris L.) и березовые (Betula pendula Roth.) насаждения на техногенных субстратах в Кузбассе (свыше 40 лет), которые могут служить модельными полигонами для оценки способности таких насаждений к депонированию углерода. Отличительной особенностью лесных насаждений, произрастающих на отвалах Кузбасса, является неравномерность их густоты и сомкнутости крон. Установлено, наибольшей актуальной способностью к накоплению углерода обладают насаждения при сомкнутости крон около 90%: в сосновых насаждениях накапливается до 136,1 т га'' в пересчете на чистый углерод, в березовых насаждениях - до 130,1 т га''. В таких насаждениях около % всего углерода сосредоточено в стволовой древесине. В насаждениях с сомкнутостью крон около 30% значительно возрастает доля углерода в кроновой части деревьев, особенно в березовых насаждениях, поэтому такие насаждения обладают максимальной способностью к фотосинтезу и потенциальному накоплению углерода в будущем. Кроме того, под покровом насаждений с сомкнутостью крон около 30 % формируется травянистый покров, имеющий вид сложной растительной группировки с преобладанием луговых видов, обладающих высокой способности к фитомериорации техногенных элювиев. В сомкнутых насаждениях травостой не развит, однако под их покров поселяются специфичные теневыносливые виды, в том числе редкие и исчезающие Orthilia secunda L. и Neottianthe cucullata L. Schltr.

Ключевые слова: отвалы, лесная рекультивация, фитомасса, депонирования углерода, Pinus sylvestris L., Betula pendula Roth.

FEATURES OF PHYTOMASS ACCUMULATION IN FOREST PLANTS ON DUMPS OF THE LISTVYANSKY COAL MINE

Ufimtsev V.I.

Candidate of Biological Sciences, Head of the Laboratory, Federal Research Center for Coal and Coal Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences e-mail: uwy2079@gmail. com

Androkhanov V.A.

Doctor of Biological Sciences, Institute of Soil Science and Agrochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Forest ecosistems perform an important role in the binding and long-term accumulation of atmospheric carbon. More than 25,000 hectares of young and middle-aged plantations grow on overburden dumps of the Kuzbass coal industry, which are not inferior to natural forests in terms of wood growth rate (I-II quality class). The oldest pine (Pinus sylvestris L.) and birch (Betula pendula Roth.) plantations on

technogenic substrates in the Kuzbass (over 40 years) have been preserved on the dumps of the Listvyansky coal mine, which can serve as model polygons for assessing the ability of such plantations to sequester carbon. A distinctive feature of forest plantations growing on the dumps of Kuzbass is the uneven density and density of their crowns. It has been established that plantations with a crown density of about 90% have the highest actual ability to accumulate carbon: up to 136.1 t hectare'' in terms of pure carbon accumulates in pine plantations, and up to 130.1 t hectare'' in birch plantations. In such plantations, about % of all carbon is concentrated in stem wood. In plantations with a canopy density of about 30%, the proportion of carbon in the canopy of trees increases significantly, especially in birch plantations, so such plantations have the maximum capacity for photosynthesis and potential carbon accumulation in the future. In addition, under the cover of plantations with a crown density of about 30%, a herbaceous cover is phytomized, which looks like a complex plant group with a predominance of meadow species that have a high ability for phytomerioration of technogenic eluvium. In closed stands, grass stand is not developed, but specific shade-tolerant species settle under their cover, including rare and endangered Orthilia secunda L. and Neottianthe cucullata L. Schltr.

Keywords: dumps, forest reclamation, phytomass, carbon sequestration, Pinus sylvestris L., Betula pendula Roth.

Исследование выполнено при поддержке РФФИ, грант 19-29-05086.

Увеличение открытой добычи каменного угля в Кузбассе приводит к полному уничтожению природных экосистем на эксплуатируемой территории, что способствует еще большему увеличению дисбаланса углерода в сторону эмиссии. На территории региона техногенные образования занимают площадь, соизмеримую с площадями любых из типов природных ландшафтов. Отвалы, образованные при разработке угольных месторождений открытым способом, на начальном этапе своего существования в результате доокисления и горения углистых частиц в толще техногенных элювиев, участвуют в глобальном углеродном цикле как продуценты углекислого газа. По мере формирования благоприятных для поселения и произрастания растительности экологических условий, на отвалах формируются растительные сообщества, которые выравнивают углеродный баланс

местообитаний. Таким образом, активное вовлечение этих площадей в биологический кругооборот путем создания на них высокопродуктивных лесных насаждений, выступающих в качестве долголетнего аккумулятора углерода в виде древесины и растительного опада, может рассматриваться как наиболее эффективный способ депонирования углерода на территории региона.

Листвянский угольный разрез - один из старейших угольных разрезов Кузбасса, на котором проводилось испытание методов лесной рекультивации [1]. Древесные насаждения, сложившиеся на

рекультивированных отвалах и участках естественного зарастания, могут служить важными объектами исследования

закономерностей функционирования лесных экосистем с «0»-момента формирования ландшафта и источниками получения информации по важнейшим биосферным циклам, в том числе кругообороту

атмосферного углерода. Цель настоящей работы - на примере отвалов Листвянского угольного изучить величину надземной фитомассы лесных насаждений и определение наиболее оптимальных условий её накопления.

Объекты и методика

В качестве объектов исследования выбраны сосновые насаждения - искусственно созданные культуры сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), и березовые насаждения, образованные в результате естественного поселения на отвалах березы повислой (Betula pendula Roth.) и березы пушистой (Betula pubescens Echr.), произрастающие на отвалах Листвянского угольного разреза. Подобраны наиболее возрастные насаждения среди других угольных предприятий региона - их возраст составляет 40-45 лет (III класс возраста -средневозрастные). Выбор породного состава насаждений обусловлен наибольшей пригодностью сосны обыкновенной и березы среди других деревьев-ярусообразователей на отвалах [2], и связанного с этим наибольшего распространения этих видов в техногенных ландшафтах. Так, сосновые насаждения формируют основную площадь участков лесной рекультивации, а березняки занимают наибольшую площадь отвалов с естественным лесовозобновлением. Учитывая ранее установленную сильно выраженную разногустотность насаждений, нами были выбраны участки с несомкнутыми (сомкнутость крон до 30 %), среднесомкнутыми (до 60%) и сомкнутыми (до 90%) древостоями, различающихся густотой как между группами по сомкнутости крон, так и в пределах одной градации [3].

Изучение характеристик растительного покрова проводилось на пробных площадях размером 25x25 м. Таксация древостоев и определение показателей продуктивности проводилось методом средней модели [4]. Определены запасы стволовой древесины классы бонитета насаждений [5]. Запас

Средневозрастные насаждения,

произрастающие на отвалах Листвянского угольного разреза, по показателям линейного прироста (представительная ступень высоты) относятся к высшим классам бонитета: ход роста сосновых насаждений в высоту соответствует 1а-11 классу, березовых - 1-11, что характерно для насаждений с высоким жизненным состоянием (табл. 1).

Таблица 1

Таксационные характеристики насаждений_

Сомкнутость крон, % Густота, шт./га Средняя высота, м Класс бонитета Средний диаметр, см Сумма площадей сечений, м2/га Полнота

Сосновые насаж дения

30 146 14-16 II 26-28 8,23 0,25

60 670 16-18 I 24-26 30,3 0,94

90 1511 18-20 1а 16-18 38,4 1

Березовые насаждения

30 235 14-16 II 24-26 11,9 0,32

60 813 20-22 I 24-26 36,1 1

90 2560 16-18 II 18-20 34,9 1

нестволовой части определялся методом среднего дерева [6]. Изучение живого напочвенного покрова проводились по стандартным методикам, с распределением видов по эколого-ценотическим группам и определением надземной фитомассы травостоя [7].

Результаты и обсуждение

Густота древостоя по градациям сомкнутости крон в насаждениях варьируют на порядок - от 0,15-0,25 до 1,5-2,5 тыс. экз. га-1 (табл. 1). В сосновых насаждениях по увеличения сомкнутости поступательно возрастает средняя высота древостоя - от 14 до 20 м, а представительная ступень толщины снижается с 24-26 до 18-20. В березняках максимальная высота отмечается в среднесомкнутых насаждениях - до 22 м, а в сомкнутых - снижена до 16 м, в то же время средний диаметр при переходе от несомкнутых к среднесомкнутым остается на прежнем уровне - 24-26 см, а в сомкнутых - на 2-3 ступени ниже.

Важнейшим показателем освоения деревьями местообитаний является полнота

Запасы накопленного углерода

насаждений, выраженная суммой площадей сечений (м2). Несомкнутые насаждения обладают низкой полнотой - 0,25 и 0,32, при сомкнутости крон 60% полнота достигает 1, что позволяет определять среднесомкнутые насаждения как полные древостои.

Продуктивность насаждений,

обусловленная темпами накопления биомассы, имеет непосредственное значения для депонирования углерода атмосферы и выравнивания углеродного баланса территории. Учитывая разносомкнутость и разногустотность насаждений, произрастающих на отвалах, эти насаждения обладают различными запасами углерода как по общей массе, так и по фракциям (табл. 2).

Таблица 2

в древесных насаждениях т га-

Сомкнутость Стволы Хвоя и ветви Травостой Лесная Всего, т

крон подстилка

Сосновые насаждения

30 14,0 19,4 2,0 2,0 37,4

60 61,0 20,5 0,3 4,7 86,5

90 105,0 26,9 0,1 4,1 136,1

Березовые насаждения

30 23,0 22,0 1,7 3,6 50,3

60 101,0 26,8 0,2 2,1 130,1

90 84,0 26,4 0,1 2,4 112,9

Наибольшие общие запасы углерода средневозрастных насаждений определены в сомкнутых сосновых насаждениях (136,1 т га-1) и среднесомкнутых березовых насаждениях (130,1 т га-1), при этом доля стволовой фракции углерода составляет 70-77%. В несомнутых насаждениях существенна доля нестволовой древесины (ветви, хвоя или листва) - 43,7% в березняках, а в несомкнутых сосняках эта

фракция является преобладающей 51,8% (табл. 2). Сравнение абсолютных показателей свидетельствует, что запасы углерода и фитомассы в общем нестволовой части древостоев очень близки по значениям между несомкнутыми и сомкнутыми насаждениями, в то время как их густота различается в 10 и более раз. Учитывая, что процесс фотосинтеза обусловлен именно кронами, с позиций

долголетнего депонирования углерода несомкнутые насаждения могут быть равнозначны сомкнутым насаждениям, а поскольку при малой сомкнутости имеется свободное пространство для дальнейшего формирования фотосинтезирующего аппарата -по объемам уловления углекислого газа насаждения с низкой (до 200-500 деревьев на 1 га) могут впоследствии превзойти перегущенные (свыше 1500-2500 деревьев на 1 га).

Несомкнутые березовые насаждения обладают большими общими запасами углерода (на 44%), по сравнению с аналогичными по сомкнутости сосняками, в то время как при смыкании крон обе категории насаждений обладают сопоставимыми параметрами. В несомкнутых насаждениях доля углерода фракций травостоя и подстилки составляет 1014%, в среднесомкнутых она составляет 1,73,6%.

Эколого-ценотическая структура живого напочвенного покрова (ЖНП) является интегральным показателем соответствия, восстанавливающийся фитоценозов стадии

сукцессии и ее направленности. Общее проективное покрытие (ОПП) травостоя в насаждениях прямо пропорционально сомкнутости крон - в несомкнутых насаждениях оно соответствует безлесным сложным позднесукцессионным растительным

группировкам самозарастающих отвалов Кузбасса, с резким преобладанием луговых видов - злаков (виды доминанты - Dactylis glomerata L., Calamagrostis epigeios L., Poa angustifolia L., Achillea millefolium L.), разнотравья (Achillea millefolium L., Phlemis tuberosa (L.) Moench, Fragaria viridis L.), и бобовых (Vicia cracca L., Trifolium pratense L., Vicia sepium L., Lathyrus pratensis L.) (табл. 3). В среднесомкнутых насаждениях ОПП снижается в 2 и более раз, при сохранении, в целом, видового состава и долевого участия луговых видов, и возрастании участия рудеральных видов - Artemisia sieversiana Willd., Cirsium setosum (Willd.) Bes., Melilotus albus Medicus, Taraxacum officinale F.H. Wigg. и Tussilago farfara L. и др., что свидетельствует о резком торможении сукцессионных процессов при начальном смыкании крон древостоев.

Таблица 3

Характеристики живого напочвенного покрова насаждений

Сомкнутость крон, % Общее проективное покрытие, % Доля эколого-ценотических групп

Рудералы | Лесные | Луговые | Прочие

Сосновые насаждения

30 88,4 18,0 5,9 64,4 0,1

60 31 ,6 14,9 2,5 14,1 0,1

90 11 ,1 1,0 10 0 1 0,0

Березовые насаждения

30 91 ,1 5,5 5,0 80,6 0,0

60 52 ,0 7,4 5,3 39,3 0,0

90 2,6 0,4 0,5 1,7 0,1

Сомкнутые насаждения

мертвопокровные, в то же время для них характерно поселение лесных видов, имеющих положительную реакцию на произрастания под аллелопатическим воздействием сосны обыкновенной. К таковым видам следует отнести ОгШ'Иа Бесиг^а 1_. - там, где она произрастает, проективное покрытие ЖНП достигает 10 %, а также ЫеоШапШе сиси11а1а 1_. БсЫ1:г. - краснокнижный вид, отмеченный на отвалах только под покровом средневозрастных сосняков.

Выводы.

1. Березовые и сосновые насаждения, произрастающие на отвалах Листвянского угольного разреза, при отсутствии неблагоприятных внешних факторов обладают благонадежным жизненным состоянием.

2. Сомкнутые насаждения мертвопокровные - поселение лесных видов, устойчивык к произрастанию под пологом деревьев-ярусообразователей, на отвалах лимитируется отсутствием источников семенного материала.

3. Среднесомкнутые насаждения густотой 0,6-0,9 обладают наибольшей продуктивностью в качестве карбоновых ферм и характеризуются оптимальным сочетанием условий накопления биомассы и формирования развитого поликомпонентного живого напочвенного покрова.

4. Несомкнутые древесные насаждения обладают благоприятными условиями для формирования травянистого яруса и перспективны с точки зрения долголетнего депонирования углерода атмосферы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баранник Л.П. Естественное зарастание угольных отвалов в Кузбассе // Охрана горных ландшафтов Сибири. - Новосибирск, 1973. - С. 52-58.

2. Баранник Л.П. Биоэкологические принципы лесной рекультивации. - Новосибирск, 1988. -

81 с.

3. Уфимцев В.И. Естественное возобновление и семеношение сосновых насаждений на отвалах Кузбасса // Сибирский лесной журнал. - 2016. - № 6. - С. 84-93.

4. Анучин Н.П. Лесная таксация. - Москва: Лесная промышленность, 1977. - 512 с.

5. Таблицы и модели хода роста и продуктивности насаждений основных лесообразующих пород Северной Евразии. Нормативно-справочные материалы. - М., 2006. - 803 с.

6. Satoo T.A synthesis of studies by the harvest method: primary produc-tion relations in the temperate deciduous forests of Japan. In: D. E. Reichle (ed.). Analysis of temperate forest ecosystems. Eco-logical Studies. Springer-Verlag. New York. 1970. Vol. 1. P. 55-72.

7. Полевая геоботаника / ред. Е.М. Лавренко, А.А. Корчагин. - М., Л., 1976. - Т. 5. - 320 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.