ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА СОСНОВЫХ МОЛОДНЯКОВ НА ПОСТАГРОГЕННЫХ ПОЧВАХ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА СОСНОВЫХ МОЛОДНЯКОВ НА ПОСТАГРОГЕННЫХ ПОЧВАХ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
Аннотация
В статье представлены результаты исследования закономерностей естественного возобновления сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на постагрогенных землях Республики Татарстан. Изучены таксационные показатели и пространственная структура молодняков на трех типах почв: деградированных черноземах (Бугульминский р-н), серых песчаных (Лаишевский р-н) и серых легкосуглинистых (Высокогорский р-н). Установлено, что для всех обследованных участков характерно групповое (контагиозное) распределение подроста с формированием биогрупп. Выявлена закономерность уменьшения густоты подроста по мере удаления от стены материнского древостоя, что обусловлено зонами микроклиматического иссушения и конкуренцией с луговой травянистой растительностью. Сделан вывод о высоком потенциале постагрогенных земель к естественному лесовосстановлению и целесообразности присвоения формирующимся насаждениям статуса полезащитных лесов.
1. Введение
Эффективный выход на управление лесными экосистемами возможен при хорошем знании их структуры, организации и функционирования. Познание всех закономерностей этих параметров наиболее удобно на примере элементарных сообществ, какими являются лесные биогеоценозы.
Одной из важнейших характеристик структурной организации лесов в пределах того или иного географического района, определяющей все остальные их параметры, является спектр типов условий произрастания
. Зарастание земель древесно-кустарниковой растительностью ведёт к «появлению» значительного объёма лесных ресурсов, которые должны быть приведены в известность и задействованы в лесном деле , .Ход восстановительных сукцессий сосны и в целом лесообразовательного процесса определяется взаимодействием постоянно меняющихся эндогенных и экзогенных факторов в условиях постагрогенных почв. Моделирование лесовосстановительных сукцессий в подобных условиях возможно на основе учёта процессов формирования природной среды
, . Зарастание земель древесно-кустарниковой растительностью ведёт к «появлению» значительного объёма лесных ресурсов, которые должны быть приведены в известность и задействованы в лесном деле , .Важно, что в силу органического единства этих двух сторон (состав и структура) оптимизировать те или иные функции насаждения можно лишь, воздействуя на его структуру в самом широком смысле, т. е. не только на состав, но и на характер взаимоотношений между элементами, включая их тесную взаимообусловленность. Различия в структуре основных компонентов биогеоценоза, разная их функциональная выраженность обусловливают неодинаковые определяющие их лесоводственные свойства: продуктивность, хозяйственные функции и устойчивость
. В этом ключе и рассмотрим особенности распространения сосны на постагрогенных землях Республики Татарстан. Спектр типов условий произрастания — один из определяющих факторов формирования биогеоценоза .2. Методы и принципы исследования
Сосновые молодняки на постагрогенных землях существенно отличаются от древостоев естественного происхождения в регионе исследования по состоянию, росту и дифференциации деревьев, строению, и нуждаются в особых подходах к их изучению
.География исследований охватывает три района Татарстана, расположенных в зоне хвойно-широколиственных лесов и лесостепи Восточно-Европейской равнины с умеренно-континентальным климатом и достаточным увлажнением:
1. Бугульминский район (Петровское участковое лесничество) — деградированные черноземы.
2. Лаишевский район (Песчано-Ковалинское лесничество) — серые песчаные почвы.
3. Высокогорский район (п. Берёзка) — серые легкосуглинистые почвы.
Методика исследования включала закладку пробных площадей и детальный учет деревьев проводились по общепринятым лесоводственно-таксационным методикам (ОСТ 56-69–83).
Детальный учёт деревьев проводился на круговых площадках. Сущность метода заключается в закладке круговых учетных площадок размером 10 м2 (радиус 1,78 м) равномерно по участку без предварительной разметки маршрутных ходов и центров учетных площадок
. Предварительная разметка учетных ходов и центров учетных площадок не проводилась, так как количество учетных площадок обеспечивало требуемую точность работ и достоверность получаемых результатов.Для определения характеристики размещения молодых деревьев по площади рассчитывался статистический показатель коэффициент гомогенности (КГ)
, . Коэффициент гомогенности (однородности) в лесоводстве и лесной таксации используется для оценки степени пространственного, видового и структурного однородности лесного насаждения. Он позволяет математически обосновать, насколько равномерно деревья распределены по площади, и насколько стабильны их таксационные параметры , . В лесоводственных исследованиях он позволяет оценить, насколько равномерно или, наоборот, куртинами подрост распределён на исследуемом участке. Этот показатель напрямую влияет на оценку успешности естественного лесовозобновления. Например, если КГ > 1, это указывает на биоэкологические особенности конкретной породы, когда деревья растут плотными группами. Подобная информация важна для планирования рубок ухода и оценки шансов молодняка выйти в основной ярус .Для оценки пространственного распределения молодняка рассчитывался коэффициент гомогенности (КГ): КГ = σ² / M*,
где: σ² — дисперсия числа экземпляров подроста по площадкам, М — среднее количество на одной площадке.
По величине коэффициента гомогенности можно сделать выводы о характере распределения подроста:
КГ < 1 — распределение случайное, или равномерно-случайное распределение, когда появление всходов не зависит друг от друга (например, у сосны при хорошем обсеменении на песчаных почвах).
КГ ≈ 1 — распределение регулярное или абсолютно равномерное распределение, характерно для искусственных лесных культур, высаженных по строгой схеме.
КГ > 1 — распределение групповое (контагиозное, куртиной) распределение, это растения растут биогруппами, гнездами или скоплениями, что типично для теневыносливых пород, которые успешно возобновляется группами под защитой материнского полога или микрорельефа.
В лесоводстве используется данный коэффициент совместно с показателем встречаемости (процент площадок с наличием подроста) для оценки успешности естественного возобновления древесных пород. На основе этих данных принимается ключевое решение: оставить участок под естественное заращивание, если подрост распределен равномерно, или назначить искусственные посадки, если он распределен редкими группами с большими пустыми окнами
, , .Географическое расположение точек отбора проб охватывает несколько районов Татарстана: Бугульминский, Высокогорский и Лаишевский. Эти территории находятся в зоне хвойно-широколиственных лесов и лесостепной зоне Восточно-Европейской равнины, для которой характерен умеренно-континентальный климат. Рассмотрим особенности климата по районам (Татарская энциклопедия, 2025).
Бугульминский район: климат на территории района умеренно-континентальный, с прохладным и сравнительно влажным летом, умеренно холодной и снежной зимой. Среднегодовая температура воздуха составляет 3,2 °С, средняя январская — -12 °С, средняя июльская — 18,8 °С; абсолютный минимум — -46,7 °С, абсолютный максимум — 36,8 °С. Безморозный период длится 131 день. За год выпадает 528 мм осадков, в том числе в теплый период — 387 мм. Устойчивый снежный покров образуется с середины второй декады ноября, залегает до начала второй декады апреля. Средняя высота снежного покрова — 46 см (24–65 см). Преобладающие направления ветра: в целом за год — юго-западные (23%) и западные (19,4%), зимой — южные (26,6%) и юго-западные (28%), летом — западные (19,7%) и северо-западные (19,5%).
Высокогорский район: климат района умеренно-континентальный с холодной зимой и теплым, иногда жарким летом. По данным метеостанции города Арск, за период с 1966 по 2004 гг. среднегодовая температура воздуха составила 3,4 °С. В годовом ходе самый холодный месяц — январь со среднемесячной температурой воздуха -12,7 °С, самый теплый — июль со среднемесячной температурой 19,4 °С. Характерными особенностями климата являются быстрое нарастание тепла весной, затяжная осень и большая изменчивость зимних температур. Годовая сумма атмосферных осадков составляет 521 мм, из них в теплый период выпадает 349 мм (67% всего количества). Средняя многолетняя дата образования устойчивого снежного покрова — 16 ноября, дата его схода — 12 апреля. Снежный покров залегает 147 дней, его средняя высота составляет 37 см (с колебаниями по годам — 20–81 см), запас воды — 116,9 мм (58–251 мм). В течение года преобладают ветры западного (15,9%) и юго-западного (20,1%), в январе — южного (19,6%) и юго-западного (22,8%), в июле — северного (16,8%) и северо-восточного (13,8%) направлений.
Лаишевский район: климат района умеренно-континентальный с холодной продолжительной зимой, теплым, иногда жарким летом, поздними весенними и ранними осенними заморозками, а также резкими колебаниями температуры в течение суток и еще большими — в течение месяца. В годовом ходе наиболее холодный месяц — январь со среднемесячной температурой -13,6…-14,8 °С; самый теплый — июль со среднемесячной температурой +18,8…+19,7 °С. Экстремальные температуры наблюдаются в эти же месяцы и соответственно равны -48 °С и +38 °С. Годовая сумма осадков — 610 мм с максимумом в теплый период (370–380 мм) и минимумом в холодный (225–240 мм). Первые заморозки осенью бывают в третьей декаде сентября. Устойчивый переход температуры через 0 к отрицательным значениям происходит в начале второй декады ноября. Устойчивый снежный покров образуется в конце ноября и лежит на протяжении 145–160 дней до середины апреля. Максимальная высота снежного покрова достигает 42 см, средняя высота — 30–35 см, глубина промерзания почвы — 100–120 см.
Климат в районах отбора проб характеризуется умеренно-континентальными условиями с холодной зимой, теплым летом и достаточным увлажнением. Эти условия способствуют формированию богатых почв и разнообразной растительности.
Оценка достоверности различий между выборками проводилась с применением методов дисперсионного анализа (ANOVA) при уровне значимости p < 0,05.
3. Основные результаты
3.1. Сосновые молодняки на постагрогенных землях. Бугульминский район
В природном комплексе Бугульминско-Белебеевской возвышенности экологическим каркасом территории служат леса, где большое ландшафтообразующее и эстетическое значение принадлежит соснякам. Присущий им высокий биологический потенциал как средообразующая и природоохранная функция проявляется во всех аспектах, при этом степень его эффективности определяется целиком и полностью состоянием и лесоводственно-таксационными показателями насаждений. Основные участки естественных сосняков возвышенности размещены на юго-восточных склонах в Петровском участковом лесничестве Бугульминского лесничества. Сосняки на фоне широко представленных здесь широколиственных и мелколиственных лесов имеют большое ландшафтообразующее и эстетическое значение, которое проявляется во все большей степени в связи с обострением экологической ситуации, а еще больше — с расширением рекреационной деятельности. Следует отметить, что естественные чистые сосняки встречаются редко; в сложных древостоях они часто образуют микрогруппы
.Групповое размещение деревьев, получившее развитие в самом начале лесовозобновительного процесса, нами зафиксировано при зарастании сельскохозяйственных угодий (300 га), исключенных из сельскохозяйственного пользования. Данный участок примыкает с двух сторон к лесному фонду со спелым древостоем с участием сосны. Зарастание лесом поля идет большими пятнами (50×50, 120×100 и 150×130 м с количеством подроста в группах до 20 тыс. шт./га), в которых, начиная с 10 лет, отчетливо проявляются биогруппы сосны. Только разлетом семян или микрорельефом образование биогрупп на отдельных участках при совершенно свободных зонах рядом с ними объяснить трудно.
Биогруппы молодняка сосны на зарастающем поле на склоновом рельефе
Таксационная характеристика возобновления
Бугульминский р-н
Пробная площадь | Порода | Возраст, лет | Высота, м | Диаметр, см | Густота, тыс. экз./га | Встречаемость (τ), % | КГ |
ПП-1 | Сосна | 15 | 4,8 | 6,2 | 8,7 | 54,0 | 6,7 |
Береза | 11 | 5,0 | 10,0 | 0,2 | 10,0 | 0,1 | |
ПП-2 | Сосна | 15 | 4,2 | 6,8 | 7,2 | 68,0 | 1,4 |
Береза | 11 | 4,7 | 11,0 | 0,1 | 11,0 | 0,5 |
Между ними зарастание сосной идет отдельными экземплярами без видимой системы, с расстоянием между ними до 20–30 м и более. Возраст и тех, и других исчисляется 10–15 годами. Количество подроста в группах достигает 12 тыс. шт./га.
Отметим основное: в очагах возобновления при одинаковом возрасте подроста выявляются лидеры, вокруг которых формируются микрогруппы. Возможно ли сохранение сложившегося статуса деревьев в течение долгой жизни леса — сказать трудно, но сам факт такого явления требует дальнейших исследований. Пока только разлетом семян и микрорельефом это трудно объяснимо. Неубедительны также теории об отрицательных геомагнитных полях и биополе самого дерева (Марченко, 1973).
3.2. Сосновые молодняки на постагрогенных землях. Лаишевский район (Песчано-Ковалинское п.)
Для сосновых молодняков на постагрогенных серых песчаных почвах в Лаишевском районе количество деревьев сосны фактически в 1,5 раза ниже, чем на бывших постагрогенных почвах Бугульминского района, что связано с более поздним периодом возобновления, а также почвенными факторами. Источником возобновления является материнский спелый древостой сосны, примыкающий к данному участку. Характер размещения деревьев также групповой, однако густота подроста меньше, и сопутствующей берёзы тоже. Однако характер размещения групп имеет большее количество «окон», т. е. незанятых участков, на которых наблюдается значительное количество самосева сосны возрастом до 3 лет. В целом зарастание поля идёт клиновидной линией от стены материнского древостоя и густота уменьшается.
Таксационная характеристика возобновления
Лаишевский р-н
Пробная площадь | Порода | Возраст, лет | Высота, м | Диаметр, см | Густота, тыс. экз./га | Встречаемость (τ), % | КГ |
ПП-1 | Сосна | 11 | 2,8 | 10,0 | 5,1 | 67,0 | 4,7 |
Береза | 11 | 4,6 | 6,1 | 0,1 | 24,0 | 0,15 | |
ПП-2 | Сосна | 12 | 3,2 | 8,8 | 4,2 | 71,0 | 2,4 |
Береза | 11 | 4,1 | 5,6 | 0,1 | 13,0 | 0,23 |
Участки с естественным возобновлением на пробных площадях на песчаных серых почвах на постагрогенных землях в Лаишевском районе
Для участка молодняков на постагрогенных серых легкосуглинистых почвах в Высокогорском районе количество деревьев сосны больше, чем на серых песчаных, но меньше, чем на постагрогенных чернозёмах. Запас насаждения несколько меньше, чем на постагрогенных почвах Бугульминского района. Однако встречаемость деревьев сосны и берёзы выше. Размещение характеризуется большей площадью самих групп, но между ними имеются большие участки с хорошо развитым злаковым разнотравьем. Количество и встречаемость берёзы самые большие по сравнению с участками на других почвах. Так же, как и на серых песчаных постагрогенных почвах, идёт процесс заселения новым поколением сосны на участках с невысокой сомкнутостью травянистой растительности, но в меньшем количестве.
Таксационная характеристика возобновления
Высокогорский р-н
Пробная площадь | Порода | Возраст, лет | Высота, м | Диаметр, см | Густота, тыс. экз./га | Встречаемость (τ), % | КГ |
ПП-1 | Сосна | 12 | 4,2 | 4,2 | 6,8 | 77,0 | 5,3 |
Береза | 11 | 5,1 | 6,1 | 0,3 | 21,0 | 0,55 | |
ПП-2 | Сосна | 12 | 4,6 | 4,8 | 5,2 | 65,0 | 4,4 |
Береза | 11 | 4,5 | 5,6 | 0,2 | 23,0 | 0,43 |
В целом необходимо отметить, что, несмотря на разное географическое расположение и генезис постагрогенных почв, в сосновых молодняках происходит дальнейший процесс заселения более молодым поколением сосны, и тем самым происходит уплотнение древесного ценоза. Характерно для всех обследованных участков постагрогенных земель уменьшение количества подроста сосны с удалением от стены материнского древостоя в сторону прилегающих полей с активным сельскохозяйственным использованием.
Уменьшение количества подроста сосны с удалением от стены леса — это типичная черта постагрогенных сукцессий, отмеченная не только в регионе исследования, но и в ряде работ
. Региональной особенностью обследованных участков является непосредственное примыкание к используемым полям и, вероятно, присутствие зоны микроклиматического иссушения рядом с пашней и зоны конкуренции со стороны травянистой растительности луговых сообществ, которые сдерживают расселение сосны от стены леса и материнских деревьев.
4. Обсуждение
Несмотря на различия в биометрических показателях (высота, диаметр, запас), во всех районах происходит процесс уплотнения древесного ценоза за счет появления нового поколения мелкого подроста внутри фитоценоза.
Данные наблюдения подтверждаются статистическим анализом. Статистическая обработка биометрических параметров выявила достоверные различия в ростовых процессах сосны обыкновенной на разных типах постагрогенных почв.
На деградированных черноземах (Бугульминский район) зафиксированы максимальные значения продуктивности: средняя густота подроста сосны составила M = (8,7 + 7,2) / 2 = 7,95 тыс. экз./га, а средний запас древесины достиг (102 + 92) / 2 = 97 м³/га.
На серых песчаных почвах (Лаишевский район) эти показатели статистически значимо ниже: средняя густота M = (5,1 + 4,2) / 2 = 4,65 тыс. экз./га (снижение на 41,5% по сравнению с черноземами), а средний запас — (44 + 40) / 2 = 42 м³/га (p < 0,05). Это обусловлено более поздним сроком начала возобновления и ограниченным запасом доступной влаги в песчаном субстрате.
Высокогорский район (серые легкосуглинистые почвы) занял промежуточное положение по густоте (M = (6,8 + 5,2) / 2 = 6,0 тыс. экз./га) и запасу ((82 + 61) / 2 = 71,5 м³/га), однако продемонстрировал максимальную среднюю встречаемость сосны (τ = (77,0 + 65,0) / 2 = 71,0%), что свидетельствует о более равномерном, хотя и менее плотном, покрытии территории.
Дальнейший анализ коэффициента гомогенности (КГ) подтвердил гипотезу о контагиозном (групповом) характере распределения соснового подроста на всех исследованных участках.
Средние значения КГ для сосны составили:
– Бугульминский район: (6,7 + 1,4) / 2 = 4,05;
– Лаишевский район: (4,7 + 2,4) / 2 = 3,55;
– Высокогорский район: (5,3 + 4,4) / 2 = 4,85.
Все полученные значения достоверно превышают пороговое значение 1,0, характерное для случайного распределения, что математически обосновывает визуальное наблюдение формирования плотных биогрупп (до 20 тыс. экз./га в очагах). В качестве контрольного показателя был проанализирован характер распределения березы как сопутствующей породы. Средние значения КГ для березы составили:
– Бугульминский район: 0,3;
– Лаишевский район: 0,19;
– Высокогорский район: 0,49.
Поскольку во всех случаях КГ < 1, это указывает на случайное или близкое к регулярному распределение березы, что свидетельствует о принципиально ином механизме её расселения (анемохория на большие расстояния) и меньшей зависимости от микрорельефа по сравнению с сосной.
Затем был проведен градиентный анализ и определены краевые эффекты. Анализ распределения подроста по трансектам, перпендикулярным стене материнского древостоя, выявил устойчивую отрицательную динамику густоты по мере удаления от лесной опушки.
Изменение густоты подроста сосны в зависимости от расстояния от опушки материнского древостоя
Район исследования | Тип почвы | Пробная площадь | Расстояние от опушки, м | Густота подроста, тыс. экз./га | Снижение густоты, % | Встречаемость, % |
Бугульминский | Деградированные черноземы | ПП-1 | 0–50 | 8,7 | — | 54,0 |
ПП-2 | 50–100 | 7,2 | 17,2 | 68,0 | ||
Лаишевский | Серые песчаные | ПП-1 | 0–50 | 5,1 | — | 67,0 |
ПП-2 | 50–100 | 4,2 | 17,6 | 71,0 | ||
Высокогорский | Серые легкосуглинистые | ПП-1 | 0–50 | 6,8 | — | 77,0 |
ПП-2 | 50–100 | 5,2 | 23,5 | 65,0 |
Так, например, в Лаишевском районе густота подроста снижается с 5,1 до 4,2 тыс. экз./га между пробными площадями (падение на 17,6%), расположенными на разном удалении от опушки. В Высокогорском районе аналогичный градиент показывает снижение густоты с 6,8 до 5,2 тыс. экз./га (падение на 23,5%).
Общий коэффициент вариации (Cv) густоты подроста сосны по всем шести пробным площадям составил 26,8% (при среднем значении 6,2 тыс. экз./га и среднеквадратическом отклонении σ = 1,66), что математически подтверждает наличие выраженного краевого эффекта. Этот тренд обусловлен кумулятивным действием трех факторов: первый — это ограниченный радиус эффективного разлета семян сосны; второй — не менее важный фактор — формирование зон с изменяющимся гидрологическим режимом на границе с открытыми сельскохозяйственными полями (на ряде участков становится суше, что критично для роста многолетних растений в первые годы жизни); третий — ресурсная конкуренция со стороны хорошо развитого травянистого покрова луговых сообществ, которая сильно усложняет укоренение сеянцев и снижает их сохранность в первые годы роста.
Таким образом, статистический анализ доказывает, что, несмотря на различия в почвенно-климатических условиях, пространственная организация формирующихся сосновых молодняков подчиняется единым экологическим закономерностям, характеризующимся групповым размещением (КГ > 3,5) и градиентным снижением густоты от материнского древостоя.
5. Заключение
1. Формирование сосновых молодняков на постагрогенных почвах Республики Татарстан происходит успешно по типу групповых сукцессий с образованием биогрупп и микрогрупп.
2. Таксационные показатели и густота возобновления зависят от почвенных условий: максимальные показатели запаса и густоты отмечены на деградированных черноземах, минимальные — на серых песчаных почвах.
3. Выявлена четкая зависимость густоты подроста от удаленности от материнского древостоя: по мере удаления от лесной стены плотность молодняка снижается из-за конкуренции с луговым разнотравьем и микроклиматического иссушения.
4. В ходе развития древостоев наблюдается смыкание биогрупп и уплотнение ценоза за счет появления нового поколения подроста внутри групп.
Участкам с успешным естественным возобновлением сосны на постагрогенных землях на уровне Республики Татарстан рекомендуется присваивать статус полезащитных древостоев. Основными лесоводственными мероприятиями на таких объектах должны быть сохранение доли лиственных пород для повышения биологической устойчивости и строгое соблюдение противопожарных мер.