Статья: Управляемое восстановление лесных экосистем на песчаных техногенных субстратах крайнесеверной тайги Европейского северо-востока России

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН

Управляемое восстановление лесных экосистем на песчаных техногенных субстратах крайнесеверной тайги Европейского северо-востока России

И.А. Лиханова, В.А. Ковалева

г. Сыктывкар, Россия

Аннотация

Приведены данные по восьмилетней динамике искусственного фитоценоза, почвы и почвенного микробоценоза, формирующихся на песчаных техногенных субстратах в биоклиматических условиях крайнесеверной тайги Европейского северо-востока России после применения традиционной (посадка древесных растений без дополнительных агроприемов) и оптимизированной (посадка древесных растений с посевом трав и внесением удобрений) технологий лесной рекультивации. Показана целесообразность сочетания посадки древесных растений и создания искусственного травостоя при обязательномуправлении его развитием в последующем. Для закрепления техногенного субстрата, накопления органического материала, с одной стороны, и удовлетворительного роста древесных растений - с другой, целесообразно создание травостоя с наземной фитомассой в пределах 150-200 г/м2. Биологический способ улучшения субстрата позволяет к восьмому году управляемой сукцессии аккумулировать более 780 г/м2 органического вещества на/в почве рекультивированного участка. Значительно снизить риски при формировании древесного яруса в посттехногенных экосистемах позволяет использование крупномерного посадочного материала местного происхождения, высаживаемого на рекультивируемой территории с комом земли.

Ключевые слова: Pinus sylvestris; лесная рекультивация; управляемая сукцессия; искусственный травостой; песчаный техногенный субстрат; экосистема; почвенный микробоценоз.

Effective methods for restoring damaged areas are required now due to the recent intensification of natural resource extraction in the north of the taiga zone of the European northeast of Russia. However, approaches of forest recultivation for this region are still under development. The aim of our research was to justify planting of trees simultaneously with creation of an artificial herb cover from perennial grasses.

We started an experiment including trials with planting of Pinus sylvestris L. (seedlings and large wide trees), without tree planting and with simultaneous planting of perennial herbs and application of organic and mineral fertilizers. Care of artificial communities included addition of plantings. In trials with herbs, it included addition of mineral fertilizers (See Table 1). The experimental plot was laid at a dry sandy quarry in the far northern taiga (66°1643'N, 57°16'41''E). We studied the dynamics of biometric parameters and phytopathological state annually during eight years in tree plantings. We also estimated the projective cover and mean tree height. The aboveground phytomass was assessed by hay cutting, and the underground phytomass was by a monolith approach. It soil samples, we determined potentiometric water pH, organic carbon and nitrogen by gas chromathography; labile potassium and phosphorus by Kirsanov's approach and exchangeable Са2+ and Mg2+ by the displacement by NH4Cl followed by atomic absorption analysis. Population of soil microorganisms was studied by diluting soil suspension followed by inoculation in standard media. In order to estimate the significance of differences in the trials, we used single-factor analysis of variance and a two-sample t-test with different variances.

Creation of pine cultures by local large wide trees with ground lump accelerated the formation of a tree layer in comparison with the use of seedlings (See Tables 2-6). In the trials without agricultural approaches, there was no vegetation cover and changes in the sandy substrate (See Tables 7 and 8). In the trials including tree and perennial herb planting with mineralization, a constant increase in the projective cover and phytomass was detected for the artificial herb layer, but this herb layer degraded quickly when these additions were stopped (See Fig. 1 and 2a). Due to this addition, by the 8th year of controlled succession, over 780 g/m2 of plant matter had been accumulated at the plot, the sandy substrate had been consolidated and its water-chemical and agrochemical properties had improved (See Table 7), biogeneity had increased (See Table 8), vascular plants had been implanted more actively and the moss layer formed by pioneer species had covered up to 70 % of the surface. In the trial with the average developed herb layer (phytomass about 170 g/m2), by the 8th year of the experiment, the medium height and livability of pine cultures had been higher (p=0.05) than in other trials with seedlings.

The livability and growth rate of seedlings in the trials with a well-developed herb layer (phytomass about 300 g/m2) did not differ from the trial with seedlings without fertilizers. Therefore, in order to consolidate the sandy technogenic substrate and to accumulate organic matter, on the one hand, and to reach a suitable pine growth rate, on the other hand, it is good to create a herb layer with phytomass about 150-200 g/m2.

The paper contains 2 Figures, 8 Tables and 44 References.

Key words: Pinus sylvestris; forest recultivation; controlled succession; artificial herb layer; sandy technogenic substrate, ecosystem; soil microbial coenosis.

Funding: The work was carried out within the state task “Revealing general patterns in the formation and functioning of peat soils in the Arctic and Subarctic sectors of the Russian European Northeast” (No AAAA-A17-117122290011-5).

Введение

В связи с увеличением площади нарушенных земель на севере таежной зоны европейской части России требуется разработка результативных тех-нологий их восстановления. К настоящему времени основным и наиболее разработанным приемом рекультивации в данном регионе стал метод «за- лужения» - искусственного создания на техногенных территориях травяни-стых сообществ [1--3]. Лесная рекультивация на нарушенных землях север-ных регионов исследована недостаточно. Первые опыты по посадке культур на нарушенных землях Европейского Севера начаты Л.П. Капелькиной [4],

В.И. Парфенюком [5], однако эти и более поздние публикации [6, 7] дают от-рывочные данные об управляемом восстановлении лесных экосистем на на-рушенных землях таежной зоны Европейского Севера. В имеющиеся реги-ональные руководства по биологической рекультивации на северо-востоке европейской части России мероприятия по посадке древесных растений не включены, основное внимание в них уделено созданию травянистых экоси-стем [8, 9]. Однако в последнее время многими исследователями подчерки-вается важность восстановления экологических функций экосистем на нару-шенных землях [10, 11]. В таежной зоне это может быть достигнуто за счет формирования на техногенно нарушенных территориях лесных экосистем, сходных по своему строению с природными экосистемами, уничтоженны-ми в результате антропогенной деятельности [12]. Применение метода «за- лужения» недостаточно для решения задачи формирования на посттехно-генных территориях древесного яруса. Более того, в ряде случаев развитый травостой может быть фактором, ограничивающим внедрение в сообщество древесных растений [13]. С другой стороны, традиционная технология лесо- рекультивационных работ, предусматривающая посадку только древесных растений [12], малоэффективна в целях защиты нарушенных земель от эро-зии. В связи с этим исследователи рекомендуют в мероприятия по лесной рекультивации включать посев трав [13, 14]. Отмечено благоприятное вли-яние посевов колосняка песчаного на культуры сосны, созданные на песча-ных пустошах Кольского полуострова [15]. Включение посева многолетних трав в комплекс лесорекультивационных работ широко используется для на-рушенных территорий восточной части США [14]. Травосеяние позволяет прекратить эрозионные процессы, активизировать процессы почвообразо-вания и развития почвенного микробного сообщества [16]. Однако густые покровы травянистых растений могут неблагоприятно влиять на рост вы-саженных древесных растений из-за конкуренции, снижать биоразнообра-зие и препятствовать накоплению биомассы в формирующихся экосистемах [17, 18]. Более оптимальным считается применение местных видов трав, по сравнению с интродуцированными [19]. Для биологической рекультивации используются как сеянцы, так и крупномерный посадочный материал - са-женцы и дички древесных пород [7, 16, 20].

Цель работы - обосновать целесообразность применения в биоклима- тических условиях крайнесеверной тайги оптимизированной технологии лесной рекультивации нарушенных земель, заключающейся в посадке дре-весных пород одновременно с созданием искусственного травостоя из мно-голетних злаков.

Материалы и методики исследования

Экспериментальные работы проведены на территории Усинского района Республики Коми (подзона крайнесеверной тайги, Европейский северо-вос-ток России). Выбор района исследований обусловлен как активизацией в последние годы его промышленного освоения, так и суровостью природ-но-климатических условий, усложняющих процессы лесовосстановления на рекультивируемых территориях. Среднегодовая температура воздуха -3,2°С. На водоразделах господствуют разреженные еловые и елово-бере-зовые леса. Небольшими массивами располагаются сосняки. Сомкнутость крон 0,3--0,5, высота 8-15 м, бонитет - преимущественно Vа [21]. Лесные экосистемы находятся здесь на северной границе своего распространения и поэтому крайне неустойчивы.

Полевой опыт заложен в 2006 г. на типичном техногенном объекте - пес-чаном карьере площадью 32 га (66°16'43''N, 57°16'41''E). Карьер разработан на территории березово-елового бруснично-зеленомошного леса с приме-сью сосны и лиственницы. Почвенный покров представлен подзолами ил-лювиально-железистыми. Отработка карьера закончена в 1984 г. В 1986 г. после технической рекультивации, включающей планировку поверхности, большая часть карьера оставлена под самозарастание. За двадцатилетний период самовосстановления растительный покров на площадке карьера не сформировался. Песчаный субстрат (содержание частиц мелкого песка 80%, крупного песка 10-11%, физической глины 5-7%) легко перевивался под действием воздушных потоков. Содержание в нем органического углерода (менее 0,1%), азота (менее 0,01%) и оксида калия (2,2-3,2 мг/100 г в.с.п.) низкое, величина рН близка к нейтральной. Верхний десятисантиметровый слой субстрата отличался низкой полевой влажностью (3-4%), сильной кон-трастностью температур. Неблагоприятные свойства субстрата в сочетании с суровыми биоклиматическими условиями определяют крайне медленное самозарастание песчаных обнажений антропогенного происхождения лесо-тундры и северной тайги [22].

В опыте испытывали две технологии лесной рекультивации: 1) традици-онную (с посадкой древесных растений без дополнительных агроприемов) и 2) оптимизированную (с посадкой древесных растений, сопровождающейся одновременным посевом трав и внесением удобрений). В качестве посадоч-ного материала использовали сеянцы и дички сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в связи с её засухоустойчивостью и малой требовательностью к почвенному плодородию [23]. Опыт включал 6 вариантов (табл. 1) [24]. В вариантах 1-4 высаживали 2-летние сеянцы из Удорского лесхоза высо-той 4,6±0,2 см с открытой корневой системой с размещением - 1*2 м. В ва-риантах 5-6 использованы 7-15-летние дички высотой 50,6±4,9 (вар. 5) - 54,7±6,2 см (вар. 6), изъятые на сильно нарушенных краевых участках близлежащего леса с комом земли 30*30*20 см и фрагментами напочвен- ного покрова и сразу же высаженные на опытные делянки с размещением 2^2 м. В вариантах 1-4 на опытные делянки высаживалось по 45 сеянцев, в 5-6 - по 24 дичка, повторность трехкратная. Варианты 1, 6 включали толь-ко посадку сосны. В вариантах 2-5 одновременно с посадкой вносили ком-плексное минеральное (азофоска из расчета 60 кг д.в./га по азоту, фосфо-ру и калию) и органическое («БИАК» - биологически активный компост, продукт биотехнологической переработки гидролизного лигнина - в дозе 5 т/га, либо лесная подстилка в дозе 3 т/га) удобрения, а также проводили посев травосмеси многолетних злаков (Poa pratensis L., Festuca rubra L., Festucapratensis Huds., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Phleum pratense L. в равных соотношениях при норме высева семян 20 кг/га). Посев трав осу-ществляли поверхностно с последующим прикатыванием. Система ухода в вариантах с посадкой сеянцев (1-4) включала дополнение культур на второй и третий год после закладки опыта, в вариантах с посевом трав (2-5) - вне-сение минеральных подкормок на второй - пятый годы (табл. 1), а также подсев трав в местах выдува семян на второй год. В контрольном варианте никаких рекультивационных мероприятий не проводили.

Таблица 1 [Table 1] Схема опыта по отработке приемов управляемого восстановления лесных экосистем

Примечание. «+» - агротехническое мероприятие проводилось; «-» - не проводилось. [Note. + an agrotechnical event was conducted; - an agrotechnical event was not conducted].

За восьмилетний период наблюдений в вариантах опыта оценивали ди-намику биометрических параметров посадок древесных пород [25] и их фитопатологическое состояние [26]. Ежегодно у всех выживших растений измеряли высоту, диаметр стволика, ширину кроны, степень пораженности грибными заболеваниями и энтомовредителями. Сохранность рассчитыва-лась как доля выживших растений. Ежегодно определяли проективное по-крытие и среднюю высоту травостоя. Надземную фитомассу учитывали ме-тодом укосов, подземную фитомассу - методом монолитов в пятикратной повторности [27]. В образцах почвогрунтов определяли рН водной вытяжки потенциометрически, содержание органического углерода и азота - мето-дом газовой хроматографии; подвижных форм соединений калия и фосфо-ра - методом Кирсанова; обменных оснований (Са2+, Mg2+) - вытеснением 1н NH4Cl с последующим атомно-абсорбционным определением [28]. На-звания почв даны в соответствии с «Классификацией и диагностикой почв России» [29]. Численность почвенных микроорганизмов определяли мето-дом разведения почвенной суспензии с последующим высевом ее на твер-дые питательные среды. Микроорганизмы-аммонификаторы учитывали на среде МПА (мясо-пептонный агар), минерализаторы азота - на КАА (крах-мало-аммиачный агар), олиготрофы - на голодном агаре, олигонитрофи- лы - на среде Эшби, грибы - на подкисленной среде Чапека [30]. Проведе-на статистическая обработка полученных результатов. Вычислены средние арифметические значения изучаемых параметров, их ошибки и границы до-верительных интервалов. Для оценки значимости различий биометрических параметров сосны в вариантах опыта использовали непараметрические кри-терии Краскела-Уоллиса и Уилкоксона при р=0,05 [24].

Результаты исследования и обсуждение

Рассмотрим формирование древесного яруса в вариантах опыта при применении разного посадочного материала. В культурах сеянцев сосны (вар. 1-4) приживаемость / сохранность ежегодно сокращалась, стабилизиру-ясь на шестой год только в вариантах с посевом трав (табл. 2). В первые годы после посадки из-за небольших размеров сеянцев некоторая их часть (около 10%) погребена песком в результате ветровой эрозии. Фактором, еще сильнее повлиявшим на культуры, стал патогенный: заражение сосны грибами Pha- cidium infestans Karst и Lophodermium seditiosum Mint. Распространенность болезней типа шютте в культурах сеянцев варьировала по годам наблюдений от 20-30% (вар. 2-4) до 40% (вар. 1). При этом порядка 87% погибших экзем-пляров сосны имели признаки грибного поражения ассимиляционного аппа-рата. Поражение сосны энтомовредителями отмечалось только на четвертый год опыта, когда 8% растений потеряли хвою из-за лжегусениц пилильщика- ткача (Acantholyda hieroglyphica Christ.). Значительное ослабление сосны вы-зывало физиологическое иссушение хвои. Те же причины гибели сосны отме-чены при лесомелиорации Кузоменских песков Кольского полуострова [15].

Таблица 2 [Table 2] Динамика приживаемости / сохранности (% от общего количества сеянцев / дичков) культур сосны в вариантах опыта (цифрами отмечены варианты опыта в соответствии с табл. 1)

По мере роста высаженных сеянцев наблюдалось усиление диффе-ренциации биометрических показателей культур между вариантами опы-та (табл. 3). Максимальными значениями показателей характеризовались культуры сосны в варианте 4. По высоте стволика сосны различия стали статистически значимыми начиная с четвертого года наблюдений, по его диаметру - с шестого года опыта, по диаметру кроны - с седьмого. Темпы роста деревьев в варианте 4 сопоставимы с темпами роста культур сосны на вырубках северотаежных сосняков лишайниковых, в вариантах 1-3 они значительно ниже [31].