Биологической предпосылкой длительного существования таежных лесов является непрерывно протекающий процесс появления под их пологом молодого поколения – подроста. Относительно благоприятные условия для его существования и последующего выхода в верхний ярус создаются после начала естественного разрежения материнского древостоя.
В местообитаниях коренных еловых типов после их уничтожения рубкой, топорами или в результате других стихийных явлений открытые пространства занимают пионерные мягколиственные сообщества, под пологом которых спустя 25–30 лет селится ель.
Успех естественного возобновления на раннем этапе определяется наличием семян и состоянием «ложа» для их прорастания. В таежных лесах травяно-кустарничковый и мохово-лишайниковый ярусы, лесная подстилка препятствует появлению всходов хвойных по род, особенно сосны. Как показали многолетние опыты, под пологом соснового древостоя, не тронутого или разреженного вырубкой, самосев сосны не появляется.
В тайге появлению молодых всходов сосны способствуют устойчивые низовые пожары, которые появляются, например, в условиях Фенноскандии через 80–100 лет (Зябченко С.В.). Санников С.Н. (1997) отмечает, что пожары в сосняках повторяются циклически с интервалом 100 лет. Автор указывает, что уровни обсеменения сосны на гарях, вырубках вполне достаточны, составляя в прилегающей к ней 50-метровой полосе 23–30%, а в 100-метровой – 14–18%. В сосняках зеленомошных, по его мнению, после устойчивого пожара условия оптимальны для появления и развития всходов.
На рост молодого поколения сильно влияет световой режим. Характерно, что даже в редких древостоях с разомкнутым пологом корневые системы деревьев находятся в сомкнутом состоянии и сосредотачиваются в верхних горизонтах почвы, препятствуя развитию корневых систем подроста и формированию его подземной массы. И только в образовавшихся за счет отмирания отдельных деревьев больших окнах (5–10 м в диаметре) сосновое молодое поколение выходит в верхний ярус.
По данным Зябченко С.С. (1984), в Северной Финляндии хорошее возобновление происходит на 25% вырубок, удовлетворительное на 20%. В Швеции около 50% лесных площадей обеспечены естественным возобновлением (Ваrring, 1974) и лишь 7% площади на вырубках не покрыты лесом (Ingelog, 1973). На долю естественного возобновления в европейских странах приходится 10-25% возобновляемой площади лесов (Wolfgang, 1978). Автором отмечается, что естественное возобновление концентрированных вырубок в таежной зоне проходит успешно, но в большинстве лиственными породами. Лесоводы с давних пор стремились разумно использовать природные особенности лесов. Так, еще в 1831 г. Перелыгин П. в «Начертаниях правил лесоводов» наметил меры по сбережению подроста при рубке леса. Л.Н. Ясынов (1882), обобщив накопившийся опыт, подчеркнул важность сбережения подроста ценных пород. Турский М.К. (1894) призывал лесоводов беречь при рубке сосновый подрост в Ткаченко М.С. (1933) установил, а затем другие исследователи подтвердили, что сохранение подроста не только создает экономию трудовых и денежных затрат на лесовосстановление, но и сокращает период наступления эксплуатационной спелости древостоев на 20–40 лет.
Успешное естественное возобновление за счет сохранения предварительного возобновления отмечено для сосновых лесов Урала. В сухих условиях произрастания оптимизм возобновления под пологом спелых и перестойных насаждений сосны отмечен при полноте 0,7 (Воробьев, 1967), в свежих – 0,8–0,9 (Романов, 1963; Воробьев, 1967); для сосновых лесов Урала – 0,6–0,7 (Луганский, 1974).
Ряд авторов (Побединский, 1986; Обыденников, 1990, 1986 и др.) указывают на прямую зависимость успешности лесовозобновления от технологии лесозаготовок. Степень воздействия лесозаготовительной техники на почвенно-растительный покров различается в зависимости от зонально-типологических особенностей лесов, сезона заготовок, конструктивных особенностей машин и технологических процессов лесосечных работ. На сплошных вырубках в одном и том же типе соснового леса в зависимости от сезона и технологии вырубок, сохранности подроста, способа очистки лесосек, степени минерализации почвы и условий обсеменения могут образоваться несколько качественно различных эколого-динамических рядов возобновления и развития насаждений – типов формирования (Соловьев, 1968; Санников, 1970; Соловьев, Санников, 1997). Наиболее негативные воздействия проявляются в регионах с избыточным увлажнением и мерзлотными почвами, а также в горных лесах (Побединский, 1955).
Проведенные в последние годы многими авторами (Петров, 1974; Данилик, 1975, 1979; Обыденников, Выхин, 1976, 1978; Обыденников, 1982, 1996 и др.) исследования также подтверждают, что влияние лесозаготовительной техники на применение отдельных структурных частей фитоценоза определяется лесорастительными условиями и типами применяемых механизмов. По данным Зябченко С.С. (1984), использование современных лесозаготовительных машин при сложившейся технологии в преобладающих типах леса приводит к высокому (65–80%) уничтожению подроста.
При разработке лесосек трелевочные механизмы во время раз воротов и движения с грузом и без груза гусеницами и трелюемыми деревьями нарушают живой напочвенный покров, лесную подстилку и верхние слои почвы. На летних лесосеках наиболее заметное воз действие на поверхность почвы проявляется в лишайниковых и вересковых типах леса. В этих лесорастительных условиях минерализуется (полностью или частично) 13–20% поверхности почвы.
В сосняках брусничниках при работе механизмов минерализуется 10–17% поверхности почвы. Несколько пониженный процент минерализации объясняется более развитым живым напочвенным по кровом и наличием плотной лесной подстилки.
При разработке лесосек в сосняках черничниках минерализуется 8–16% поверхности почвы. Распределение минерализованных мест на вырубках неравномерное (встречаемость 32–46%).
По данным Санникова С.Н. (1997), на сплошных вырубках различных типов при близких условиях обсеменения (до 50 м) численность жизненного самосева сосны последующего поколения на вырубках зимнего сезона во всех типах леса не превышает 2,0–2,5 тыс. га. Она в 5–10 раз ниже, чем на гарях и вырубках с частичной минерализацией почвы (10–27%). Густота самосева сосны изменяется почти пропорционально последней и достигает 4–12 тыс. шт./га и достаточна для удовлетворительной оценки возобновления. Для сравнения можно привести данные по воздействию лесозаготовительной техники в других районах. При использовании ЛП–19 в ельнике липняковом на Урале участки с сильной степенью минерализации почвы составили 65%. (Пономарев, Смердов, 1979). В темнохвойных лесах
Свердловской области агрегатная техника (ЛП – 19, ЛП – 18, ТТ – 4) изменяет 90–95% поверхности лесосеки (Данилик, 1978). Д! По данным Вялых Н.Н., Гущина В.А. (1991), при проведении сплошных концентрированных рубок на Европейском севере без сохранения подроста с использованием агрегатной техники ВТМ ЛП - 49 и валочно-сучкорезных машин (локомо и софиты) подрост, подстилка и живой напочвенный покров уничтожается. При этом минерализация достигает 80–90%. Плотность почвы увеличивается в 1,2-1,4 раза, что отрицательно сказывается на свойствах почвы и после дующем возобновлении. 70–80% площадей, вышедших из под еловых древостоев, возобновляется березой. Процесс возобновления вы рубок растягивается на 15–20 лет.
Самые значительные размеры повреждения почв, разрушения их морфологического строения и уплотнение наблюдаются в процессе трелевки, обрезки сучьев и погрузки древесины на транспорт. На трелевочных волоках и сучкорезно-погрузочных пунктах почвенный по- кров уплотняется до 15–70 см, глубина корней достигает 45–50 см (Серый, 1997). При небольшом числе рейсов трактора 4 – 6 на дренированных почвах на волоке создается перемешанный горизонт минеральной почвы с органикой (подстилка, покров, хвоя, кора и т.д.). При увеличении количества рейсов волок углубляется на песчаных и супесчаных почвах на 5–15%, уменьшается общая скважность, на 17–22% увеличивается масса верхнего горизонта, а на среднесуглинистых почвах эти показатели изменяются соответственно на 17–23% и 47–50% (Побединский, 1973; Петров, 1974). На лесосеках темнохвойных лесов Свердловской области после работы тракторов марки ЛП-18, ЛП–19, ТТ–4 плотность почвы увеличивается в 2,5 раза. 1 Данные В.С. Серого и др. (1991, 1997) для Европейского Севера свидетельствуют, что восстановление свойств почвы происходит за 25–70 лет, плодородие не ранее, чем за 30 лет. Исследуя силу воздействия различных механизмов, авторы указывают, что удельное давление ЛП–49 в 1,5 раза выше допущенного. При использовании ЛП–49 в бесснежный период на 80–90% площади лесосеки нарушается почвенный покров. Минерализация 40 – 56% общей площади. Лесная подстилка на нарушенных участках (на вырубках 1-го десятилетия она отсутствует) начинает формироваться на 15–20 год после рубки. Плотность верхних смешанных горизонтов на 3–16% выше, чем на кострище (А0, А2, А1; нижележащих (В1 В2, В0) – на 5–20%. Меньше уплотняются почвы тяжелого механического состава и пески, сильнее – легкие и средние суглинки.
Ряд авторов (Прудов, Серый, 1987; Газизуллин, Сабиров, 1989, Аникеева и др., 1990) отмечают, что плотность подзолистых почв при использовании агрегатной техники возрастает до 1,7–1,8 г/ см3 (способность почвы к самовосстановлению ослабевает или полностью утрачивается).
Наиболее сложной является динамика почвенного азота. Потери азота после вырубки больше в богатых почвах, но восстановление прежнего уровня происходит там быстрее, чем в бедных почвах. Отмечено, что содержание азота в почвенном растворе и уровень азотификации больше после вырубки. Торфянисто-подзолисто-глеевая почва более чувствительна к вырубке леса (Нобель М.Р., 1990).
По данным Зябченко С.С. (19984), применяемые на сплошных рубках механизмы сходны по характеру воздействия на поверхность почвы, но различаются по степени воздействия на нее (проценту минерализации почвы).
По материалам Залесова С.В., Платонова Е.П., Лопатина К.И., Годовалова Г.А. (1995, 1996) отмечается в целом слабая изученность вопросов сохранности подроста предварительной генерации при лесозаготовках и накопление подроста последующей генерации, процессов естественного лесовосстановления, заболачиванию вырубок, смене пород. Подчеркиваются неоправданные затраты средств на создание лесных культур в условиях, где при соблюдении технологий лесозаготовок для успешного лесовосстановления вырубок достаточно было провести простейшие меры содействия естественному возобновлению.
Исследования проведены на вырубках 3–5 – летней давности Мегионского лесхоза Тюменской области Ханты-Мансийского автономного округа. В работе указывается, что строгое соблюдение технологии лесозаготовок при проведении сплошнолесосечных рубок в сосняках мшисто-ягодниковых и лишайниковых позволяет обеспечивать успешное естественное возобновление вырубок в течение 3–5 лет хозяйственными породами без проведения лесокультурных работ.
Учет типа леса при проектировании лесовосстановления вырубок позволяет снизить объем лесокультурных работ за счет исключения их проведения на вырубках мшисто-ягодникового, лишайникового и разнотравного типов леса.
По данным Вялых Н.И. (1991), Серого В.С. (1997), на вырубках, образовавшихся после разработки лесосек ЛП – 49, складываются в течение 1-го десятилетия весьма неблагоприятные лесорастительные условия для проведения последующего возобновления хвойных пород. Создалась реальная угроза возможного разрыва между рубкой и лесовосстановлением ежегодно на площади 20 тыс. га.
Сплошные концентрированные рубки, проводимые без сохранения подроста с применением машин ЛП–49, приводят к формированию луговиковых, вейниковых и долгомошных вырубок, на которых возобновление хвойных пород обычно растягивается на 10–20 лет.
Важную роль в обеспечении естественного возобновления имеет оставление обсеменителей с одновременной минерализацией почвы и качественная очистка лесосек от порубочных сегментов.
Автором считается, что лесовозобновление сосной на вырубках удовлетворительно происходит после рубок сосняков: лишайниковых, вересковых и брусничников по сравнению с более производительными типами леса.
По данным Чертовского В.Г. (1963) и Артемьева А.Н. (1970) в Архангельской области в течение I десятилетия около 60–65% вырубок успешно возобновляются хвойными и лиственными породами и за 20–летний период – 80%.
Теринов Н.Н. (1991) также указывает на высокую эффективность использования предварительной генерации подроста, что возможно при соблюдении соответствующих технологий. Установлена взаимосвязь количества подроста предварительной и последующей генерации с расстоянием от стены леса. Отмечено, что 84% подроста последующей и 60% предварительной генерации находится на расстоянии до 5 м от стены леса. В зависимости от микрорельефа и состояния поверхности почвы количество хвойного подроста последующей генерации распределялось следующим образом: 57% от общего количества находится в противопожарных бороздах вблизи стен леса, по 10% – на минерализованных микроповышениях и микропонижениях и 33% – на участках с неповрежденной поверхностью почвы. Сохранение достаточного количества предварительного подроста обеспечило бы формирование подростов со значительным участием их в составе хвойных пород. Однако в горных лесах Среднего Урала сплошная минерализация почвы при сплошно-лесосечных рубках в хвойно-лиственных насаждениях не обеспечивает успешного восстановления этих участков хвойными породами.
Таким образом, для лесных экосистем одним из дестабилизирующих факторов катастрофического действия являются именно сплошные рубки (Перевозникова, 1991), но их последствия можно смягчить разработкой мероприятий, направленных на рациональное лесопользование и грамотное лесовосстановление, основанные на закономерностях лесообразовательного процесса. Огромную роль по снижению отрицательного воздействия сплошных рубок на среду играет подготовка длительных прогнозов на основе как можно большего количества фактического материала. Тот же автор на основе экспериментального материала указывает на возможность типизации комплекса условий микросреды на вырубках по способности к заселению древесными хвойными породами, распространяя ее на вырубки любого типа и региона:
1. Улучшенные для заселения хвойными породами условия микросреды.
2. Лабильные, реагирующие на применение погодных условий.
3. Ухудшенные для заселения хвойными породами.
Направление лесовосстановления на вырубках во многом зависит от условий микросреды после проведения рубки. Важны такие факторы, как сохранение подроста, обсеменителей, захламленность территории, степень минерализации почв. Титов (1991) указывает, что успешное последующее возобновление хвойными породами происходит на вырубках с сильной минерализацией почв.
Наблюдается зависимость процессов возобновления от механического состава почв (Вихров, Грибанов, 1991). На песчаных почвах вырубки в основном возобновляются чистыми сосновыми древостоями, на суглинистых восстановление происходит через смену пород на мягколиственные, но после их смыкания отмечается благонадежный прирост (подрост) хвойных пород. Восстановительные процессы тесно связаны с общим плодородием почв, мощностью лесной подстилки и т.д.
Луганский Н.А. (1991) отмечает, что на север процесс восстановления ослабевает из-за ухудшения температурного режима и в связи с накоплением мощности подстилки. В срок до 5 лет после рубки возобновляются вырубки сосняков брусничных, зеленомошно-ягодниковых, причем доля успешного возобновления составляет 71–100%. Смолоноговым, Шиховой (1987), Смолоноговым (1986) выделяются 6 стадий онтогенеза в лесу:
1 – стадия возобновления (инфантильная) – появление и накопление всходов (самосев), их индивидуальный рост в разомкнутом состоянии;
2 – стадия молодняка (ювенильная) – жизнь особей (в условиях образования биогрупп) под пологом других лесообразователей или материнских древостоев;
3 – стадия жердняка и большого роста (2-я ювенильная) – усиление ростовых процессов, дифференциация и отход особей, отставших в росте в условиях высокой сомкнутости полога, формирование второго древесного яруса под пологом других лесообразователей или материнских древостоев;
4 – стадия возмужания (1 адолесцентная) – активные ростовые процессы, начало плодоношения особей верхнего полога, начало плодоношения особей в верхний полог;
5 – стадия зрелости (2 адолесцентная) – обильное плодоношение, снижение интенсивности и стабилизация ростовых процессов;
6 – стадия старения и отпада (сенильная) – ослабление плодоношения, замедление ростовых процессов, отмирание отдельных частей, затем гибель всего дерева разрушение древостоя вцелом.Возобновление вырубок процесс сложный, идущий постепенно и зависящий от огромного ряда факторов, в том числе климатических и исходных почвенных условий, применяемых технологий и мероприятий по лесовосстановлению, применению микросреды после рубки, степени минерализации почвы, возраста вырубки и т.д. Наиболее рациональным и быстрым путем восстановления хвойных пород признано сохранение семенников, тонкомера и подроста (Бондарчук И.П. и др., 1988).
В связи с этим были подобраны участки вырубок разного возраста, разных групп типов леса, с различной степенью минерализации, в которых закладывались ППП, древостой находятся на различных стадиях возрастной восстановительной динамики. В то же время имеется необходимость расширения спектра ППП, а мониторинг в таких лесных экосистемах должен вестись как можно более значительный срок и систематически.