Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ЭКОЛОГО-ЗАЩИТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ГОРНЫХ ЛАНДШАФТОВ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ ДИНАМИКИ СТРУКТУРЫ И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСОВ ЮЖНОГО СИХОТЭ-АЛИНЯ

Дюкарев В.Н. 1 Кожевникова Н.К. 1
1 Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток
Особенностью длительного естественного развития коренных лесов является накопление в них больших запасов фитомассы и максимальная выработанность основных компонентов фитоценозов, что в значительной степени определяет стабильность выполняемых ими экологических функций в речных бассейнах разного ранга. На примере ландшафтно-гидрологического комплекса крупного речного бассейна в зонах формирования, транзита и концентрации вод (верхний, средний и нижний горные пояса) показано изменение защитных свойств лесного покрова в связи с происходящими процессами отрицательной динамики структуры и продуктивности лесов Южного Сихотэ-Алиня. Опытные эколого-гидрологические исследования на уровне элементарных бассейнов, проведены на объектах Верхнеуссурийского лесного стационара, растительный покров которого репрезентативен для горных бассейнов региона. Показатели надземной биомассы и ее структуры получены для основных типов леса, что позволило увязать результаты опытных и массовых наблюдений с оценкой экологической роли лесов на больших территориях. Бассейновый подход позволяет прогнозировать предельно допустимые трансформации лесных экосистем и темпы восстановления функциональной роли лесного покрова.
водоохранные и защитные функции
лесные экосистемы
горные водосборы
речной сток
высотная поясность
биологическая продуктивность
экологический потенциал лесов
1. Бузыкин А.И., Пшенникова А.С. Ресурсно-экологический потенциал лесов Красноярского края // Хвойные бореальные зоны. – 2008. – №3–4. – С. 327–332.
2. Гарцман И.Н. Топология речных систем и гидрологические индикационные исследования // Водные ресурсы. – 1973. – № 3. – С. 110–124.
3. Дюкарев В.Н. Биологическая продуктивность лесов с Pinus koraiensis на Сихотэ-Алине и их ресурсный потенциал // Леса российского Дальнего Востока: 150 лет изучения: матер. Всерос. конф. (Владивосток, 8–10 сент. 2009 г.). – Владивосток, 2009. – С. 120–126.
4. Дюкарев В.Н. К оценке ресурсов древесной зелени темнохвойных лесов Приморья // Современное состояние и рациональное использование почв, лесов и водно-земельных ресурсов Дальнего Востока России. – 1997. – Кн. 2. – С. 164–171.
5. Дюкарев В.Н. Карта фитомассы лесов Приморья // Атлас лесов Приморского края. – Владивосток, 2005. – 18 карт.
6. Жильцов А.С. Гидрологическая роль горных хвойно-широколиственных лесов Южного Приморья. – Владивосток: Дальнаука, 2008. – 331 с.
7. Кожевникова Н.К. Динамика погодно-климатических характеристик и экологические функции малого лесного бассейна // Сибирский экологический журнал. – 2009. – №5. – С. 693–703.
8. Кожевникова Н.К. Динамика гидрологических и защитных функций горных лесов южного Сихотэ-Алиня в процессе послерубочных восстановительных сукцессий: автореф. дис. ... канд. биол. наук. – Владивосток, 2010. – 26 с.
9. Протопопов В.В. Средообразующая роль темнохвойного леса. – Новосибирск: Наука СО АН СССР, 1975. – 328 с.
10. Ресурсы поверхностных вод СССР: Приморье. – Л.: Гидрометеоиздат, 1972. – Т.18, Вып. 3. – 627 с.

В горных условиях негативное влияние промышленных рубок проявляется в существенном преобразовании растительного и почвенного покрова, лесные сообщества интенсивно разрушаются, а их восстановление идет крайне медленно, возникают глубокие изменения эколого-защитных функций лесов. Для лесных территорий Юга ДВ России эти проблемы стали особенно актуальными в последние 10-15 лет в связи с тем, что вырубке стали подвергаться коренные леса в самых верховьях рек, изменение гидрологического режима которых в значительной степени отражается на большей части нижележащих территорий. Одним из ведущих параметров экологического потенциала лесов считается величина накопленной биомассы, во многом определяемой условиями природной среды [1, 9], что может быть оценено по показателям биологической продуктивности лесных экосистем и особенностям распределения надземной биомассы в пространстве [3]. Особенностью горных лесов Сихотэ-Алиня является то, что даже при происходящих слабо контролируемых рубках главного пользования показатель лесистости территории здесь существенно не изменяется. Это связано с многопородностью и высоким восстановительным потенциалом этих лесов в южных широтах. Качественное же состояние лесного покрова постоянно ухудшается, снижаются экологические функции лесов, а восстановительные процессы коренных лесов в режиме саморегуляции часто уже невозможны без искусственного лесовосстановления.

Цель нашей работы - на примере природного комплекса верхней части бассейна р. Уссури (более 5,3 тыс. км2) оценить изменение эколого-защитных свойств лесного покрова в зонах формирования, (верхний пояс гор), транзита вод (средний пояс гор) и концентрации вод (нижний горный пояс), в связи с происходящими негативными процессами динамики структуры и продуктивности лесов Южного Сихотэ-Алиня.

Материалы и методы исследований

Верхняя часть бассейна реки Уссури, которая является объектом исследования, - один из пяти относительно замкнутых крупных ландшафтно-гидрологических комплексов (ЛГК) Приморского края. Здесь ярко выражена высотная поясность растительного покрова: горно-тундровые сообщества сменяются пихтово-еловыми лесами (800-1300 м над ур. м.); кедрово-широколиственные (300-800 м над ур. м.) - долинными широколиственными лесами. Лесные земли на исследуемой территории занимают более 90%, и основные проблемы нарушенности лесов здесь тесно связаны с лесозаготовками и их последствиями. Гидрографическая сеть бассейна включает более 3 тыс. рек, 90% из них - это малые и очень малые реки с длиной менее 10 км. Речная сеть равномерно распределена по площади, средняя густота ее составляет 0,79 км×км-2, водность территории - 9,0 л×с-1×км-2.

Материалы и методы исследований

Экспериментальные данные получены при комплексных биогеоценотических исследованиях на уровне элементарных бассейнов. Наблюдения за элементами водного баланса проведены на постоянных пробных площадях Верхнеуссурийского лесного стационара Биолого-почвенного института ДВО РАН (ВУС), лесной покров которого репрезентативен для ландшафтов Южного Сихотэ-Алиня. Количественные показатели продуктивности лесных экосистем и гидрологических функций ландшафтов рассчитывались относительно общей площади бассейна. Это позволило переносить результаты экспериментальных работ в сходные по экотопическим условиям участки речных водосборов с последующей их по-бассейновой интеграцией. В выделенных бассейнах путем анализа лесоустроительных баз данных определялось соотношение коренных, условно коренных и вторичных лесов основных лесных формаций. Показатели общей надземной биомассы, биомассы крон и листового аппарата рассчитывались по коэффициентам связи с запасом стволовой древесины [5]. Среднемноголетние климатические показатели рассчитаны по материалам многолетних наблюдений на лесном стационаре, с привлечением фондовых материалов Гидрометслужбы [10]. Водопродуктивная способность ландшафтов рассматривается как основной индикатор водоохранной роли горных лесных экосистем. Рассчитывались удельная (Y) и относительная (Y1) водопродуктивность речных бассейнов. Y (л×с×км-2) - количество воды, стекающей с единицы площади бассейна в средний по водности год рассчитывались по индикационным зависимостям [10]; Y1 (%) - доля речного стока малого водосбора от общего в замыкающем створе исследуемого участка р. Уссури. Индикатор водорегулирующей функции лесного полога определялся по коэффициенту водорегулирования «R» [6], который показывает, какую часть поступающих атмосферных осадков могут аккумулировать отдельные почвенно-растительные комплексы, и определен для основных типов леса экспериментальным путем:

 (1)

где Н и Нi - осадки за расчетный период и величина их задержания кронами древостоев, мм; W и W0 - соответственно, запасы влаги в метровом слое почвы при наименьшей влагоемкости и средние за расчетный период, мм.

Результаты исследований и их обсуждение

В модельном ландшафтно-гидрологическом комплексе, от истоков реки Уссури до замыкающего створа у с. Новомихайловка, выделено 13 речных бассейнов с водосборной площадью от 180 до 640 км2, которые охватывают 3 высотных пояса (табл. 1). В пределах высотных поясов наблюдается закономерная связь биометрических показателей лесного покрова с элементами водного баланса - осадками и русловым стоком.

Бассейны верхнего горного пояса (ВГП), в котором преобладают темнохвойные пихтово-еловые леса (Picea ajanensis, Abies nephrolepis), примыкают к главному водоразделу горной системы Сихотэ-Алиня (рис. 1). В районе выделяются среднегорные пихтово-еловые леса с участием кедра корейского (Pinus koraiensis) и неморальных видов (до высот 800-1000 м) и высокогорные ельники c преобладанием бореально-лесных видов.

На горных массивах в пределах высот от 1400-1450 до 1800-1820 м над ур.м. выражен пояс каменноберезовых лесов (Betula ermanii) с элементами криволесий. Здесь находятся истоки реки Уссури, это - зона формирования вод [2].

Средний горный пояс (СГП) - переходный от пихтово-еловых к кедрово-еловым (Pinus koraiensis) и кедрово-широколиственным лесам. Этот высотный пояс включает зоны формирования и транзита водных ресурсов. Верховья рек занимают пихтово-еловые и переходные кедрово-еловые леса. В нижних частях бассейнов распространены кедрово-широколиственные и долинные леса. Лесовосстановление после рубок здесь происходит быстрорастущими лиственными породами. Биомасса молодых и средневозрастных лесов здесь на 55% больше, чем в расположенном выше горном поясе (см. табл. 1).

Таблица 1 Биоклиматическая характеристика высотных поясов бассейна р. Уссури

Номер бассейна

Площадь, км2/%

Запас древесины, млн м3

Биомасса листового аппарата древостоев, т/га абс. сух.

Кгрс

Y

Y1

Осадки, мм

хвойных

лиственных

МC

ПСП

МC

ПСП

Пояс высокогорных пихтово-еловых лесов с абсолютными высотами 900-1600 м

1

471/19,4

8,6

2,3

4,3

0,4

1,3

0,89

11,6

12,4

800-1200

2

640/26,4

7,5

2,1

3,6

0,8

1,2

0,92

10,6

15,4

3

431/17,8

6,4

2,4

3,5

1,4

1,6

0,84

8,90

8,7

4

328/13,6

7,6

2,7

6,5

0,9

1,0

0,90

11,5

8,6

5

552/22,8

6,9

2,8

3,3

1,9

2,1

0,94

11,9

14,9

Пояс среднегорных кедрово-еловых лесов с абсолютными высотами 600-900 м

6

543/6,3

8,4

2,1

3,4

0,60

1,3

0,75

9,30

11,5

650-900

7

424/8,7

6,5

2,9

4,9

1,1

1,8

0,84

10,1

9,7

8

180/3,7

2,9

1,9

3,8

0,9

1,6

0,67

9,68

4,0

Пояс низкогорных широколиственно-кедровых лесов с абсолютными высотами 300-600 м

9

198/6,3

2,7

2,9

3,3

1,3

1,4

0,66

6,21

2,8

600-800

10

298/6,1

4,4

2,7

3,9

0,9

1,5

0,70

8,13

5,5

11

317/6,4

4,5

2,6

3,7

1,2

1,5

0,90

8,93

6,4

12

197/4,0

2,8

3,5

3,8

1,3

1,5

0,69

7,72

3,4

13

302/6,2

3,8

2,2

3,3

1,1

1,3

0,61

6,78

3,5

Примечания: Кгрс - коэффициент густоты речной сети, км×км-2; МС - молодые и средневозрастные древостои; ПСП - приспевающие, спелые и перестойные древостои; Y и Y1- удельная (л×с-1×км-2) и относительная (%) водопродуктивность.

 

Рис. 1. Распределение древесных пород (% от запаса) в бассейнах горных поясов

Нижний горный пояс (НГП) - переходный от склоновых кедрово-широколиственных к широколиственным и лиственным долинным лесам. НГП - зона транзита и концентрации водных ресурсов, для которой характерна смена облика рек с горного на равнинный. В пределах данного высотного пояса происходит концентрация подземных вод на равнинных участках и межгорных котловинах [2]. Анализ информации по динамике структуры и продуктивности лесов показал, что во всех высотных поясах в результате вырубки лесов и пожаров древесные запасы и масса хвойно-листового аппарата уменьшились в 1,5-2 раза (рис. 2, 3). Наибольшее снижение произошло в бассейнах среднего и нижнего горных поясов, где значительно изменены породный состав и общая структура надземной части древостоев.

 

Рис. 2. Динамика запаса лиственных и хвойных пород в верхнем горном поясе, среднем горном поясе, нижнем горном поясе: А - 1986 год; В - 2005 год

Рис. 3. Динамика биомассы хвои

Состояние лесного покрова, породный и возрастной состав, насыщенность биомассой определяют степень влияния фитоценозов на окружающую среду и являются основными критериями оценки экологического потенциала лесной растительности (ЭП) исследуемых горно-лесных ландшафтов. ЭП бассейнов определялся по интегральному показателю I средозащитной роли фитоценозов (формула (2)).

 (2)

Этот показатель оценивался с учетом изменения структуры лесных сообществ (C), с которой тесно связаны водорегулирующие (R), водоохранные (P) свойства лесного покрова в процессе смены коренных лесов (nature forests) - Rn, Pn и Cn, а также производные (secondary forests) - Rs, Ps и Cs:

 (3)

Коэффициент биомассы хвои (доля хвойных) определен как отношение массы листового аппарата к общей надземной биомассе. Суммарные показатели оценки водоохранно-защитной роли лесов и структура лесных сообществ для бассейна в целом определялись по формулам:

 

 (4)

где fi и F - площадь (га), занятая конкретными типами леса, и общая для бассейна, соответственно.

Уровень нарушенности (U) лесов в бассейнах (формула (5)) характеризует степень трансформации лесных экосистем на водосборах после антропогенных нагрузок. По пределам U (табл. 2) устанавливаются категории защитности бассейнов и ландшафта в целом:

U = 100 - ЭП. (5)

Таблица 2 Оценка гидролого-защитных функций горных лесов при различных уровнях нарушенности (U,%) на водосборах

Пределы U,%

Интенсивность эрозионных процессов

Восстановление гидрологических функций

Категория защитности

критерии

период, лет

0-10

Низкая

Быстро-восстановимые

< 10

Высокая

11-20

Средняя

10-30

Средняя

21-40

Высокая

Длительно- восстановимые

30-50

Низкая

41-50

Высокая

50-100

Очень низкая

> 50

Очень высокая

> 100

Критическая

В табл. 2 показано, что при нарушении лесного покрова на площади до 20% леса сохраняют свои основные регулирующие и водоохранно-защитные функции на оптимальном уровне. На водосборах поддерживается защитный потенциал лесного полога, наблюдается некритическая эрозионная опасность и быстрое восстановление гидроклиматических параметров территории. Превышение 20%-го уровня нарушенности приводят к более длительному восстановлению эколого-защитных функций лесного полога. По данным наших наблюдений в экспериментальном бассейне этот период для смешанных хвойных лесов составляет 30-40 лет [8]. При дальнейшем снижении ЭП уровень защитности приближается к критическим отметкам, нарушается устойчивость лесных сообществ, а эколого-защитные функции восстанавливаются только при накоплении потенциальных запасов биомассы коренными лесообразователями. Несмотря на то, что лесистость во всех бассейнах сохраняется на уровне 80-90%, так как не вырубались лиственные породы (Betula ermani, Betula costata, Tilia taquetti), структурно-функциональная организация насаждений нарушена, в пределах высотных поясов значительна степень трансформации лесного покрова (табл. 3).

Таблица 3 Категории защитности современных лесов в бассейнах р. Уссури

Номер бассейна

R для основных лесных формаций

ЭП,%

Категория защитности

коренных

нарушенных

1

0,183

0,168

89

Высокая

2

0,227

0,183

80

Средняя

3

0,235

0,146

60

Низкая

4

0,229

0,192

80

Средняя

5

0,198

0,111

54

Очень низкая

6

0,340

0,211

60

Низкая

7

0,340

0,221

62

Низкая

8

0,329

0,276

74

Средняя

9

0,478

0,262

51

Очень низкая

10

0,336

0,179

50

Очень низкая

11

0,336

0,168

46

Критическая

12

0,336

0,172

49

Критическая

13

0,478

0,247

50

Очень низкая

Примечание. R - коэффициент водорегулирования.

Только леса верхнего горного пояса сохраняют экологический потенциал близкий к природному, а их защитные свойства в целом пока на среднем уровне. В лесах среднего горного пояса ЭП снижен до низкого значения, за исключением восьмого бассейна, в котором леса сохранились, так как бассейн является санитарной зоной источника водоснабжения населенных пунктов. Заметная негативная динамика эколого-защитных функций лесов наблюдается на водосборах малых и очень малых рек, где преобладание перешло к молодым и средневозрастным древостоям лиственных пород, а ЭП лесного покрова снижен на 50-70%, что приводят к длительному (50-100 лет) восстановлению гидролого-защитных свойств лесов [7, 8]. Наиболее нарушенным является лесной покров НГП. Доля лесов, которые можно отнести к коренным, здесь составляет не более 5-10%. Уровень нарушенности лесного покрова НГП превышает 55%. Экологический потенциал во всех речных бассейнах снижен до очень низкого и критического уровня и поддерживается только за счет небольшой части хвойно-широколиственных лесов, сохранившихся в верховьях рек. В связи с проблемами естественного лесовосстановления на всей территории ЛГК, значительно сократился период добегания паводочных вод, что часто приводит к затоплению сельскохозяйственных земель и населенных пунктов в этой зоне. Во всех горных бассейнах проблемы усложняются в связи с циклоническим характером летних осадков. Количественные и качественные показатели речного стока, как интегральной характеристики влагооборота, находятся в прямой зависимости от биомассы сохранившихся хвойных старовозрастных лесов и фоновых погодно-климатичеких условий (рис. 4). В условиях современной климатической нестабильности крайне важно сохранить леса, сформированные коренными хвойными лесообразователями, обеспечивающими нормальный ход гидрологических процессов, устойчивость почвенного покрова и всех компонентов горных ландшафтов.

 

Рис. 4. Зависимость коэффициента стока (К) от доли приспевающих, спелых и перестойных хвойных лесов (С,%) в модельных бассейнах р. Уссури

В целом, ухудшение качественного состава лесов, их структуры и продуктивности к настоящему времени произошло во всех рассматриваемых бассейнах. Для поддержания водно-ресурсного потенциала ЛГК уровень нарушенности естественного лесного покрова в зонах формирования вод (истоки рек) не должен превышать 15-20%, а в зонах транзита и концентрации вод - 30-40%.

Заключение

Положительный эколого-защитный эффект лесного покрова горных речных бассейнов достигается за счет коренных лесов, сформированных в результате длительного естественного развития. Для них характерны большая надземная биомасса, сбалансированная структура основных компонентов лесных фитоценозов, это определяет стабильность выполняемых ими экологических функций в малых речных бассейнах и общем природном комплексе верховьев р. Уссури. В наиболее нарушенных бассейнах экологический потенциал лесного покрова поддерживаются за счет части сохраненных коренных лесов на крутосклонах. Уровень защитности лесного покрова снижается с увеличением доли молодняков и средневозрастных лесов, а нормализация показателей устойчивости экосистем тесно связана с длительностью периода восстановления хвойных лесообразователей. В сезоны повышенной водности (циклоны, снеготаяние) эти территории становятся наиболее эрозионно- и паводкоопасными. В лимитирующие периоды (межень, засуха) здесь водоохранные функции лесной растительности снижаются до критического уровня. ЭП пихтово-еловых лесов зоны формирования вод реки Уссури в настоящее время оценивается как средний, но при общем очень низком уровне лесного хозяйства существует реальная тенденция его снижения. Проведенные исследования показали, что в условиях высокогорья восстановительный процесс гидролого-защитных функций лесных экосистем растягивается на десятилетия уже при небольшом уровне нарушенности. Восстановление ЭП лесов ВГП в режиме саморегуляции мы связываем с началом функционирования национального парка «Зов тигра», куда входят несколько бассейнов малых рек. На территории среднего и нижнего горных поясов необходимо осуществление комплекса лесокультурных мероприятий, так как восстановление лесных экосистем в режиме саморегуляции в большей части бассейнов уже невозможно или находится за пределами реального (100 и более лет) времени. В условиях продолжающегося экстенсивного природопользования реализация экологического потенциала лесного покрова может быть осуществлена только при сохранении лесопокрытых площадей, где еще возможны коротко-восстановительные сукцессионные процессы. Для всего ЛГК требуется значительное усиление лесокультурных мер с целью увеличения доли хвойных насаждений, постоянный контроль оптимального соотношения трансформированного и естественного лесного покрова, крайне необходимые для поддержания общего ЭП лесов в крупном горнолесном регионе.

Рецензенты:

  • Петропавловский Б.С., д.б.н., ст.н.с., зав. лабораторией «Экологии растительного покрова» Ботанического Сада - института ДВО РАН, Владивосток;
  • Костенков Н.М., д.б.н., профессор, зав. лабораторией «Почвоведения и экологии почв» Биолого-почвенного института ДВО РАН, г. Владивосток.

Работа поступила в редакцию 30.05.2012.


Библиографическая ссылка

Дюкарев В.Н., Кожевникова Н.К. ЭКОЛОГО-ЗАЩИТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ГОРНЫХ ЛАНДШАФТОВ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ ДИНАМИКИ СТРУКТУРЫ И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСОВ ЮЖНОГО СИХОТЭ-АЛИНЯ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9-2. – С. 288-293;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30215 (дата обращения: 16.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252