Особенности распространения заморозков и их влияние на культуры ели на территории Европейского Севера

УДК 581.5

БЕЛЯЕВ Владимир Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, руководитель группы экологии леса лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН, член-корреспондент Петровской академии наук и искусств. Автор 114 научных публикаций

БУРЛАКОВ Павел Сергеевич, младший научный сотрудник лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 9 научных публикаций

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАМОРОЗКОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КУЛЬТУРЫ ЕЛИ НА ТЕРРИТОРИИ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА

Заморозки, факторы формирования, температура почвы и приземного слоя воздуха, культуры ели

Климатические условия Европейского Севера выступают в качестве лимитирующих факторов, ограничивающих рост ели. Рост молодых культур ели на вырубках замедлен, их высота к возрасту 20 лет достигает лишь 1,5—2,0 м. Одной из главных причин медленного роста ели является частое побивание весенне-летними заморозками, что приводит не только к потере текущего прироста, но и гибели культур. Практически ни один месяц вегетационного периода в таеж-

ной зоне не обходится без заморозков. По многолетним данным, их частота в северной подзоне тайги составляет 9—13 дней в июне, 4—5 дней в июле, 1—8 дней в августе, 6—8 дней в сентябре [1]. На основании этого изучение географического распространения заморозков и условий их образования с целью выявления наименее заморозкоопасных территорий, а также отбор наиболее заморозкоустойчивых особей является необходимым условием для рационального использования

биоресурсов. Цель данной работы заключается в обобщении и анализе данных о распространении заморозков и их влиянии на культуры ели на территории северной и средней подзоны тайги.

В основу статьи положены микроклиматические исследования, проведенные в период с 1988 по 1995 гг. в северной подзоне тайги на территории Луковецкого лесничества Холмогорского лесхоза и в средней подзоне тайги на территории Чадромского лесничества Устьянского лесхоза Архангельской области. Объектами исследований являлись опытные и производственные культуры ели. Достоверность результатов исследования определяется достаточно большим объемом экспериментальных данных.

Нашими исследованиями [2, 3] и работами других авторов [4, 5] установлено, что абсолютный минимум температуры воздуха на вырубках во время ночных радиационных заморозков находится в приземном слое воздуха (0—10 см). С увеличением высоты над поверхностью почвы температура воздуха закономерно возрастает до высоты 200 см. Различия температуры на высотах от 10 до 200 см достигают 1,5°С. В связи с этим особенно сильное влияние заморозки оказывают на растения высотой 0,5—2,0 м. Некоторыми из возможных путей снижения влияния заморозков на рост ели являются выращивание ее под защитой других пород, создание разновозрастных культур ели, в которых ряды старшего возраста обеспечивают защиту более молодых (при ориентации на выборочные рубки), а также создание разновозрастных сосново-еловых культур, где функцию защиты ели от заморозков выполняют более крупные деревья — сосны. Известно, что травянистая и древесная растительность улучшает микроклимат приземного слоя воздуха, препятствует возникновению и распространению ночных радиационных заморозков. Резкие перепады температур на

ограниченной площади сглаживаются вследствие развития растительного напочвенного покрова, особую роль в котором играет древесный полог. Механизм данного явления основан на перераспределении излучаемой энергии с поверхности почвы на поверхность листового полога растений и образовании буферного слоя более теплого и влажного воздуха, а также на замедлении адвективных процессов на ограниченных территориях [6]. Данное положение подтверждается данными наших исследований, показывающих существенное увеличение вариабельности минимальных температур на поверхности почвы, по сравнению с температурами на высоте 40 см, при одинаковых значениях средних величин. В то же время, это свидетельствует о преобладающей роли почвенных и геоморфологических факторов, а также особенностей термического режима литосферы.

На территории южной части Беломорско-Кулойского плато (Луковецкое лесничество Холмогорского лесхоза, северная подзона тайги) визуально определены участки, где была зафиксирована побиваемость культур ели заморозками. Также выделены площади, где побиваемость культур не отмечалась. Исследования проводились на 16 контрольных участках вырубок, на которых проводились замеры температуры воздуха минимальными термометрами (по 10 шт. на каждый участок). Для непрерывной регистрации температуры использовали недельные термографы. Измерение температуры почвы проводили с помощью коленчатых термометров. Во время ночного заморозка на каждом участке в трехкратной повторности проводили замеры температуры воздуха на поверхности почвы и на высоте 1 м, а также состояние культур ели по общепринятой методике исследования.

Дифференциация участков по интенсивности и силе заморозков проводилась по средним значениям минимальной темпера-

туры на каждом из них. Участки исследований имеют инструментальную координатную привязку (GPS Garmin III Plus).

Анализ средних минимальных температур приземного слоя воздуха и почвы позволил выделить «холодные» и «теплые» участки вырубок. В таблице 1 приведены данные минимальных температур приземного слоя

воздуха трех контрольных участков, учитывающих экспозицию дневной поверхности. Так, участки 1 и 3 находятся в зоне холодных, а участок 2 — в зоне теплых вырубок. Необходимо отметить, что наибольшая разница минимальных температур между теплыми и холодными участками вырубок в Лу-ковецком лесхозе достигала 7°С.

Таблица 1

Минимальные температуры приземного слоя воздуха на опытных участках

Дата наблю- дения Температура воздуха, С°

Участок 1 Участок 2 Участок 3

Вершина Север Юг Вершина Север Юг Вершина Север Ю гг

3.09 -8,8 -9,0 -8,0 -8,4 -б,5 -5,2 -7,5 -7,5 -б,0

8.09 -2,8 -3,5 -2,7 -1,1 -1,2 -0,2 - 2,1 -3,1 -3,0

10.09 -12,3 -13,0 -11,б -9,1 -9,9 -7,5 -10,1 -9,0 -8,8

14.09 -10,5 -9,8 -8,7 -8,0 -9,0 -5,5 -10,1 -8,8 -9,0

Данные замеров свидетельствуют о наличии прямой связи между силой и интенсивностью радиационных заморозков с экспозицией участка. Так, минимальные температуры припочвенного слоя воздуха были выше на 1—2°С на склонах южной экспозиции на всех участках, чем на склонах северной экспозиции. Минимальная температура почвы (табл. 2) на глубине 5 и 25 см на склонах южной экспозиции также на 0,5—1,2°С выше, чем на склонах северной экспозиции. Вершины, как правило, занимают промежуточное положение. Полученные результаты согласуются с тем, что наименее заморозкоопасными являются склоны южных и югозападных экспозиций и вершины макро- и мезорельефа, а наиболее опасными — северные и северо-восточные склоны и котловины [7—9]. Однако такое повышение температуры не компенсирует различий в температуре холодных и теплых участков.

Различия в росте культур ели на вырубках зависят от многих факторов. Однако в условиях северной подзоны тайги, где замо-

розки — явление обычное, их воздействие ощущается особенно сильно. Весьма показательными в этом отношении являются данные роста опытных культур, созданных в разные годы по интенсивной технологии, которая включает полосную корчевку вырубок и плужную подготовку почвы. Последняя предполагает создание микроповышений и прокладку частой сети мелких дренирующих борозд, использование крупномерного, отсортированного посадочного материала и последующее проведение агротехнических и лесоводственных уходов, в разной степени подвергающихся воздействию заморозков (табл. 3).

Культуры ели на участках 1 и 3, подвергающихся интенсивному воздействию заморозков, удовлетворяют требованиям ОСТ 56-92-87 по переводу их в лесопокрытую площадь и относятся к категории культур первого класса качества (участок 1 по замерам в возрасте 10 лет) и отличного состояния (участок 3). Культуры ели на участке 2, где они не побиваются заморозками, удов-

Таблица 2

Минимальные температуры почвы на глубине 5 и 25 см на опытных участках

Дата наблю- дения Глубина почвы, см Температура воздуха, С°

Участок 1 Участок 2 Участок 3

Вершина Север Юг Вершина Север Юг Вершина Север Юг

03.09 5 6,5 6,0 7,0 7,0 6,5 9,0 8,2 5,5 4,0

25 8,0 8,5 9,5 9,0 8,5 9,5 8,0 8,0 9,5

08.09 5 6,5 5,8 6,8 5,0 5,5 7,0 5,2 3,0 3,3

25 7,5 7,3 9,0 8,0 8,7 9,3 8,0 6,5 9,1

10.09 5 5,5 4,0 4,7 5,0 4,5 7,0 4,5 3,5 2,0

25 7,0 6,5 8,1 8,0 7,5 8,1 7,0 6,0 8,0

14.09 5 4,0 3,5 5,0 3,5 3,0 6,0 3,8 3,0 1,0

25 6,5 7,5 7,5 6,5 7,0 8,0 5,0 6,0 7,5

Таблица 3

Рост культур ели, в разной степени подверженных воздействию заморозков

Участок вырубки Год создания культур Показатель роста культур, см

Высота в 1994 г. Прирост в высоту

Средняя Max Min

1 1978 204,2 295,0 116,0 29,6

2 1983 192,4 375,0 90,0 28,2

3 1986 79,6 163,0 35,0 15,5

летворяли этим требованиям уже в возрасте 6 лет; в 12 лет показатели их роста перекрывают требования вышеуказанного ОСТа в 2 раза, а отдельные особи на лесокультурной площади достигают высоты более 4 м.

Аналогичные работы проводились на территории Устьянского лесхоза (средняя подзона тайги), где были подобраны 2 участка (свежая вырубка и вырубка, возобновившаяся лиственными породами), на которых по одной и той же технологии были созданы опытные культуры (участки «Солица I», «Солица 1л»). На данных участках было оборудовано по 12 метеоплощадок, где в течение ряда лет проводили изучение температурного режима приземного слоя воздуха. Анализ полученных данных показал, что в первую половину вегетационного периода до полного распускания листьев средние

максимальные температуры на участке с лиственными породами по всему наблюдаемому слою воздуха (0—150 см) на 0,6—3°С выше, по сравнению с чистой вырубкой. В дальнейшем происходит перераспределение температурных градиентов: максимальные температуры на участках выравниваются, а в ряде случаев (на участках с лиственными породами) она ниже (табл. 4).

Минимальные температуры по всему слою, наоборот, в течение всего периода выше на чистой вырубке (рис. 1). Вырубка без лиственных пород оказалась теплее, причем различия достигают нескольких градусов. Так, если на участке «Солица 1л» в период с 06.08 — 15.08 на высотах 30, 50, 100 см абсолютный минимум температуры составлял соответственно -1,3, -1,3, -1,7°С, то на чистой вырубке (участок «Солица I») —

Таблица 4

Абсолютный минимум температуры воздуха на участках опытных культур

Период наблюдений Участок «Солица I» Участок «Солица 1л»

Абсолютный минимум °С на высоте, см Абсолютный минимум °С на высоте, смм

0 30 50 100 150 0 30 50 100 150

25.06-01.07 5,0 5,0 4,4 4,1 4,2 2,0 1,3 2,1 1,9 2,3

02.07-03.07 2,9 4,5 3,0 3,0 2,5 3,4 2,0 2,1 3,3 1,9

09.07-15.07 9,4 11,0 9,2 10,0 8,5 10,5 10,0 10,2 10,0 10,9

16.07-22.07 5,9 5,6 5,1 7,1 6,6 5,0 4,6 3,6 4,0 6,0

23.07-29.07 2,7 4,2 2,6 4,6 4,0 3,1 1,0 1,7 1,6 2,1

30.07-05.08 4,5 4,3 5,3 4,3 5,2 2,9 1,8 2,3 1,9 2,3

06.08-15.08 1,6 -0,5 2,1 1,6 0,7 0,4 -1,3 -1,3 -1,7 -1,3

Период наблюдений

Рис. 1. Средние минимальные температуры воздуха на высоте 0,3 м. Условные обозначения: 1 — участок «Солица I», 2 — участок «Солица 1л».

только -0,5, 2,1, 1,6°С, что на 0,8—3,4°С выше. Совершенно иные результаты получены на участках «Солица II», «Солица 11л», где проявилась классическая лесоводствен-ная закономерность: под пологом лиственных пород минимальные температуры воздуха выше.

Таким образом, вопреки общепринятым положениям, на участке с лиственными породами минимальные температуры под покровом лиственных пород ниже, чем на свежих вырубках. Следовательно, наличие лиственных пород на вырубке не всегда является защитой приземного слоя воздуха от заморозков, поэтому перед созданием

культур даже на ограниченных участках вырубок необходимо исследование температурного режима почвы и приземного слоя воздуха. Это позволит выявить «холодные» и «теплые» участки вырубок.

В последнее время получил развитие дистанционный геотермический метод с использованием материалов тепловой съемки с космических аппаратов серии NOAA (AVHRR) [10, 11]. На основе этих данных были построены карты конвективного теплового потока (КТП), масштаб — 1:1 000 000 (редактор — В.И. Горный). Аномалии КТП занимают 5—10% территории Европейского Севера России, а значения КТП достигают

200—250 Вт/м2, что составляет до 25% летней среднесуточной нормы суммарной солнечной радиации в бореальной зоне. Считаются достоверными значения КТП, превышающие 10 Вт/м2 (величина среднеквадратической погрешности), а отклонения от средних значений, превышающие 30 Вт/м2, являются аномальными.

Проведенные ранее исследования температуры почвы на глубине 30 см и приземного слоя воздуха на территориях с разным уровнем КТП в условиях северной и средней подзон тайги показали достоверные различия в течение периода наблюдений (июль — сентябрь 2004 г.) [12]. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что на территориях с повышенным конвективным

тепловым потоком температура почвы и приземного слоя воздуха выше. Достоверные различия составляют 1—1,5°С. В свою очередь, лесные насаждения, произрастающие в зонах с разной величиной КТП, отличаются по продуктивности (различия в запасах древесины на 1 га достигают 70 м3 и более), хотя имеют сходный тип леса, возраст и состав древостоя. В связи с этим на участках с высоким уровнем КТП температурный режим почвы, приземный слой воздуха, а также биопродуктивность имеют положительные отклонения от средних значений внутри растительной зоны (подзоны).

На рисунке 2 показана часть территории Луковецкого лесничества (юг Беломорско-Кулойского плато), характеризующая мик-

Рис. 2. Схема сопоставления материалов.

Условные обозначения: 1 — территории с высоким уровнем КТП, 2 — территории с низким уровнем КТП, 3 — холодные участки вырубок, 4 — теплые участки вырубок, 5 — технологическая дорога, 6 — культуры ели (номер площадей соответствует данным, приведенным в таблицах 1—3).

роклиматические особенности на вырубках во время весенне-летних ночных радиационных заморозков. Анализ привязанных материалов, осуществлявшийся в ГИС-пакете МарШо 7.5, показал, что участки, менее подверженные влиянию заморозков, расположены в зонах с повышенным уровнем КТП. К данным территориям приурочены культуры ели, для которых характерны более высокие показатели роста. На этом основании можно предположить, что формирование наименее подверженных заморозкам таежных территорий, а также подверженность культур ели заморозкам в вегетационный период обусловлены аномалиями конвективного теплового потока высокой интенсивности (до 30—50 Вт/м2).

Таким образом, несмотря на мозаичный характер распространения заморозков, вероятность их возникновения, характеристики частоты и интенсивности, а также продолжительность безморозного периода различаются на территории Европейского Севера и

зависят от местных условий. На наш взгляд, кроме общепризнанных зональных и азональных факторов, оказывающих наиболее значимое влияние на формирование заморозков (широтная зональность, континен-тальность, рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона, характер подстилающей поверхности, наличие растительного покрова, близость водоема), необходимо ввести новый критерий — конвективный тепловой поток. Для подобного уточнения характеристик заморозков на каждой конкретной территории необходимо проведение микроклиматических исследований, что связано с определенными трудностями. В свою очередь, использование картографических материалов, полученных с помощью дешифрирования тепловой космической съемки, позволяет в определенной мере избежать крупномасштабных инструментальных наблюдений при выделе наименее заморозкоопасных территорий под культуры ели, а также снизить потери среди выращиваемых растений.

Список литературы

1. Изотов В.Ф. Изменение условий среды в связи с вырубкой леса // Вырубки и восстановление леса на севере. Архангельск, 1968. С. 225—237.

2. Беляев В.В., Козловский В.Д., Бахвалов Ю.М. О температурном режиме приземного слоя воздуха вырубок разной давности // Материалы отчетной сессии по итогам НИР за 1990 г. Архангельск, 1991. С. 22-24.

3. Беляев В.В. Эколого-лесоводственные основы повышения эффективности искусственного лесовосстановления на Европейском Севере: дис. ... д-ра с.-х. наук. Архангельск, 1997.

4. Козловский В.Д. О пространственной изменчивости минимальных температур в приземном слое воздуха на вырубках // Материалы отчетной сессии по итогам НИР за 1989 г. Архангельск, 1990. С. 31-32.

5. Козловский В.Д. Разработка рекомендаций по подбору вырубок под культуры ели с целью снижения побивания их весенне-летними заморозками. Архангельск, 1994.

6. Берлянд М.Е., Красиков П.Н. Предсказание заморозков и борьба с ними. Л., 1960.

7. Гольцберг И.А. Агроклиматическая характеристика заморозков в СССР и методы борьбы с ними. Л., 1961.

8. Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Береснева И.А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства. Л., 1983.

9. Родин А.Р. Культуры ели на вырубках. М., 1977.

10. Горный В.И. Геодинамика Восточно-Европейской и Западно-Сибирской платформ (по данным

дистанционного геотермического метода) // Региональная геология и металлогения. СПб., 2000. № 2. С. 76-86.

11. Горный В.И., Теплякова Т.Е. О влиянии эндогенного тепла земли на формирование в Бореальной зоне локальных ареалов неморальной растительности // Доклады Академии наук. 2001. Т. 378, № 5. С. 1-2.

12. Беляев В.В. Влияние геоэкологических факторов (на примере некоррелированного теплового потока Земли) на лесные экосистемы Севера / В.В. Беляев, К.А. Хмара, С.И. Дровнина, П.С. Бурлаков // Структурно-функциональные особенности биосистем Севера (особи, популяции, сообщества): Междунар. науч. конф. Петрозаводск, 2005. С. 123-127.

Belyaev Vladimir, Burlakov Pavel

PECULIARITIES OF FROST EXPANSION AND ITS INFLUENCE ON THE FIR CULTURES ON THE NORTH EUROPEAN TERRITORY

The article is devoted to the complex use of materials in the course of silvicultural research. Frost expansion on the territories of the northern and middle taiga subzones is analyzed. The research areas are given microclimatic characteristics. It is shown that freezing serves as a factor imitating artificial restoration of the fir cultures.

Получено 01.06.2007

Рецензент — Феклистов П.А., доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и защиты леса Архангельского государственного технического университета, член-корреспондент РАЕН