5.5.7. Методы изучения биологической продуктивности культур
Изучению биологической продуктивности лесов в настоящее время уделяется большое внимание. Биологические ресурсы Земли определяют настоящее и будущее человечества. Сокращение площади лесов и их постепенная деградация могут иметь катастрофические последствия для жизни землян, так как именно леса являются основным фактором формирования жизненной среды человека.
К настоящему времени разработано большое число методических подходов к изучению биологической продуктивности лесного покрова. Подробную методику предложил коллектив Ботанического института РАН им. В.Л. Комарова (2002), пригодную для исследований как естественных, так и искусственных насаждений. Приемы изучения древесного яруса наиболее полно разработаны лесоводами и лесными таксаторами (см. раздел «Лесоводственно-таксационные методы исследований») и скорректированы применительно к изучению особенностей лесных культур. Важное значение придается изучению структуры древостоев и их формированию в возрасте до 80 лет. В этот период происходят наиболее заметные изменения в строении древостоя и формируется биологическая продуктивность древостоя и других ярусов растительности. Для лесоводов этот период интересен, прежде всего, возможностью активного применения широкого спектра лесоводственных мероприятий по повышению продуктивности лесов, улучшению их природообразующих и социальных функций.
Рекомендуемые специалистами Института ботаники приемы исследования древесного яруса близки методам, разработанным лесоводами.Модельные деревья на пробных площадях предлагают использовать для учета фитомассы (по 2 – 3 модельных дерева каждой древесной породы «господствующего и подчиненного компонента» древостоя). Можно отбирать по одному среднему дереву, от каждой ступени толщины с целью повышения точности определения фитомассы. Допускается отбор средней модели для каждого класса толщины, объединяющего три ступени, начиная с 8-сантиметровой ступени (с диаметра 6,1 см). Точность определения фитомассы древостоя методом средней модели составляет ± 3%.
После валки модельных деревьев крону делят на живую и мертвую части, а затем живую крону на три равные по длине части и обрубленные ветви каждой трети складывают отдельно. Объем ствола определяют по двухметровым отрезкам по сложной формуле Губера с выпиливанием дисков. При этом одна серия дисков служит для анализа хода роста ствола, а другая для определения массы древесины. Двухметровые отрезки ствола взвешивают и прибавляют массу выпиленных дисков.
При больших размерах ствола определяют его объем и плотность древесины в лабораторных условиях, используя выпиленные диски, переводят объем ствола в массу. Отдельно определяют объем и массу коры.
Определенная сырая масса древесины может колебаться в зависимости от ряда факторов – климатических, орографических, гидрологических, сезонных и др., в связи с чем важно определить массу в абсолютно сухом состоянии. Для определения влажности древесины составляют среднюю пробу древесины массой 0,5 – 1 кг, для чего берется сектор древесины из каждого выпиленного диска второй серии. Массу каждого выпиленного диска определяют через его объем, а последний – через диаметр и толщину диска. Далее определяют всю сухую массу ствола через объем и плотность древесины в абсолютно сухом состоянии.
Для определения массы хвои (листвы) и ветвей из каждой трети кроны отбирают по одной средней по размерам ветви из каждой мутовки для последующего отделения хвои (листьев). У деревьев старше 60 лет отбирают по 1 – 2 ветви из каждой трети кроны.
Отобранные средние ветви немедленно взвешивают, предупреждая их иссушение. Далее отделяют хвою и ветви, взвешивают снова, определяя сырую массу каждой модельной ветви, затем их измельчают. Крупные ветви распиливают на отрезки длиной по 10 – 15 см. Из крупных и мелких отрезков (диаметром менее 1 см) отбирают средние пробы массой 0,5 – 1,0 кг для определения влажности. Сухие ветви отделяют от живых; из них также отбираются средние пробы для определения влажности.
Массу хвои (листьев) определяют по разности сырой массы охвоенных (облиственных) и обезлиственных ветвей. Этот способ предпочтительнее непосредственного взвешивания хвои (листьев), которые в процессе работы быстро теряют влагу. Умножением массы средней ветви на число ветвей в соответствующей трети кроны определяют сырую массу последней, а затем и кроны всего дерева.
В случае необходимости определения текущего годового прироста ветвей и хвои (листьев), их отделяют и учитывают отдельно с хвоей и без хвои. Расчетным путем, через число ветвей, определяют массу однолетних ветвей и хвои, составляющую их текущий годичный прирост. Из хвои(листьев) отбирают средние образцы для их высушивания и определения абсолютно сухого веса и влажности. Принимая во внимание различие во влажности хвои различного возраста, находящейся на дереве, отбор среднего образца хвои должен быть произведен при достаточно тщательном её перемешивании.
Учет массы шишек (и других генеративных органов) производят по отобранным ранее модельным ветвям, при этом учитываются отдельно шишки урожая текущего года и прошлых лет, определяют их сырую массу и отбирают средние образцы для определения влажности. При необходимости учета семенной продуктивности определяют общее число семян в расчете на единицу площади, используя массу 100 шт. семян.
После определения сырой и сухой массы компонентов биомассы модельных деревьев вычисляют уравнения их зависимости от диаметра ствола на высоте 1,3м, что позволяет определить биомассу древостоя на основе результатов перечета диаметров стволов на пробной площади и на 1 га.
Для определения фитомассы подроста и подлеска отбирают по 10 экземпляров, средних по высоте и развитию, каждого из основных древесных видов и срезают под корень. Определяют массу ствола и ветвей (с отделением хвои и листьев), отбирают образцы для определения влажности после высушивания при температуре 105ОС. Результаты пересчитывают на пробную площадь и 1 га, используя количество учтенных экземпляров подроста и подлеска каждой древесной породы.
Определение фитомассы подземных органов производят по результатам определения их массы у модельных деревьев. Часть корней модельного дерева может выходить за пределы площадки, но это компенсируется проникновением в пределы площадки корней соседних деревьев, подроста, подлеска; корневые системы их также подлежат учету. Учитываемая площадь (площадь учетной площадки) должна быть не менее 3м2 в молодняках; в насаждениях старших возрастов берется для учета половина или четвертая часть площади питания модельного дерева. С проведением раскопки на полную глубину распространения корней (обычно до 1,5 – 2 м) с выборкой корней (отдельно живых и мертвых).
В некоторых случаях в зависимости от целей работы выбор корней производят по горизонтали почвы. Желательно произвести разделение корней по древесным породам, используя различия в их морфологии, запахе и цвете.
Собранные корни промывают водой на ситах, после отмывки сушат, уточняют разделение их по размерам и взвешивают. Одновременно берут образцы для определения влажности. Суммарную массу корней, определенную на пробной площади, пересчитывают на 1 га.
Учет массы корней травянистых растений производят методом монолитов с горизонтальными размерами 25 × 25см.
Изложенные выше методические положения, разработанные Институтом ботаники АН РФ, могут быть модифицированы с учетом задач исследований, их полноты и подробности и особенности изучаемых объектов. Г.Г. Терехов и В.А. Усольцев (2008) использовали для изучения структуры биологической продуктивности 20-летних культур ели в лесорастительных условиях в южной тайге Урала следующие методические положения.
На пробной площади, заложенной в соответствии с требованиями лесной таксации, выполняли сплошной перечет деревьев с измерением диаметров стволов и ширины крон в двух взаимно перпендикулярных направлениях (вдоль и поперек ряда культур) с последующим механическим отбором 15 – 20 деревьев для построения графика высот. Высоты измеряли мерной рейкой.
Для определения фитомассы использовали модельные деревья, которые отбирали в соответствии с пропорциональным представительством в ряду распределения деревьев по диаметру в количестве 6 шт. на пробной площади по двадерева в каждой из трех градаций диаметров стволов.Далее определяли биологическую продуктивность надземной фитомассы культивированных растений в августе месяце после окончания периода нарастания хвои.
После обрубки крону делили на три равные секции вдоль по стволу и каждую секцию взвешивали с точностью 50 г на весах грузоподъемностью 10 – 20 кг. Для определения массы хвои, в том числе хвои текущего года, и скелета кроны модельная часть кроны, образованная из средних по размеру ветвей, взятых из середины каждой секции, взвешивали с точностью до 5 г. Затем ощипывали всю хвою, выделяя хвою текущего года, и повторно взвешивали оставшийся скелет ветви. По соотношениям масс хвои текущего года, всей хвои и скелета кроны в каждой секции рассчитывали годичный прирост массы хвои, массу хвои и скелета всего дерева. От каждой секции брали навески для определения содержания сухого вещества в хвое и скелете кроны.
Фитомассу стволов определяли непосредственным взвешиванием на весах. Стволы после спиливания расчленяли на 50-сантиметровые отрубки, которые затем взвешивали в сыром состоянии с точностью 50 г. С торцов этих отрубков выпиливали диски шириной 3 см для определения содержания коры и абсолютно сухого вещества в древесине и коре. Диски взвешивали с точностью до 0,1 г, затем в лабораторных условиях сушили в термостатах при температуре 100 – 105°С до постоянной массы. По результатам взвешивания древесины и коры дисков до сушки и после нее определяли содержание абсолютно сухого вещества в них и в целом стволе. Хвою сушили до абсолютно сухого состояния в алюминиевых бюксах при температуре 63 °С.
Прирост древесины ствола получали по его отрезкам с определением объемного прироста, среднего за последние 5 лет, с последующим пересчетом на абсолютно сухое состояние по базисной плотности по дискам. Прирост коры рассчитывали по приросту древесины и соотношению массы древесины и коры ствола.
Годичный прирост массы ветвей определяли путем деления удвоенной массы ветвей на возраст кроны, измеренный по годичном кольцам у ее основания. Это согласуется с известным фактом; что средняя по массе мутовка у сосен приходится на середину кроны.
Массу корней отмывали и взвешивали по комплексному методу А.Ф. Чмыра (1984) у одной модели от каждой из упомянутых трех градаций по диаметру ствола. Первый этап заключался в осторожном обнажении корневой системы у ствола радиусом от 30 до 100 см (в зависимости от величины дерева) на глубину 10 – 15 см в целях определения количества крупных скелетных корней, их диаметра и характера распространения в горизонтальной проекции. После определения среднего диаметра скелетных корней выбирали 2 – 3 корня, разделяющих своим направлением окружность проекции кроны.
Затем вскрытием почвы по ходу этих корней через 15 – 20 см устанавливали их протяженность. Среднюю протяженность корней, формирующих скелет, принимали за радиус зоны распространения корневой системы модели, по которому вычисляли площадь поверхности почвы, занятой корнями (рис. 39).
Затем закладывали монолиты почвы объемом 5 дм3 (50x10x10 см) по ходу выбранных скелетных корней. Первый монолит закладывали на границе окружности вскрытой корневой системы, последний – за границей зоны распространения исследуемого корня. Вынутые почвенные монолиты с помощью лопаты укладывали на плотную бумагу или полиэтиленовую пленку. Почву осторожно просеивали через три сита с диаметром ячеек 2; 1 и 0,5 мм, после чего выбирали все мелкие корешки, пропущенные при первоначальной выборке.
Рис. 39. Схема расположения монолитов, отбираемых по комплексному методу А.Ф. Чмыра (1984):
1,2 и 3 - соответственно седлающий, профильные и вольные монолиты; R - радиус зоны распространения корневой системы; показаны зоны взятия монолитов седлающего (А), профильных (Б) и вольных (В)на примерно равновеликие секторы.
При высокой влажности почвы выборку корней из почвенных монолитов производили в водяной ванне. Выбрав крупные корневые мочки и отдельные корни руками, почву помещали в верхнее сито с диаметром ячеек 2 мм. Блок сит из трех секций (с размером ячеек 2; 1 и 0,5 мм) опускали в ванну с водой, где встряхиванием и помешиванием почвы производили отмывку корней. Затем их выбирали пинцетом из всех трех секций и укладывали в мешки.
Взяв верхний 10-сантиметровый слой почвы по ходу корней, закладывали монолиты в тех же местах с уровня 10 – 20 см до глубины распространения корней исследуемой модели. После закладки профильных монолитов по ходу скелетных корней закладывали вольные монолиты по концентричным кругам в зоне распространения корневой системы на равном расстоянии один от другого. Закладку вольных монолитов производили до горизонта проникновения корней модельного дерева.
Завершающим этапом была выкопка модели или закладка седлающего монолита. Размер седлающего монолита равен площади круга первоначально обнаженной корневой системы вокруг ствола радиусом 30 – 100 см с глубиной закладки, на 10 см превышающей глубину установленного предела распространения корней исследуемой модели. Надземную часть модели отрезали для последующего детального изучения, а пень с корневыми лапами зарисовывали.
В лаборатории корни помещали на 30 мин в водяную ванну, затем осторожно отмывали от почвенных частиц. При этом повторно уточняли породный состав корней, описывали морфологическое строение, а также определяли балл микоризности.
При камеральной обработке данных определяли насыщенность 1 дм3 почвы корнями изучаемой древесной породы и пород-конкурентов по каждой из зон взятия монолитов: 1) зоны скелетных корней; 2) зоны между скелетными корнями; 3) зоны седлающего монолита. Определив насыщенность почвы корнями по каждой из зон, устанавливали процентное соотношение их в общей площади корнеобитания данной модели. Зная общее количество скелетных корней, среднюю площадь профиля по ходу исследуемых 2 – 3 корней умножали на их число и получали площадь преимущественного обитания скелетной части корневой системы. Определив корненасыщенность по зонам и с учетом их площади, рассчитывали средневзвешенное количество корней в 1 дм3 почвы по зоне корнеобитания модельного дерева в целом.
У молодых (9-летних) деревцев массу корней определяли по методическим указаниям И.Н. Рахтеенко (1963) и В.А. Колесникова (1972), а объем надземной и подземной частей деревцев методом ксилометрирования.
Расчет фитомассы на 1 га (Рi, т/га) выполнили по соотношению площадей сечений: Рi = (∑рi / ∑gi)G, где G – сумма площадей сечений древостоя на пробной площади, м2/га; ∑рi.и ∑gi.– соответственно суммарная масса i-й фракции и суммарная площадь сечений всех моделей на пробе.
Математико-статистическую обработку материалов произвели на персональных компьютерах по программам STATGRAPHICS и EXCEL для среды MSWindows.