Запасы лесных подстилок в дубовых лесах белорусского сектора зоны отчуждения Чернобыльской атомной электростанции

Полный текст

Лесная подстилка (ЛП) – динамичный напочвенный биогеогоризонт, состоящий из мортмассы лесных организмов, преимущественно растений, отчасти независимый компонент лесного биогеоценоза, временно удерживающий минеральные элементы и регулирующий их перемещение в биологическом круговороте (Карпачевский, 1981), а также возобновляющийся ресурс, аккумулирующий в себе химические элементы и определяющий поступление их в биосферу (Богатырев и др., 2004).

Актуальность изучения ЛП определена свойствами и функциями, выполняемыми ею в лесных биогеоценозах. Она значительно возрастает в зоне отчуждения (ЗО) Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС), где подстилки являются основным депо радионуклидов, важным звеном в их биологическом круговороте и биогеохимическим барьером в процессе вертикальной миграции (Лес. Человек. Чернобыль…, 1999; Щеглов, 2000; Переволоцкий, 2006).

Дубравы, занимающие 7863 га (5.6%) лесопокрытой площади в белорусском секторе ЗО ЧАЭС, с момента аварии не эксплуатировались. В экологической группе суходольных, или плакорных, дубрав преобладают кисличный (28.8%) и снытевый (10.8 %) типы леса, в группе пойменных – злаково-пойменный (10.7 %) и прируслово-пойменный (10.8 %).

В литературе имеется достаточно информации по толщине ЛП в дубравах Белорусского Полесья (Полесье), сведения об их запасах ограничены несколькими типами леса (Кирковский, 1987), а для дубрав в ЗО ЧАЭС – отсутствуют.

Цель исследования – установить современные характеристики ЛП в дубравах белорусского сектора ЗО ЧАЭС и факторы, влияющие на ее накопление.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Объект исследований – ЛП в высоковозрастных насаждениях четырех самых распространенных типов дубрав в белорусском секторе ЗО ЧАЭС. Исследования проводили до начала листопада (24.08.2021–7.09.2021 г), когда наступает их стабилизация (Кабанов, 1990), на 25 временных пробных площадях (ВПП), заложенных в дубравах кисличных (8), снытевых (7), прируслово-пойменных (5) и злаково-пойменных (5). Высокое покрытие насаждениями этих типов леса площади формации (61.1%) указывает на репрезентативность исследованной типологической выборки.

Закладку ВПП произвели в соответствии с методами, описанными в работе В.Ф. Ковязина с соавторами (2010). Таксацию древостоев и расчет таксационных показателей выполнили с использованием принятой в Беларуси справочной литературой (Мирошников и др., 1980; Кузьменков и др., 2019). Средние таксационные показатели древостоев дубрав по типам леса приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Средние таксационные показатели древостоев дуба

Тип леса / тип условий местопроизрастания	Количество ВПП, штук	Ярус	Возраст, лет	Средние		Класс бонитета	Количество деревьев, штук га–1	Сумма площадей сечений, м2га –1	Полнота	Запас, м3га–1	Доля примеси в общем запасе, %
				высота, м	диаметр, см
Дубрава кисличная / D2	8	I II	112 60	23.3 15.8	42.8 16.0	II.8 –	206 48	23.2 1.0	0.7 –	254 6	11.0
Дубрава снытевая / D3	7	I II	101 47	22.1 15.8	42.9 17.9	II.6 –	266 160	18.6 4.2	0.6 0.1	177 25	40.8
Дубрава злаково-пойменная / С2п, С3п	5	I	85	20.9	29.8	II.4	443	23.9	0.8	223	24.9
Дубрава прируслово-пойменная / А2п, В2п	5	I	72	12.7	31.3	IV.2	240	17.4	0.8	143	7.8

Примечание. Согласно белорусским лесотипологическим таблицам (Юркевич, 1980), тип условий местопроизрастания (ТУМ) обозначается шифрами трофности: А – наиболее бедных, В – относительно бедных, С – относительно богатых, D – богатых почв – и индексами влажности: 2 – свежих, 3 – влажных почв; индекс «п» указывает на пойменные условия.

 

Для установления запаса ЛП в типе леса с 20-процентной точностью при вероятности 0.95 рекомендуется отбирать 43 пробы (Карпачевский, 1981). В работе Л.И. Аткиной и Н.И. Стародубцевой (2004) для этой цели их отбор осуществляли на 20–25 учетных площадках (УП) размером 0.05 м², а для определения толщины подстилки с 7–12-процентной точностью выполняли 40–50 ее замеров.

В дубравах ЗО ЧАЭС определение запаса ЛП выполняли методом отбора образцов на 15 УП размером 0.5 × 0.5 м. На каждой ВПП размещали по 15 УП на 3 трансектах – по 5 УП на трансекте через 10 м при расстоянии между трансектами 15 м. Мощность ЛП замеряли на каждой стороне УП. В дубраве кисличной отобрали 120 образцов подстилки, снытевой – 105, прируслово-пойменной и злаково-пойменной – по 75; произвели соответственно 480, 420 и по 300 замеров ее толщины.

В полевых условиях на каждой УП путем взвешивания определяли массу образца ЛП при естественной влажности. В пределах ВПП образцы объединяли, перемешивали и отбирали среднюю пробу. Методом их высушивания в сушильном шкафу при 100–105 °С до постоянной массы устанавливали влажность средних проб ЛП на ВПП в соответствии с ГОСТ 28268-89 «Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений». С учетом влажности рассчитали запас абсолютно сухой массы и плотность сложения ЛП на УП в соответствии с исследованием Я.К. Куликова (2013), далее определили средние показатели мощности, запаса и плотности сложения ЛП и отдельные их статистические показатели для каждого типа леса.

Обработку материалов производили при помощи стандартных пакетов прикладных программ M icrosoft E xcel 2010 и S tatistica 6.1. Все параметры ЛП в дубовых лесах ЗО ЧАЭС определены с точностью 3.1–8.2%, что говорит о достаточном количестве наблюдений и обоснованности полученных данных.

Достоверность различий (t) для двух сравниваемых малых выборок (n < 20) рассчитывали по формуле:

$t=\left(M_1-M_2\right)\sqrt{\frac{1-2{\left(n_1+n_2\right)}^{-1}}{\frac{{\sigma }_1^2}{n_2}+\frac{{\sigma }_2^2}{n_1}}}$,

где М – среднее значение выборки; σ – стандартное отклонение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Толщина лесной подстилки. По данным, приведенным в «Атласе морфологических признаков лесных почв Беларуси» (Соколовский, Юреня, 2012), толщина ЛП в дубравах страны находится в пределах 2–4 см, в среднем составляя в дубраве орляковой 3.0 см, кисличной – 3.1 см, черничной – 3.2 см. В плакорных дубравах Полесья она варьирует в диапазоне 1–4 см, редко выходя за границы 2–3 см (Соколовский, Беспалый, 2015). В дубравах орляковых, снытевых, кисличных Беловежской пущи Беларуси составляет 2 см (Антоник, Ефремов, 2007). В центральной части Полесья, в дубраве кисличной, она изменяется в пределах 3–7, в черничной – 2–4, в снытевой – 1.5–3 см (Горюнова, Солонович, 1978; Антоник, 2007; Герасименко, Соколовский, 2008). В дубравах прируслово-пойменных мощность ЛП колеблется в диапазоне 2–6 см, местами отсутствует, в дубраве пойменной составляет 5 см (Солонович, 1976; Антоник, 2007; Беспалый, Соколовский, 2017). В смешанных дубравах ближней зоны ЧАЭС ее величина находится на уровне 2 см (П ереволоцкая, 2009).

Северо-восточнее Полесья в лиственных насаждениях Калужской области России мощность ЛП составляет 2.88–5.71 см (Щеглов, 2000), в чистых дубравах Московской области – 4.4 см, в смешанных – 3.5 см (Наумов и др., 2019), в дубняках лесостепной зоны Татарстана – 2.0–3.3 см (Ульданова, 2017), в высокоствольных дубравах степной зоны – 4–6 см (Козлов, 2006; Баканов и др., 2018), в порослевых – до 2 см (Кабанов, 1990). В пойме среднего течения реки Большая Кокшага (Республика Марий Эл) под высоковозрастными дубравами ее толщина увеличивается от 0.7–1.4 см в прирусловой части до 2.1–4.0 см в остальной (Исаев и др., 2005), а в дубравах поймы среднего Днепра – от 1–2 до 10 см (Соловьев, 2007).

В ЗО ЧАЭС средняя толщина ЛП по типам леса варьирует в диапазоне 1.7–2.9 см (табл. 2), то есть в пределах тех же 2–3 см, характерных для дубрав Полесья. В большинстве случаев она уступает мощности подстилок в дубравах европейской части России.

 

Таблица 2. Статистические показатели характеристик лесной подстилки по типам дубрав

Статистические показатели	Дубрава кисличная	Дубрава снытевая	Дубрава злаково-пойменная	Дубрава прируслово-пойменная
n	120	105	75	75
Мощность, см
min–max	0.5–6.5	0.5–6.5	0.4–5.8	0.5–5.5
M ± m	2.5 ± 0.09	2.6 ± 0.12	2.9 ± 0.14	1.7 ± 0.10
Cv / Р	40.4 / 3.7	48.3/4.7	44.0/5.1	50.5/5.8
Запас, кг м–2
min–max	0.8–6.5	0.8–7.6	0.7–4.9	0.2–4.9
M ± m	2.1 ± 0.10	2.7 ± 0.13	2.0 ± 0.10	1.6 ± 0.10
Cv / Р	52.6/4.8	50.3/4.9	41.3/4.8	56.4/6.5
Плотность сложения, г см–3
min–max	0.03–0.22	0.05–0.28	0.03–0.53	0.04–0.15
M ± m	0.09 ± 0.003	0.11 ± 0.004	0.08 ± 0.007	0.09 ± 0.003
Cv / Р	36.9/3.4	35.4/3.5	71.1/8.2	26.8/3.1

Примечание. n – количество учетных площадок; min и max – минимальное и максимальное значения; M – среднее арифметическое значение; m – ошибка среднего арифметического значения; C _v – коэффициент вариации, %; Р – коэффициент точности, %.

 

Толщина ЛП в дубравах ЗО пространственно неоднородна, на что указывают 16-кратный размах колебания частных ее значений (0.4–6.5 см), снижающийся от дубрав злаково-пойменных (14.5) до снытевых, кисличных (13.0) и прирусловой-пойменных (11.0), и высокие коэффициенты вариации средних величин по типам леса (40.4–50.5%). В приведенном выше ряду уменьшается и средняя толщина ЛП, которая, несмотря на близкие значения, достоверно различается между большинством типов леса (табл. 3).

 

Таблица 3. Достоверность различий показателей мощности (числитель) и запаса (знаменатель) лесной подстилки между типами дубрав

Тип леса	Дубрава кисличная	Дубрава снытевая	Дубрава прируслово-пойменная
Дубрава снытевая	0.67 / 3.66*	–	–
Дубрава прируслово-пойменная	5.95* / 3.54*	5.76* / 6.71*	–
Дубрава злаково-пойменная	2.40* / 0.71	1.63 / 4.27*	6.98* / 2.83*

Примечание. * – различия достоверны на 95-процентном уровне значимости.

 

Запас лесной подстилки является более значимой характеристикой ввиду того, что показатель мощность ЛП довольно субъективен, а точность его невысока (Карпачевский, 1981). В 1970-х гг. в плакорных условиях Полесья ее абсолютно сухой вес в дубраве орляковой составлял 0.85, черничной – 0.87 и крапивной – 1.86 кг м^–2 (Кирковский, 1987). Все данные в настоящей статье для удобства сравнения приведены в кг м^–2. В Прибалтике в ТУМ С₃ и D_3, соответствующих дубравам черничной и снытевой, запас ЛП был равен 2.63 и 0.95 кг м^–2 (Вайчис, Онюнас, 1977). В лиственных лесах Калужской области ее запас варьирует в пределах 2–4 кг м^–2, Брянской – 3–5 кг м^–2 (Щеглов, 2000). Южнее, в чистых естественных дубравах Черкасской области Украины, он снижается до 1.28 кг м^–2, искусственных – до 2.38 кг м^–2, смешанных – до 0.85 и 1.20 кг м^–2 соответственно (Жицька, Хоменко, 2011). В дубравах в лесостепи Татарстана масса ЛП составляет 0.81–1.72 кг м^–2 (Ульданова, 2017), нагорных дубравах южной лесостепи – 1.39–1.69 кг м^–2 (Каплина, Кулакова, 2021), чистой спелой плакорной дубраве степной зоны – 1.12 кг м^–2 (Баканов и др., 2018), чистых и смешанных порослевых дубравах Саратовской области – 0.11–1.97 кг м^–2 (Кабанов, 1990), Северном Прикаспии – 7.53 кг м^–2 (Кулакова, 2014). В Полесье мортмасса ЛП в дубраве широкотравно-пойменной весила 0.77 кг м^–2 (Кирковский, 1987). В пойме реки Большая Кокшага ее запас под дубравами возрастает от 0.41–1.37 до 1.63–3.73 кг м ^–2 по мере удаления от прирусловой части и приближения к поверхности почвы уровней грунтовых вод (Исаев и др., 2005). В дубравах поймы среднего Днепра он намного выше – 3.70–8.99 кг м^–2 (Соловьев, 2007).

Современные средние запасы ЛП в ЗО ЧАЭС по типам дубрав (табл. 2) расположены в узком весовом интервале (1.6–2.7 кг м^–2) при средней величине по формации 2.2 ± 0.06 кг м^–2. Они достоверно различаются между собой, кроме единичного случая (табл. 3). Их масса в полтора раза выше массы ЛП в дубравах Полесья 40-летней давности (0.85–1.89 кг м^–2). В плакорных дубравах они в определенной мере вписываются в диапазоны запасов ЛП в дубравах Украины, в меньшей степени – России; в пойменных – близки к запасам ЛП в дубравах России и значительно уступают насаждениям дуба в пойме Днепра.

Весьма неоднородно пространственное распределение запаса ЛП в дубовых лесах ЗО ЧАЭС. Общий размах колебаний ее индивидуальных значений (0.2–7.6 кг м^–2) достигает 38 раз и возрастает от дубравы злаково-пойменной (7.0) до кисличной (8.1), снытевой (9.5) и прируслово-пойменной (24.5). Коэффициенты вариации средних запасов ЛП по типам леса (41.3–56.4%) в среднем соответствуют аналогичному показателю в порослевых дубравах степи (48%) (Кабанов, 1990) и значительно выше их вариации в лиственных и хвойно-широколиственных лесах Брянской и Калужской областей (23.0–34.4%) (Щеглов, 2000).

Расчетный запас ЛП в дубравах ЗО ЧАЭС составляет около 200 тыс. т (табл. 4). При его определении к наиболее распространенным (базовым) типам леса присоединяли площади остальных типов на основе сходства или близости индексов трофности и влажности почв.

 

Таблица 4. Оценочный запас лесной подстилки в дубравах зоны отчуждения Чернобыльской АЭС

Показатель	Дубравы кисличная и орляковая	Дубравы снытевая, черничная крапивная и папоротниковая	Дубрава прируслово-пойменная	Дубравы злаково-пойменная, ольхово-пойменная, широкотравно-пойменная и пойменная	Всего
Общая площадь, га	3713.5	1345.9	851.9	1951.6	7862.9
Запас лесной подстилки, кг м–2	2.5	2.6	1.7	2.9	–
Общая масса подстилки, т	92838	34993	14482	56597	198910

Примечание. Полужирным шрифтом выделены базовые типы леса.

 

Запасы ЛП с определенной синхронностью повторяют изменение ее мощности (Щеглов, 2000) и находятся в статистической связи между собой, характер которой зависит от степени увлажнения почв (Вайчис, Онюнас, 1977). Сильные корреляции между этими параметрами установлены для низкоствольных дубрав Саратовской области (r = 0.71, р < 0.01) (Кабанов, 1990). В ЗО ЧАЭС связь между ними еще более тесная (r = 0.76, р < 0.01, n = 375).

П лотность лесной подстилки в дубравах Полесья составляет 0. 25–0.40 г см^–3, Беловежской пущи – 0.17–0.33 г см^–3 (Антоник, 2012; Антоник, Босак, 2016). В дубравах ЗО ЧАЭС по состоянию на 2021 г. она оказалась более рыхлой и однородной – средние показатели плотности сложения по типам леса располагались в интервале 0.08–0.11 г см^–3 (табл. 2), а достоверные различия данного показателя между всеми типами леса, несмотря на высокие коэффициенты вариации средних величин (26.8–71.1%), отсутствовали. Средняя плотность ЛП в насаждениях дубовой формации (0.09 ± 0.002 г см^–3) близка к плотности подстилки черноольховых лесов (0.07 ± 0.001 г см^–3) в ЗО ЧАЭС (Гарбарук и др., 2022).

В лияние экологических факторов на характеристики лесной подстилки. Снижение плотности ЛП в дубравах ЗО ЧАЭС и превышение ее запасов над запасами 40-летней давности обусловлены изменением климата и современными метеорологическими условиями. На общем фоне 30-летнего периода засушливых явлений в регионе (Бровка, Буяков, 2020), по данным расположенной на территории ЗО ЧАЭС станции «Масаны», 2021 год характеризовался пониженным количеством осадков (519 мм) в сравнении со среднемноголетней нормой (609 мм), повышенной температурой воздуха (+8.2 °С при норме +7.8 °С), низкими коэффициентами увлажнения территории по Н.Н. Иванову (0.81 за май–август и 0.75 за год). Поэтому дефицит влаги замедлил микробиологическую активность в ЛП и ее деструкцию, чем обеспечил нарастание мортмассы и снизил степень уплотнения.

Различия в толщине и запасах ЛП в разных типах леса задаются комплексом экологических факторов, важнейшим из которых является рельеф местности, определяющий влагообеспеченность почв. Его понижение независимо от региона и лесообразующей породы сопровождается увеличением влажности почв и уменьшением запасов ЛП с последующим их ростом в переувлажненных местах (Аткина, Аткин, 2000). Повышению запасов ЛП способствуют увеличение увлажнения и снижение плодородия почв, а наибольшие запасы они накапливают на среднеплодородных почвах (Вайчис, Онюнас, 1977). В поймах рек их масса возрастает с понижением рельефа и повышением уровней грунтовых вод (Исаев и др., 2005).

С рельефом более тесно связана толщина ЛП (Щеглов, 2000). В составном ряду типов леса ЗО ЧАЭС (дубрава прируслово-пойменная – дубрава кисличная – дубрава снытевая – дубрава злаково-пойменная) понижается рельеф, уровни грунтовых вод приближаются к дневной поверхности, просматривается тенденция повышения индекса почвенного увлажнения. Одновременно увеличивается мощность ЛП. Ее запасы возрастают в рядах типов леса (дубрава прируслово-пойменная < дубрава злаково-пойменная ≤ дубрава кисличная < дубрава снытевая) и ТУМ (А₂, В₂ < С_2–3 < D₂ < D₃), то есть по мере улучшения лесорастительных условий. Близкие значения толщины ЛП в дубравах кисличных и снытевых, характеризующихся разными индексами увлажнения при идентичных трофотопах, обусловлены выравниванием темпов ее разложения в связи с опусканием уровней грунтовых вод в ходе многолетней засухи до глубины, при которой капиллярная влага не достигает подстилок и не влияет на их влажность.

В процессе накопления ЛП важную роль играет количество опада. В исследованных дубравах большую его часть поставляет древесный ярус. Поэтому вполне ожидаема связь параметров ЛП с таксационными показателями древостоев. Таким примером является тесная корреляция ее запаса с сомкнутостью полога древостоя, долей клена остролистного (Acer platanoides L.) в составе, умеренная – с абсолютной и относительной полнотой насаждения, высотой дуба (Quercus robur L.), стволовым запасом в низкоствольных дубравах Саратовской области (Кабанов, 1990). В дубравах ЗО ЧАЭС выборка запаса ЛП имеет ненормальное распределение (критерий Шапиро-Уилка W = 0.876, р = 0.01), выборка толщины (W = 0.939, р = 0.14) – нормальное. Установлены значимые (р < 0.05) слабые коэффициенты корреляции Спирмена мощности ЛП со средней высотой древостоя дуба и классом бонитета, характеризующим качество условий местопроизрастания (табл. 5).

 

Таблица 5. Коэффициенты корреляции Спирмена толщины и запаса лесной подстилки с таксационными показателями древостоев дуба (n = 25)

Показатели	Возаст, лет	Средние		Класс бонитета	Число стволов, шт./га		Сумма площадей сечений, м2/га		Полнота		Стволовый запас, м3/га		Доля примеси в общем запасе, %
		высота, м	диаметр, см
	дуба					общее	дуба	общая	дуба	общая	дуба	общий	общая
W	0.909	0.904	0.964	0.886	0.926	0.868	0.917	0.975	0.937	0.957	0.794	0.871	0.899
р	0.03	0.02	0.50*	0.01	0.07*	0.00	0.04	0.78*	0.12*	0.36*	0.00	0.00	0.02
Толщина, см	0.11	0.47**	0.236	0.45**	–0.10	0.02	0.10	0.24	–0.10	–0.05	0.32	0.33	0.13
Запас, кг/м2	0.18	0.32	0.35	–0.24	–0.25	–0.06	–0.05	0.14	–0.19	–0.04	0.07	0.19	0.28

Примечание. W – критерий Шапиро-Уилка, р – уровень значимости, %, * – нормальное распределение, ** – статистически значимые результаты при р < 0.05

 

Поэтому наиболее низкие мощность и запас ЛП наблюдаются в низкобонитетных низкопродуктивных дубравах прируслово-пойменных (табл. 1), а самые высокие ее запасы накапливают дубравы снытевые, произрастающие на самых богатых влажных почвах, приуроченных к ТУМ D₃.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мощность и запас ЛП в различных типах дубрав ЗО ЧАЭС располагаются в узких интервалах абсолютных значений (1.7–2.9 см и 1.6–2.7 кг м^–2) и находятся в тесной (r = 0.76) взаимосвязи. При высокой вариабельности средних величин (40–56%) они в большинстве случаев достоверно различаются между собой. Диапазон толщины ЛП совпадает со средними ее значениями большинства типов дубрав Полесья, но по мощности они уступают подстилкам дубовых насаждений за пределами региона. Запасы ЛП в полтора раза превышают величины данного параметра 40-летней давности в Полесье и близки либо уступают мортмассе ЛП в разных природных зонах европейской части России. Общий их запас в ЗО ЧАЭС составляет 200 тыс. т. Плотность сложения ЛП довольно однородна и по типам леса составляет 0.08–0.11 г см^–3.

Величины характеристик ЛП в дубравах ЗО ЧАЭС определяет совокупное влияние погодно-климатических условий, рельефа, богатства и влажности почв, регулирующих количество опада, влажность ЛП и микробиологическую активность в ней. Засушливые явления в регионе на фоне глобального потепления климата обусловили снижение влагообеспеченности ЛП, замедление их разложения, выравнивание их толщины и запаса между отдельными типами леса.

Об авторах

А. В. Углянец

Полесский государственный радиационно-экологический заповедник

Автор, ответственный за переписку.
Email: dima.garbaruk.77@mail.ru
Белоруссия, ул. Терешковой, д. 7, Хойники, 247618

Д. К. Гарбарук

Полесский государственный радиационно-экологический заповедник

Email: dima.garbaruk.77@mail.ru
Белоруссия, ул. Терешковой, д. 7, Хойники, 247618

Список литературы

Дополнительные файлы