ГРИЦАН ЮРІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 634.956.58(С2):551.584.4

ЕКОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПЕРЕТВОРЮЮЧОГО

ВПЛИВУ ЛІСОВОЇ РОСЛИННОСТІ

НА СТЕПОВЕ СЕРЕДОВИЩЕ

(ЕКОТОП, ВЗАЄМОДІЯ, ДЕНДРОІНДИКАЦІЯ,

ТИПОЛОГІЯ)

03.00.16 - ЕКОЛОГІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

ДНІПРОПЕТРОВСЬК – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі геоботаніки, грунтознавства та екології Дніпропетровського державного університету.

Науковий консультант:

член-кореспондент НАН України, доктор біологічних наук, професор

Травлєєв Анатолій Павлович,

Дніпропетровський державний університет,

кафедра геоботаніки, грунтознавства та екології.

Офіційні опоненти:

Доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Царик Йосиф Володимирович, Львівський державний університет ім. І. Франка, кафедра зоології, завідувач

Доктор біологічних наук, професор Синельщиков Ростислав Георгійович, Донецька державна академія управління, кафедра екологічного менеджменту, завідувач

Доктор біологічних наук, професор Бессонова Валентина Петрівна, Запорізький державний університет, кафедра ботаніки та екології, завідувач

Провідна установа: Центральний ботанічний сад ім. М.М. Гришка НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться "29" березня 2000 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук в Дніпропетровському державному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, провулок Науковий, 13, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Дніпропетровського державного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, провулок Науковий, 13

Автореферат розісланий “26” лютого 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, кандидат біологічних
наук, доцент Дубина А.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сучасні біогеоценологічні дослідження функціонування екосистем степу в переважній більшості спрямовані на виявлення характеристик екологічних процесів, які виникають у лісових біогеоценозах (БГЦ). Поряд з цим, для степових територій України дотепер недостатньо накопичено матеріалу, який давав би всебічну уяву як про взаємодію лісового фітоценозу з чинниками навколишнього середовища, так і про середовищеперетворюючі процеси у самій екосистемі та за її межами на рівні мікро-, мезо- та макробіогеоценозо-систем (Зонн, Урушадзе, 1974). Тому головним об’єктом вивчення були лісові БГЦ степової зони України.

Вводиться поняття екоклімату, який розглядається нами як структурний компонент біогеоценозу, виходячи з того, що системний підхід є необхідною умовою для вивчення суті діючих природних процесів в степових лісах і допомагає розкрити деякі механізми їх функціонування та лісову пертиненцію в розумінні Г.М. Висоцького (1950).

Актуальність теми. Раціональне використання природних (і в першу чергу грунтових) ресурсів степової зони України передбачає проведення багатьох видів меліорації, серед яких лісомеліорація, як форма екокліматичної меліорації, займає одне з перших місць. При цьому виникають проблеми стійкості, довговічності та масштабів середовищеперетворюючого впливу захисних лісових екосистем на степові умови зростання, що зумовлює необхідність вивчення їх біогеоценотичних властивостей з позицій просторово-часового підходу. Актуальність цих досліджень визначається також необхідністю розробки одного з найважливіших розділів степового лісознавства, пов’язаного зі створенням оптимальних конструкцій насаджень, які ураховують ступінь лісопридатності територій. Вивчення пертинентного (середовищеперетворюючого) впливу лісових фітоценозів на навколишнє середовище дозволяє більш детально зясувати причини безлісся степу та розкрити механізми стійкого стану лісової рослинності в байраках, пристіні, заплавах і в інших місцях степової зони, де ліс знаходиться в екологічній відповідності умовам зростання.

Було задіяно методи досліджень геоботаніки, екології, грунтознавства, кліматології, дендроіндикації, степового лісознавства та математичної статистики, що значно поширило можливості експерименту і стало передумовою створення нового напрямку досліджень – лісової пертинентної біогеоценології – концепції про середовищеперетворюючі властивості лісових БГЦрис. 1).

Лісові екосистеми степу та агроценози являють собою єдиний лісоаграрний (природно-антропогенний) ландшафт, де природні та штучні ліси виконують ефективну захисну та регулюючу функції. Збереження високих меліоративних властивостей та подальше їх відновлення може бути вирішене лише при реальній оцінці реакції екосистеми та її компонентів на дію зовнішніх та внутрішніх чинників. Виявлення вказаних закономірностей вкрай необхідне в

Рис. 1. Структурна схема досліджень особливостей взаємодії лісового біогеоценозу з екологічними чинниками середовища та його перетворюючих властивостей з позицій лісової пертинентної біогеоценології

сучасний період, коли в Україні планується створити понад 1,5 млн. га полезахисних насаджень (Сайко, 1996).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась як складова частина науково-дослідних робіт кафедри геоботаніки, грунтознавства та екології, Комплексної експедиції Дніпропетровського держуніверситету (КЕДУ) по дослідженню лісів степової зони України, НДІ біології Дніпропетровського держуніверситету (ДДУ) в період з 1980 по 1998 рр., відповідно до наукової програми “Біологічні ресурси, їх раціональне використання, відтворення та охорона” (розділ “Рослинний світ, раціональне використання та охорона”) і координаційного плану Міносвіти “Механізми розвитку і старіння біологічних систем” в рамках держбюджетних планових тем: “Структурно-функціональна організація та матеріально-енергетичний обмін штучних лісових екосистем степової зони України як основа їх відтворення, охорони та раціонального використання” (№№ держреєстрації 81057747 д/б 51-81 (1980-1985рр.), 08160026944 д/б 52-86 (1985-1989рр.), 01900058233 д/б104-90 (1990-1993рр.), 01950007121 д/б 60-94 (1994-1996рр.), 0197000657 д/б 01-9-97 (1997-1999рр.); входила до складу НТП у 1995-96 рр., програма 2.4 “Збереження рослинного і тваринного світу”.

Дослідження координувались Проблемною Радою з біогеоценології та охорони природи АН СРСР, програмою ЮНЕСКО “Людина і біосфера” (підпрограма 2б), Науковою Радою з проблем грунтознавства НАН України, Міністерством освіти України, Придніпровським регіональним відділенням УЕАН. Робота виконувалась також і в межах господарчо-договірних тем, повязаних з реконструкцією заплави р.Самари (№№ держреєстрації 81089987 г/д 814-81(1981-1982), 02830005617 г/д 814-83 (1982-1983), 01860018169 г/д 1134 (1986-89), 01950021672 г/д 2052 (1989-1993), 01950021672 г/д 132 (1996-1997)), та в рамках співробітництва з Лабораторією дендроіндикації БІН РАН (м. Санкт-Петербург).

Мета і задачі дослідження. Обгрунтування нового наукового напрямку – лісової пертинетної біогеоценології. На основі аналізу середовищеутворюючого, середовищеперетворюючого і трансгресивного (позамежного) впливу лісового біогеоценозу на степові території виявити головні закономірності росту і розвитку лісових екосистем у жорстких умовах перебування з метою створення лісопільної системи ландшафту, де найповніше будуть використовуватись природні ресурси степової зони.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі завдання:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі вивчення середовищеутворюючого, середовищеперетворюючого та трансгресивного впливу лісових насаджень з урахуванням типологічних принципів О.Л. Бельгарда (1950, 1971) підтверджується доцільність розвитку та інтенсифікації степового лісорозведення. Обгрунтовано новий науковий напрямок – лісова пертинентна біогеоценологія. Розвиваючи положення степового лісознавства О.Л. Бельгарда – теоретичної основи степового лісівництва, вперше вводиться розрахунковий показник “коефіцієнт пертиненції”, який грунтується на експериментально встановлених значеннях екокліматичних різниць тепловологових характеристик біотопів. Запропонований інтегральний показник пертиненції розкриває більш широкі можливості для синтезу даних про особливості різних рівнів біогеоценозо-систем. Введено поняття “екоклімат” й охарактеризовані предмет і задачі вивчення екокліматології. Оцінені рівні кліматопу, як компоненту лісового біогеоценозу. Вперше, для умов степової зони України виділені типи екокліматів природних екосистем, що відрізняються характеристиками тепловологозабезпечення з приуроченими до них характерними БГЦ. Запропонована прогнозна оцінка розвитку лісових екосистем і програма комп’ютерного моделювання конструкцій лісових культурбіогеоценозів в степовій зоні України. Методами дендроіндикації з’ясовано взаємозв’язок приросту деревних рослин з кліматичними, гідрологічними та геліофізичними параметрами. Визначені внутрішньовікові ритми росту дерев, які характерні для основних лісоутворюючих порід, а також коливальні процеси їх кліматопу. Отримані нові розрахункові характеристики життєвого циклу деревостанів для оцінки впливу на них чинників середовища і на основі цього запропоноване поняття “дендрологічного року”. Встановлена подібність тенденцій змін приросту листяних та хвойних порід, як результат їх реакції на глобальні зміни зовнішніх умов, незважаючи на видове походження та особливості місцезростань.

Показана можливість використання отриманих результатів для вирішення задач степового лісорозведення та лісової рекультивації земель.

Практичне значення одержаних результатів. Дослідження лісових біогеоценозів та територій, порушених гірничодобувною промисловістю, є складовою частиною наукових розробок по створенню в степовій зоні стійких довговічних захисних насаджень, які мають високі середовищеперетворюючі властивості. Узагальнення уявлень про ритмічні процеси в середовищі – основа для організації і здійснення екологічного моніторингу на Присамарському міжнародному біосферному стаціонарі ДДУ (ПМБС ДДУ), а також на територіях, розташованих в умовах інтенсивного антропогенного впливу.

Наукові положення та методичні рекомендації результатів досліджень задіяні в навчальному процесі ДДУ в курсах лекцій: “Загальна екологія”, “Екологія та охорона навколишнього середовища”, “Грунтознавство”, “Степове лісознавство”, “Екокліматологія” та при виконанні науково-дослідних робіт співробітниками КЕДУ. Матеріали роботи використані Державним управлінням екологічної безпеки в Дніпропетровській області для обгрунтування та організації природоохоронних територій. Наукові розробки впроваджені в роботу ДХК “Павлоградвугілля”, ВАТ “Укргіпроруда”, Лабораторії дендроіндикації БІН РАН (м. Санкт-Петербург); використані Дніпровсько-Орільським заповідником для складання літопису природи регіону, Біосферним заповідником “Асканія-Нова”; задіяні для практичних цілей в роботі Дніпропетровського, Павлоградського, Верхньодніпровського, Полтавського та Одеського лісгоспів. Результати, отримані для південної частини степової зони України, були використані для організації природоохоронних заходів Державним управлінням екологічної безпеки Миколаївської області, що відображено відповідними актами впроваджень.

Особистий внесок здобувача. Дисертація виконувалась у складі КЕДУ на протязі 18 років. Автор брав особисту участь в постановці задач і досліджень, у зборі інформації, її обробці, аналізі та інтерпретації результатів. Дисертантом підібрані об’єкти досліджень, він приймав безпосередню участь в польових роботах як керівник загону екокліматології, гідрології та дендроіндикації лісових біогеоценозів КЕДУ. Ним створені Лабораторія екокліматології та дендроіндикації, науково-навчальна метеостанція та гідропост на ПМБС ДДУ. Експериментальні ділянки екологічного профілю мають постійно діюче метеорологічне обладнання, встановлене виконавцем. Автор має 72 друковані роботи, пов’язані з тематикою дисертації, в тому числі 2 монографії (особисту та в співавторстві).

В процесі підготовки і виконання роботи ми користувались підтримкою колег, однодумців та фахівців суміжних загонів КЕДУ, що і надало можливості виконати узагальнююче міждисциплінарне дослідження. Тільки завдяки причетності великої кількості фахівців в період організації досліджень і широкого кола обговорень окремих фрагментів роботи та її результатів в цілому на кафедрі геоботаніки, грунтознавства та екології ДДУ, в лабораторіях НДІ біології ДДУ та інших наукових закладах, склалось бачення поставлених задач.

Вибір теми даного дослідження і напрямок робіт здійснено під керівництвом Заслуженого діяча науки і техніки, член-корр. НАН України, д.б.н., проф. А.П. Травлєєва, за що автор глибоко вдячний, оскільки це сприяло узагальненню й представленню отриманих результатів і концепцій. Висловлюю також щиру подяку: академіку Петровської академії наук і мистецтв, вед. н.с. БІН РАН, д.б.н., проф. М.В. Ловеліусу; д.г.н. І.А. Береснєвій; д.б.н. Є.Г. Петрову; к.б.н. Л.П. Травлєєву, багаторічні робочі контакти і спілкування з якими формували мої наукові погляди. Значну допомогу при виконанні роботи надав колектив експедиції по вивченню забруднення атмосфери ВЕД УкрНДІ Держкомгідромету, очолюваний Л.О. Раменським.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи апробовані на 39 наукових, науково-технічних та науково-практичних конференціях, зїздах, семінарах тощо, в тому числі: - на 17 Міжнародних: “Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку”(Донецьк, 1993); Second International Conference on the Biogeochemistry of trace elements (Taiwan, 1993); “Проблеми екологічного моніторингу та охорони праці” (Севастополь, 1995); “Стійкий розвиток: забруднення навколишнього середовища та екологічна безпека” (Дніпропетровськ, 1995); “Вплив атмосферного забруднення та інших антропогенних і природних чинників на дестабілізацію стану лісів центральної і східної Європи” (Митищі, 1996); “Земельні ресурси України: рекультивація, раціональне використання та збереження” (Дніпропетровськ, 1996); “Франція та Україна. Науково-практичний досвід у контексті діалогу національних культур” (Дніпропетровськ, 1996, 1998); “ : ” (Севастополь, 1996); I Міжнародна конференція з медичної ботаніки (Київ, 1997); “Питання біоіндикації і екології” (Запоріжжя, 1998); “Актуальні питання збереження і відновлення степових екосистем” (Асканія-Нова, 1998); “Проблеми дендрології, квітникарства та плодівництва” (Ялта, 1998); “Проблеми ботаніки на рубежі -I віків” (Санкт-Петербург, 1998); “Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку” (Донецьк, 1998); “Наука і освіта” (Дніпропетровськ, 1998); “Проблеми землеустрою, земельного кадастру та екології навколишнього середовища в умовах здійснення земельної реформи” (Харків, 1999); - на 8 Всесоюзних: III зїзд грунтознавців (Новосибірськ, 1989); нарада за питаннями дендрохронології (Свердловськ, 1990); “Проблеми лісознавства та лісової екології” (Москва, 1990); “Екологічні проблеми охорони живої природи” (Москва, 1990); “Рослини та промислове середовище” (Дніпропетровськ, 1990); I Ростовська обласна науково-практична школа-семінар (Ростов-на-Дону, 1990); “Лісова типологія в кадастровій оцінці лісових ресурсів” (Дніпропетровськ, 1991); “Проблеми екоінформатики” (Москва, 1992); - на 14 Республіканських та Всеукраїнських: науково-технічна конференція (Запоріжжя, 1989); “Проблеми стійкості біологічних систем” (Харків, 1990); “Ботанічні дослідження в Україні” (Київ, 1992); I зїзд Українського ботанічного товариства (Київ, 1992); науково-практична конференція (Дніпропетровськ, 1993); “Проблеми раціонального використання соціально-економічного та природно-ресурсного потенціалу регіону” (Луцьк, 1993); “Теорія і практика рішення екологічних проблем в гірничодобувній промисловості” (Дніпропетровськ, 1993); I зїзд грунтознавців і агрохіміків України (Харків, 1994); “Екологія та інженерія” (Дніпродзержинськ, 1996); “Охорона довкілля: екологічні, освітянські, медичні аспекти” (Кривий Ріг, 1997); зїзд Українського ботанічного товариства (Полтава, 1997); “Сталий розвиток агроекологічних систем в умовах обмеженого ресурсного забезпечення” (Київ, 1998); “Роль охоронюваних природних територій у збереженні різноманіття” (Канів, 1998); зїзд Українського товариства грунтознавців та агрохіміків (Харків, 1998).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 72 наукових виданнях, з яких: дві монографії, 2 роботи в доповідях НАН України, 25 статей та 43 матеріали наукових конференцій, з’їздів, симпозіумів, конгресів.

Структура і обсяг дисертації. Матеріали роботи викладені на 591 сторінці машинопису, з них власне текст займає 300 сторінок. Дисертація складається із вступу, 9 розділів, висновків та рекомендацій, списку літератури і додатків (окремою частиною, що складається з додатку А, Б, В, Г). Текст ілюстрований 123 таблицями, 209 рисунками. Список літератури містить 711 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

СТАН ВИВЧЕНОСТІ ПРОБЛЕМИ

Принципи і методи кліматичних досліджень лісових біогеоценозів всебічно розкриті в роботах О.О. Ізмаїльського (1893, 1894); М.П. Адамова (1904); А.П. Тольського (1938); О.Л. Бельгарда (1950, 1971) та ін. Г.М. Висоцьким (1950) розроблено вчення про вплив лісу на зміну середовища його зростання і на навколишній простір (лісову пертиненцію). Проте необхідно відзначити, що питання середовищеперетворюючих властивостей лісових БГЦ на сьогодні залишились невирішеними, це особливо підтверджує сучасна практика і стан степового лісорозведення.

Необхідність детального вивчення лісових екосистем степової зони України обумовлена пошуками шляхів їх раціонального використання й охорони. Оскільки роботи такої спрямованості для даного регіону вкрай недостатні, наші дослідження будуть сприяти більш повному розумінню середовищеперетворюючої ролі деревостанів напіварідних територій.

ОБ'ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Теоретичною передумовою для постановки досліджень були роботи фундаторів степового лісознавства Г.М. Висоцького (1925, 1930, 1938, 1960) та О.Л. Бельгарда (1950, 1971).

Дослідження проводилися на екологічних профілях КЕДУ загальною довжиною 125 км., з охопленням основних елементів ландшафту (Бельгард, 1971), а також в багатьох місцезнаходженнях лісових екосистем степової зони України та прилеглих територій. Широко використовувалися методи комплексних біогеоценотичних досліджень, розроблені М.В. Дилісом, С.В. Зонном, М.С. Гіляровим (1974) та дендроіндикаційні за М.В. Ловеліусом (1979) і ін. Номенклатура грунтових розрізів складена за І.А. Соколовським (1965). Аналіз гранулометричного складу грунтів і порід виконаний за Н.А. Качинським (1956), класифікація грунтового зволоження приведена за Л.П. Травлєєвим(1979). Хімічний аналіз зразків грунтів проведено за О.В. Арінушкіною (1970). Екоморфічний аналіз рослинності досліджено за методикою О.Л. Бельгарда (1950, 1960, 1971). При проведенні екокліматичних спостережень використані загальноприйняті підходи з урахуванням своєрідності орографічних умов вододілів.

Оброблялись дані по температурі повітря і грунту, вологості повітря, характеристиці снігового покриву, сумах опадів, максимальних стоках рік, актинометричних показниках, розі вітрів, циркуляції атмосфери, різноманітних атмосферних явищах (посухах, суворих зимах, суховіях і ін.), рядах урожайності, геомагнітної і сонячної активності тощо.

Перевірка гіпотез і оцінка існуючих розходжень між середніми величинами здійснювалася за допомогою критерію Ст’юдента на 5% рівні значимості (Лакин, 1973; Владимирский, 1983). Всі математичні розрахунки зроблені на ПЕВМ на базі CPU Intel Pentium -166 MMX з допомогою прикладних програм, таких як: "Statistika W v 5. 773", "Matlab 5.1", "MathCad v 7.0 Pro", "Microcal Origin 5.0", "Microsoft Excel 97" і ін.

ЕКОЛОГІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЛІСОРОСЛИННИХ УМОВ

СТЕПОВОЇ ЗОНИ УКРАЇНИ

Опрацьовані дані інструментальних спостережень мережі метеорологічних станцій з пошуком взаємозв'язків між окремими елементами природного середовища і виявленням прогностичних характеристик для передбачення глобальних вікових процесів і явищ у природних та штучних фітоценозах України.

У зоні ризикованого землеробства урахування характеристик тепло- і вологозабезпеченості вкрай необхідне, тому що навіть у загальному вигляді дає можливість простежити зв'язок рельєфу з температурою повітря й опадами – основними екологічними чинниками природного середовища. Встановлено, що висотне положення територій під лісовими БГЦ визначає кількісні показники тепло- і вологозабезпеченості, детермінуючи значимість їх градацій за природними зонами.

СЕРЕДОВИЩЕПЕРЕТВОРЮЮЧІ ВЛАСТИВОСТІ ЛІСОВОЇ РОСЛИННОСТІ

Серед заходів, спрямованих на боротьбу з посухою, у межах степової зони важливе місце займають штучні ліси (масиви і полезахисні смуги). Як пише М.П. Акімов (1960), такий перетворений новий ландшафт степової зони можна умовно назвати лісопіллям.

Поверхня Приорільського плато розсічена великими ярами та балками, що спричинило утворення великої кількості випуклих вододільних територій. Особливості мезо- і мікрорельєфу зумовлюють певну своєрідність місцевих грунтово-кліматичних процесів. Багаторічні дослідження термічного режиму повітря в лісових БГЦ і на степовій цілині показали, що температури повітря за літній час, у середньому, знижуються на 1,0°C - 3,0°С. Взаємозв'язок екокліматичних показників, характеристик екотопу і фітоценозу демонструє рис. .

Основними джерелами поповнення запасів грунтової вологи на степових вододілах являються атмосферні опади і транзитна волога, тому першочергове значення має здатність грунтів до її накопичення, утримання і захисту від непродуктивних витрат. Екологічними чинниками, що визначають вологість розглянутих едафотопів є: зональні кліматичні умови, гранулометричний склад грунтів і їх водно-фізичні властивості, орографічні умови і характер рослинного покриву (рис. ). Чорноземи степової цілини на плакорі відзначаються недостатнім

Рис. 2. Варіограма, що характеризує показники середовищеперетворення степових лісів у залежності від їхніх типологічних особливостей

вмістом вологи під час вегетаційного періоду і незначною мінливістю зволоження протягом гідрологічного року. Відзначено покращення режиму зволоження під лісовими біогеоценозами завдяки акумуляції грунтами опадів холодного періоду року (129-141 %), так, в байрачних лісах має прояв короткочасне ранньовесняне перезволоження грунту. Верхні горизонти грунту (до 50-80 см) під лісовою

Рис. 3. Водно-фізичні властивості грунтів свіжої липово-ясенової діброви на пристіні

Примітка. МГ – максимальна гігроскопічність; ВЗ – вологість зів’янення; НВ – найменша вологоємність; ПВ – повна вологоємність; ДАВ – діапазон активної вологи

Рис. 4. Запаси продуктивної вологи (за наростаючим результатом) в шарах грунтів свіжої липово-ясенової діброви на пристіні: - 0-100 см; - 0-200 см

Таблиця 1

Характеристика вологоємності і водні константи грунтів лісових біогеоценозів

Тип

біогеоценозу | Шар грунту,

см | Категорії вологи, мм | Коефіцієнти вологообігуПримітка. Наводиться багаторічний інтервал коливання коефіцієнтів вологообігу, скорочення як на рис. 3.

МГ | ВЗ | НВ | ПВ | ДАВ | акумуляції | накопичення | витрат

Лісосмуги | 0-50

0-100

0-200 | 88.4

144.6

293.2 | 132.6

216.9

439.8 | 249.4

391.9

658.4 | 335.7

522.4

830.4 | 116.8

175.0

218.6 | ~0.90

(0.75-1.19) | ~0.75

(0.54-1.04) | ~0.81

(0.75-0.87)

Штучні лісові масиви вододілу | 0-50

0-100

0-200 | 121.9

207.5

370.9 | 182.8

311.2

556.3 | 249.3

396.8

670.9 | 264.6

373.4

563.8 | 66.5

85.6

114.6 | ~0.23

(0.00-0.39) | ~0.24

(0.08-0.36) | ~0.62

(0.44-0.72)

Масиви акації на пристіні | 0-50

0-100

0-200 | 63.1

97.2

173.1 | 94.6

145.8

259.6 | 241.6

365.9

553.4 | 318.8

511.6

849.9 | 147.0

220.1

293.8 | ~0.62

(0.37-0.90) | ~0.75

(0.32-1.07) | ~0.97

(0.85-1.29)

Діброви пристіну | 0-50

0-100

0-200 | 28.4

54.1

117.1 | 42.6

81.2

175.6 | 326.1

484.1

718.7 | 431.0

626.6

910.8 | 283.5

402.9

543.1 | ~0.66

(0.07-1.15) | ~0.80

(0.32-1.25) | ~0.75

(0.68-0.81)

Байрачні діброви північної експозиції | 0-50

0-100

0-200 | 86.0

148.3

286.4 | 129.0

222.4

429.6 | 278.2

423.0

719.6 | 349.9

502.2

765.2 | 149.2

200.6

290.0 | ~1.08

(0.81-1.35) | ~1.10

(0.73-1.73) | ~0.81

(0.77-0.84)

Байрачні діброви тальвега | 0-50

0-100

0-200 | 101.8

185.7

376.0 | 152.7

278.5

564.0 | 272.4

413.7

759.4 | 304.7

461.5

696.0 | 119.7

135.2

195.4 | ~1.41

(1.18-1.55) | ~1.29

(0.98-1.67) | ~0.86

(0.81-0.89)

Байрачні діброви південної експозиції | 0-50

0-100

0-200 | 95.0

167.2

336.3 | 142.5

250.8

504.4 | 278.4

419.4

643.0 | 326.0

448.6

662.7 | 135.9

168.6

138.6 | ~0.82

(0.52-1.16) | ~0.78

(0.42-1.28) | ~0.86

(0.83-0.90)

Байрачні діброви східної експозиції | 0-50

0-100

0-200 | 96.8

172.6

331.6 | 145.2

258.9

497.4 | 272.7

415.8

717.8 | 320.9

482.8

781.8 | 127.5

156.9

220.4 | ~0.88

(0.49-1.29) | ~0.95

(0.46-1.51) | ~0.86

(0.84-0.93)

Байрачні діброви західної експозиції | 0-50

0-100

0-200 | 77.5

131.1

312.9 | 116.2

196.6

469.3 | 274.5

416.4

695.7 | 354.3

546.2

772.4 | 158.3

219.8

226.4 | ~1.10

(0.77-1.60) | ~1.34

(0.61-1.99) | ~0.99

(0.91-1.24)

рослинністю відзначаються більш оптимальними водно-фізичними властивостями, чому сприяє механічна дія підземних органів рослин (Белова, 1997), діяльність мезофауни, тварин-грунториїв (Пахомов, 1998) та ін. В грунтах лісових біогеоценозів виявлено 2 періоди максимального зволоження: ранньовесняний (березень-квітень) та середньолітній (червень). Ліси степової зони зберігають загальні риси зонального кругообігу вологи, про що свідчать показники режиму надходження і витрат грунтової вологи. При цьому коефіцієнти витрат грунтової вологи лишаються відносно подібними для всіх біотопів, хоч режим зволоження кожної конкретної екосистеми залежить від ступеня акумуляції зимових і літніх опадів і термічних особливостей поверхневого шару грунту. Досліджувані грунти мають поліпшені фільтраційні властивості через особливості своєї структури, поглинаючої спроможності, лісового калдану і лісової підстилки, що сприяє накопиченню вологи в грунті (табл. 1) і зменшує негативний вплив теплового чинника, а також є передумовою для успішного росту і розвитку лісових біогеоценозів степу.

ДЕСТРУКЦІЯ І ВІДТВОРЕННЯ ГРУНТОВОГО І ПРИЗЕМНОГО ЕКОКЛІМАТОПУ ТЕХНОГЕННИХ ТЕРИТОРІЙ

Компоненти лісового біогеоценозу виявляють різну стійкість під впливом негативних чинників середовища (арідизація, засолення, підтоплення та ін.).Найбільш стійким структурним компонентом є грунти, хоча вони найважче відновлюються після руйнування (Травлеев, 1997).

Аналіз первинного грунтоутворювального процесу дав можливість з’ясувати процес формування штучних едафотопів на ділянках рекультивації шахтних відвалів. Значний інтерес, крім річних і місячних характеристик термічних змін у штучних грунтах, представляють і особливості добових коливань температури верхніх горизонтів, які згасають у суглинках та гумусованих грунтах насаджень з акації білої на глибині 40 см, а на шахтній породі глибше 80 см. Максимальні температури грунтів верхніх горизонтів (2-20 см) відмічались в липні і серпні, що в першому випадку пов'язано зі збільшенням сумарної сонячної радіації, а в другому – із світловим станом експериментальних насаджень. Найбільше нагрівалась поверхня на шахтній породі, суглинках і гумусованих грунтах в липні, де склала відповідно 44,0?С; 31,0°С; 28,5°С.

В характері промерзання і танення грунтів більш холодними є суглинки, де промерзання доходило до глибини 100 см, а ізотерма 0°С - до 120 см. Шахтна порода також промерзала до глибини 100 см, але ізотерма 0?С на протязі першої половини зими була значно вище до денної поверхні через процес окислювання відвального матеріалу. Гумусований грунт промерзав до глибини 75 см. Розподіл снігового покриву свідчить про його більшу акумуляцію (в середньому в 2 рази) у лісових насадженнях у порівнянні з безлісним простором. Після культивації міжрядь утворилися зниження, що сприяють снігозатриманню і загальмовують у середньому на 5-10 днів танення снігу в порівнянні з безлісними ділянками.

Перекриття породи насипними грунтами і проведення лісомеліоративних робіт дозволяє практично ізолювати контакт агресивної породи з зовнішнім середовищем, знизити процеси окислювання у всьому шарі спланованого відвалу, максимально наблизити умови штучного едафотопу до природних біотопів (Грицан, 1990, 1992). Помітна едифікуюча роль насаджень просліджується по різниці температур на поверхні грунту та на висоті 20-200 см у лісокультурах тополі Болле, акації білої, ялівцю віргінського, верби білої, клена гостролистого.

Таким чином, лісова рекультивація земель є необхідною умовою для поліпшення водно-фізичних та екологічних властивостей техногенних грунтів. Водночас успіх ліквідації шкідливих наслідків гірського виробництва на навколишнє середовище визначається багатьма чинниками, серед яких не останнє місце займають темпи і особливості трансформації кліматопу конкретної території (Травлеев, Зверковский, Цветкова и др., 1989; Береснева, Грицан, Парпан, 1991).

ВИКОРИСТАННЯ ПРИРОДНИХ ЛІСОВИХ БІОГЕОЦЕНОЗІВ ЯК МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РОЗРОБКИ МЕТОДІВ І ПРИЙОМІВ СТЕПОВОГО ЛІСОРОЗВЕДЕННЯ І ЛІСОВОЇ РЕКУЛЬТИВАЦІЇ

ПОРУШЕНИХ ЗЕМЕЛЬ

Використовуючи типологію штучних лісів О.Л. Бельгарда (1950), категорії земель степової зони України за ступенем їх лісопридатності і підходи по визначенню перспективних типів культур для лісництв степової зони, (Сидельник, 1960), а також на основі досліджень залежностей основних параметрів середовища, що впливають на розвиток рослин у степових екосистемах, виконаних нами, були відібрані і виділені чинники, включені в створені аналітичну і математичну моделі. На їх основі запропонована комп’ютерна програма, що здійснює аналіз певного числа параметрів (у першому варіанті 11-ти) і апроксимацію одного функціонального параметра (шуканого способу посадки). Загальний вид вікна інтерфейсу програми показано на рис. 5.

Рис. 5. Інформаційне вікно програми

Базуючись на тому, що лісорозведення, особливо полезахисне і суцільне, - один із найважливіших ресурсозберігаючих прийомів меліорації клімату, ми використали систему класифікації масштабів середовищеперетворюючого впливу лісової рослинності, викладену у роботі С.В. Зонна Т.Ф. Урушадзе (1974). Так, у наших дослідженнях рівень мікробіогеоценозо-системи охоплює ділянки зі змінами рельєфу від схилу до часткового зниження, що складають характерне природне утворення (аренний, заплавний, пристінний і байрачний ліс), при цьому мезобіогеоценозо-системи функціонально співвідносяться з градаціями природної зони, а вона – з макробіогеоценозо-системою. На рис. 6 представлена узагальнена характеристика градацій чинників середовища, обумовлених трансформацією

1. Тепліше зимою на (С) | ~1,35 (0,3-2,2) | ~0,70 (0,2-1,2) | ~0,50 (0,4-0,7) | ~0,25 (0,2-0,4)

2. Холодніше влітку на (С) | ~1,83 (0,5-3,0) | ~0,97 ((+0,2)-2,2) | ~1,25 (0,8-1,8) | тепліше до 0,7

3. Вологість повітря влітку більша на (%) | ~10 (6-14) | ~9 (3-15) | ~15 (7-23) | ~3 (2-5)

4. Термоактивний прошарок менше в (кіль-ть разів) | 3,15 | 1,75 | 2,10 | 1,50

5. Зволоження грунту більше в (кіль-ть разів) | 3,95 | 3,25 | 5,79 | 0,96

6. Промерзання грунту менше в (кіль-ть разів) | 4,40 | 2,91 | 4,80 | 2,40

7. Нагрітість грунтів менша в (кіль-ть разів) | 1,48 | 1,46 | 1,55 | 1,20

8. Теплоутримуюча спроможність грунту, більша в (кіль-ть разів) | 2,07 | 1,71 | 2,14 | 1,78

9. Акумуляція грунтом опадів збільшується на (%) | 150 | 90 | 180 | 30

10. Частота випадання опадів більша в (кіль-ть разів) | 0,00 | 0,25 | 0,30 | 0,15

Рис. 6. Характеристика середовищеперетворюючих особливостей природної лісової рослинності

середовищеутворюючої функції лісу на рівні мікробіогеоценозо-систем.

Характер середовищеперетворюючого впливу захисних лісових насаджень представлено на рис. 7. Відомо (Горейко, 1998), що лісосмужні насадження

Рис. 7. Середовищеперетворюючий ефект лісосмужних культурбіогеоценозів степової зони

степової зони сприяють підвищенню продуктивності прилеглих сільгоспугідь у цілому до 20 %, при цьому поліпшується водний режим і родючість грунтів на таких полях.

Встановлено, що лісові екосистеми мають значний трансгресивний вплив на клімат природних зон. З іншого боку, просторовий вплив лісосмуги обмежується невеликою територією, що безпосередньо з нею межує й у цьому випадку йдеться мова про локальне перетворення середовища. В умовах лісопілля, із значними по площі лісовими насадженнями, можна оцінювати вже їх протрансгресивний вплив. Хоча б тому, що в перерозподілі вологи (за рахунок скорочення стоку) і в посиленні циркуляції малих кругообігів води лісові насадження безсумнівно виявляться важливим механізмом регуляції степового клімату.

В результаті вивчення екотопічних особливостей місцезнаходжень степової зони нами виділено 10 різновидів екоклімату (рис. ), що відрізняються характеристиками волого- і теплозабезпеченості з їх характерними БГЦ. Координуючись із гігротопом типологічної сітки О.Л. Бельгарда (1971), вони дають розгорнуту класифікацію виділених категорій: так, наприклад, різновид екоклімату "гемістеповий" додатково може бути охарактеризований як дуже сухий і теплий, а "лісовий" як вологий і прохолодний.

Для оцінки якісної і кількісної характеристики особливостей процесів в екосистемах степу науковці КЕДУ використовують серію різноманітних коефіцієнтів. Так, інтегральний показник фізичних властивостей (ІПФВ) лісових грунтів для більш детального опису лісорослинних умов пропонує І.Є.Олег (1996). Складовими частинами ІПФВ являється: гранулометричний склад, структурність,

Рис. 8. Типи екокліматів степової зони України на основі класифікації О.Л. Бельгарда (1971)

липкість, зв'язність, зволоження, константи вологоємності, доступність вологи, водопроникність і водопідйомна спроможність грунтів, а кількісна оцінка складається по умовній п'ятибальній шкалі. У типологічний шифр біогеоценозу Н.А. Бєлова (1997) запропонувала ввести інтегральний показник РМО (рівень макро-, мезо- і мікроморфологічної організації едафотопу), що тісно пов'язаний із типологічними даними, а також із такими характеристиками, як коефіцієнт оструктуреності, водотривкості структурних агрегатів і кількості скоагульованого мулу, фіто-, зоогенні чинники, відношення вуглецю гумінових кислот до вуглецю фульвокислот. РМО виражається в умовній десятибальній шкалі. Для кількісної оцінки особливостей біологічного кругообігу речовин у лісовому біогеоценозі Н.М. Цвєткова (1992) використовує опадо-підстилочний коефіцієнт (ОПК), який дозволяє з'ясувати життєвість, ступінь сильватизації лісового біогеоценозу і прогнозувати його подальший розвиток. Локальний коефіцієнт зволоження (ЛКЗ), запропонований Л.П. Травлєєвим (1975), дає можливість визначити розмір природного зволоження місць розташування, утворених специфічними особливостями місцевості. Являючись розрахунковою характеристикою, він дозволяє освітити з більшою деталізацією показники гігротопів.

З метою узагальнення кількісних показників середовищеперетворюючого (пертинентного) впливу лісових біогеоценозів, а також на основі виявлених характеристик змін в екокліматичних особливостях екотопів, ми пропонуємо ввести розрахунковий показник "коефіцієнт пертиненції", що грунтується на експериментально встановлених значеннях екокліматичних різниць тепловологих характеристик біотопів, у конкретному випадку - відносної вологості повітря. Коефіцієнт пертиненції відображається як похідне емпіричного коефіцієнта пропорційності на різницю вологості повітря. Підтвердження достовірності такого зв'язку приведене на рис. 9.

Рис. 9. Кореляційне поле і лінія регресії коефіцієнта пертиненції

(коефіцієнт кореляції 0,98; =0,05; P=0,95; n=950)

Коефіцієнт пертиненції (КП) виражається рівнянням:

КП=kг +b, де г = г - г0;

г0- вологість повітря на відкритій точці; г - вологість повітря під наметом лісу; k - коефіцієнт пропорційності; b - вільний член рівняння.

Якщо прийняти, що КП=1, при г =15%, то можемо записати таку залежність: КП0,067г-0,0002. Довірчий інтервал для коефіцієнта пропорційності: 0,06675< k <0,06725, для вільного члена: 0,000178< b <0,000222.

Таким чином КП=kг, при k=0,067 (вільний член можна не враховувати, через його незначну величину), тоді КП0,067г

Розрахунок КП за основними типами БГЦ разом із вищеописаними підходами дозволяє дати більш детальну характеристику досліджуваним екотопам. Наступне об'єднання (табл. 2) запропонованих категорій в інтегральний показник пертиненції (ІПП) розкриває можливості для підсумовування уявлень про середовищетвірні можливості мікробіогеоценозо-систем, а надалі і мезо- і макробіогеоценозо-систем. Так, найбільший середовищеперетворюючий ефект властивий байрачним і заплавним лісам, які можуть використовуватися за основу при

Таблиця 2

Кількісне вираження екологічних особливостей основних типів БГЦ степової зони за системою інтегруючих показників

Тип

біогеоценозу | ІПФВ за І.Є.Олегом (1996) | РМО за Н.А.Бєловою (1997) | ОПК за Н.М.Цвєтковою (1992) | ЛКЗ за Л.П.Травлєєвим (1972) |

КП* |

ІПП*

Різнотравно-кострицево-ковиловий степ | 4.0 | 5 | 0.4 | 0.62 | 0.00 | 10.02

Лісосмуга на плакорі | 4.5 | 6 | 3.9 | 0.80 | 0.60 | 15.80

Лісовий масив на плакорі | 4.0 | 7 | 3.7 | 0.60 | 0.50 | 16.30

Байрачна діброва | 5.0 | 10 | 4.2 | 1.00 | 0.80 | 21.00

Пристінна діброва | 4.0 | 8 | 3.4 | 1.20 | 0.70 | 17.30

Заплавна діброва | 5.0 | 9 | 3.2 | 1.80 | 0.90 | 19.90

Вологуватий субір | 4.0 | 7 | 6.1 | 0.54 | 0.65 | 18.29

Сухий бір | 3.5 | 7 | 6.2 | 0.50 | 0.55 | 17.75

Примітка. КП- коефіцієнт пертиненції, добуток емпіричного коефіцієнта пропорційності на різницю вологості повітря; ІПП (інтегральний показник пертиненції) = ІПФВ+РМО+ОПК+ЛКЗ+КП

часовій і просторовій оцінці взаємодії лісової рослинності із степовим середовищем.

ЕКОКЛІМАТИЧНА ВЗАЄМОДІЯ ЛІСОВИХ БІОГЕОЦЕНОЗІВ СТЕПОВОЇ ЗОНИ УКРАЇНИ З УМОВАМИ МІСЦЕЗРОСТАННЯ

Динаміка багаторічної мінливості річного приросту, яка додатково розкриває середовищеперетворюючу роль дерев-едифікаторів за місцями зростання, вивчалася в байрачних, пристінних, заплавних дібровах, аренних борах і штучних насадженнях, створених в умовах плакорного степу. В основу вибору місць досліджень було покладене відоме положення (Битвинскас, 1974, Ловелиус, 1979 та ін.) про те, що дерева, які ростуть на межах свого поширення, найчіткіше інформують про зміни факторів, що лімітують зростання. Такими виявилися лісові острови на південній межі лісу. Дослідження виконане на матеріалі двох основних груп деревних рослин – листяних і хвойних, стосовно до основних географічних зон України (для порівняльної характеристики). Райони робіт приведені на картосхемі (рис. ). Вибір деревних порід ( яких використано 27) для досліджень обумовлений якісним складом природних і штучних лісів вододілів.

Застосування дендроіндикації для оцінки стану фітоценозу виявилося важливою ланкою пізнання механізмів стійкості та лісової пертиненції меліоративних насаджень. Розраховані періоди активізації ростових процесів, що є найбільш перспективними для приживаності лісових культур при лісорозведенні,

Рис. 10. Картосхема місць збору (залиті кружечки) зразків-кернів в Україні: Л – лісова зона; ЛС – лісостепова зона; півн.С - північна частина степової зони; півд.С - південна частина степової зони

агролісомеліорації і рекультивації порушених земель. Встановлено, що з періодичним збільшенням активності Сонця продуктивність лісових екосистем в напіварідних умовах зростає. Нами вводиться так званий “часовий період”, що дозволяє достатньо повно охарактеризувати особливості росту і розвитку деревостанів та який узгоджується з біологічними процесами, і на його основі пропонується поняття дендрологічного року ( з VII міс. попереднього по VI міс. наступного року, або з VIII по VII місяці у залежності від фенологічних особливостей рослин і екологічних характеристик едафотопів). Розроблені діагностичні регресійні рівняння для моделей приросту основних лісоутворюючих порід степу (дуба, ясена, клена, липи, в'яза, сосни).

Використовуючи виявлену для еталонних біотопів особливість, пов'язану із збільшенням частки ранньої деревини в річному кільці при кращому зволоженні (Грицан, 1989), можна прогнозувати стан деревостанів на підтоплених територіях, виявляючи стійкі тенденції до їх заболочування.

По встановленим ритмам, властивим біокосному середовищу, запропоновано досвід побудови математичної аналітичної моделі росту деревних порід, що може бути основою довгострокової програми розвитку степового лісорозведення при конструюванні лісопільного ландшафту.

Оцінка реакції лісових БГЦ степової зони на кліматичні показники і з’ясування змін лісорослинних умов дозволяють дати на сьогодні відповідь на одне з основних питань степового лісознавства - поєднання природних факторів степової зони не є абсолютною перешкодою для розвитку лісових насаджень, навіть на її крайніх межах. Водночас степове лісівництво повинно базуватися на обов’язковому урахуванні екокліматичних ресурсів територій, що виділяються під лісові землі.

ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ ЕКОЛОГО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ РОЗВИТКУ СТЕПОВОГО ЛІСОЗНАВСТВА –ТЕОРЕТИЧНОЇ ОСНОВИ СТЕПОВОГО ЛІСІВНИЦТВА

Детальне вивчення середовищеперетворюючих властивостей природних і штучних лісів степової зони – це один із головних напрямків комплексного рішення питання про натуралізацію лісу в степу (Бельгард, 1971).

У лісових біогеоценозах степової зони грунтові процеси, як показали дослідження, не виходять за межі чорноземного типу грунтоутворення. Проте амплітуда їх середовищеперетворюючого ефекту в умовах степу значно підвищується, що призводить до формування чорноземів лісопокращених і лісових байрачних, що якісно перевершують чорноземи звичайні. Варіанти екологічних зв'язків умовно відображені на схемі (рис. 11). Таким чином, дослідження, проведені нами, підтверджують теорію позитивного середовищеперетворюючого впливу лісової рослинності на вихідні безлісні території.

Рис. 11. Схематичне зображення середовищеперетворюючого впливу лісової рослинності для: а- Лісова зона; б- Cтеп, трав'яна рослинність; в- Cтеп, деревна рослинність; - аеротоп, - едафотоп

Атмосферні посухи, що спостерігалися в минулому, - неминуча властивість континентального клімату, тому немає підстави очікувати зникнення атмосферних посух у майбутньому. Останні в переважній більшості випадків викликають і грунтову посуху, із якою боротьба більш ефективна, оскільки залісення може послабити посуху, особливо грунтову (Высоцкий, 1938). З даним висновком узгоджуються і результати наших спостережень, що показали збільшення частоти випадіння літніх опадів поблизу великих лісових масивів (при цьому річні суми опадів у цілому практично не відрізняються від фонових (на сітьовій метеостанції)). З огляду на викладене можна відзначити, що оптимізація середовища, яка пов'язана із меліоративним впливом лісів степової зони, виявляється в такому: 1) у результаті зміни фізико-хімічних і водно-фізичних властивостей та поліпшення грунтової родючості утворюються оптимальні умови для життєдіяльності рослин і грунтової фауни (все це підвищує, тим самим, оновлюючі можливості грунту); 2) біологічний кругообіг у лісових екосистемах степу має більш широкий масштаб трансформації атмосферного і грунтового середовища, що призводить до якісного поліпшення чорноземів; 3) краща оструктуреність грунтів збільшує їх вологоємність і сприяє постійно вираженому (при наявності атмосферних опадів) транзиту вологи в ризосферному шарі, а зниження температури зменшує фізичне випаровування в едафотопі, тому лісові біогеоценози одержують більш розширені і стійкі функції стосовно впливу несприятливих факторів степового середовища.

ПРИКЛАДНІ АСПЕКТИ ВИКОРИСТАННЯ

ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

Підсумовуючи дослідження аспектів взаємодії деревостанів із екологічними чинниками, ми виділили ті з них, що найбільше позначаються на