КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-76-01014

НазваниеПочвенно-экологические условия восстановления основных лесообразующих пород в таежной зоне при современных практиках лесопользования

РуководительИльинцев Алексей Сергеевич, Кандидат сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион Федеральное бюджетное учреждение "Северный научно-исследовательский институт лесного хозяйства", Архангельская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2025 

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-101 - Лесное хозяйство

Ключевые словаустойчивое управление лесами, заготовка древесины, вырубки, нарушение почвы, свойства почвы, лесовосстановление, обработка почвы, экологические условия, рост деревьев

Код ГРНТИ68.47.03

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время на лесные экосистемы оказывается мощное антропогенное воздействие, и ожидается, что в дальнейшем оно будет только усиливаться (Национальный доклад…, 2019). Заготовка древесины - ключевой параметр в управлении лесами, поскольку она в значительной степени меняет породную и возрастную структуру лесов, а также влияет на экосистемные услуги. Необходимо учесть и сгладить нарушения условий существования и восстановления лесообразующих пород, связанные с техническим воздействием на окружающую среду, и прежде всего на почвенные условия. Эти вопросы становятся более важными сейчас и в будущем, поскольку лесозаготовительные работы на незамерзших почвах становятся все более распространенными из-за ожидаемого потепления климата и высокого круглогодичного спроса на древесину. В рамках устойчивого лесопользования, серьезный ущерб лесным экосистемам должен быть снижен, но экономическая деятельность затрудняет соблюдение этих правил (Keskitalo et al., 2016; DeArmond et al., 2021). Возникающие при этом почвенные нарушения влекут определенные экологические последствия для восстановления лесных экосистем, а реакция древесных растений на нарушения почвы сложна, поэтому нужны широкомасштабные исследования (Mariotti et al., 2020). Комплексная оценка изменений в лесных экосистемах под воздействием рубок леса и техники представляет собой необходимый шаг в разработке оптимальных способов лесопользования, позволяющих лесной экосистеме минимально снижать выполнение своих экосистемных функций. Модельной территорией выступает Архангельская область, представляющая своеобразный научный полигон, на котором существуют различные варианты вырубок и лесорастительных условий. Исследования будут основаны на комплексном подходе и современных методах оценки природных механизмов функционирования лесных экосистем. Сочетание современных и классических методов позволит более глубоко проникнуть в природные механизмы функционирования лесных экосистем на различных элементах антропогенных мозаик. В ходе выполнения проекта мы впервые сможем определить площадь и классифицировать типы нарушений почв на вырубках с помощью сочетания дистанционных методов оценки и автоматического алгоритма обнаружение повреждения поверхности почвы на основе сверточных нейронных сетей (CNNs) (Bhatnagar et al., 2022). Современные данные по картографированию площади повреждения почвенного покрова на Севере России, где осуществляются масштабные лесозаготовки, отсутствуют. На примере распространенных лесорастительных условий рассмотрим почвенно-экологические условия для восстановления и роста основных лесообразующих пород на участках разной степени турбированности (волока, пасеки, посадочные места). Для этого на вырубках оценим верхние горизонты почвы в местах произрастания основных лесообразующих пород. Кроме того, новизну проекту и результатам добавляет установление закономерностей роста ели с агрохимическими и водно-физическими свойствами почвы на участках разной степени турбированности. Закономерности роста будут проанализированы с помощью обобщенных линейных смешанных моделей (GLMMs). Полученные современные сведения о влиянии заготовки древесины на почвенный покров, свойства почв, лесовосстановление, допустимые уровни экологического состояния почв, соответствующие этим условиям, являются необходимым шагом для совершенствования системы устойчивого лесопользования в рамках соблюдения лесной экологии. Для этой цели будет подготовлено научно-методическое обоснование и разработаны почвенно-экологические критерии оценки качества условий произрастания основных лесообразующих пород. Достижимость решения поставленных задач и возможности получения предполагаемых результатов обусловлены научным заделом, имеющимся у научного коллектива в виде изучения отдельных частей решаемой проблемы, в том числе влияния техники на свойства почвы, а также ранее выполненных проектов по вопросам влияния рубок леса на различные компоненты лесных фитоценозов.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения Проекта для таежных лесов Севера России будут получены следующие результаты: 1) Будут определены площадь и классифицированы типы нарушений почв на вырубках в зависимости от природных особенностей, полученные с помощью дистанционных методов. Будут подготовлены карты локализации разных типов нарушений почвенного покрова на вырубках, что позволит оценить экологическое состояние почв для принятия управленческих решений по снижению негативных последствий от хозяйственной деятельности и регулированию допустимого антропогенного воздействия на них в типичных лесорастительных условиях Севера. 2) будут оценены особенности строения и свойств верхних горизонтов почвы, обуславливающих рост основных лесообразующих пород при естественном и искусственном восстановлении в зависимости от степени нарушений в типичных лесорастительных условиях, что покажет направленность почвообразовательного процесса, условия для роста и развития растений, продуктивности будущих лесов, а также даст возможность корректировок технологий лесоразработок и лесовосстановления. 3) будет дана сравнительная оценка биометрических показателей ели при естественном возобновлении и посадке сеянцев на вырубке в зависимости от степени нарушений в типичных лесорастительных условиях, что позволит оценить состояние, рост и структуру молодняков, созданных современными технологиями, и назначения в них уходов, а также скорректировать технологические процессы по обработке почв под лесные культуры. 4) будут определены закономерности роста ели с агрохимическими и водно-физическими свойствами почв на участках разной степени турбированности в типичных лесорастительных условиях. Полученные закономерности позволят спрогнозировать ход лесовосстановительной сукцессии в зависимости от комплекса почвенных факторов и проводить оценку успешности восстановления на местах с разной степенью нарушенности и подготовки посадочных мест с целью совершенствования технологических подходов при рубке леса и лесовосстановлении. 5) будет подготовлено научно методическое обоснование и разработаны почвенно-экологические критерии оценки качества условий произрастания основных лесообразующих пород при естественном и искусственном восстановлении вырубок в зависимости от степени антропогенного влияния в типичных лесорастительных условиях Севера. Данные предложения дадут возможность скорректировать элементы технологических процессов при лесозаготовках и обработки почвы при лесовосстановлении, позволят повысить экологическую грамотность и социальную ответственность работников лесопромышленного комплекса, и будут способствовать устойчивому управлению лесами с учетом различных аспектов использования лесов. Все эти результаты могут быть использованы: для планирования, мониторинга и диагностики антропогенно нарушенных почв, а также контроля лесозаготовок с целью повышения операционной эффективности и минимизации воздействия на лесную среду, для подготовки нормативно-правовых документов по допустимому уровню колееобразования и повреждений поверхности почвы в зависимости от их природных особенностей, для разработки практических рекомендаций по технологиям заготовки древесины и лесоводственным мероприятиям для выращивания высокопродуктивных древостоев.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате выполнения проекта проведены комплексные полевые исследования повреждений почвенного покрова вырубок и оценены почвенно-экологические условия произрастания сеянцев и подроста ели европейской на вырубках и лесокультурных площадях в различных районах Архангельской области. Для определения масштабов и классификации типов нарушений почв произвели аэрофотосъемку с помощью БПЛА 27 свежих (с давностью проведения рубки не более одного года) сплошных вырубок с различными сезоном заготовки древесины и лесорастительными условиями в подзоне северной тайги. Общая площадь аэрофотосьемки вырубок составила 304 га (от 6,4 до 14,1 га). На вырубках провели классификацию типов повреждения почвенного покрова с помощью объемной модели местности и определили площадь повреждения почвенного покрова с помощью ручных и автоматизированных измерений на основе сверточных нейронных сетей (CNNs). Для почвенно-экологической характеристики условий произрастания на 6 участках с мерами естественному лесовозобновлению (свежая вырубка, 7 летняя вырубка и 46 летняя вырубка) и с искусственным лесовосстановлением (1 летняя лесокультурная площадь и две 5 летние лесокультурные площади) провели анализ строения и физических свойств корнеобитаемого слоя почвы, который обуславливает рост и развитие сеянцев и подроста ели. На участках в различных микросайтах (пасеки, мелкие, средние и глубокие колеи, волока, покрытые порубочными остатками, микроповышения, микропонижения) отобрали 375 образцов почвы в ненарушенном сложении с глубины 10 см (0-20 см) для определения водно-физических свойств почвы (плотность сложения, полевая влажность, плотность твердой фазы, общая пористость, пористость аэрации). Детальную оценку состояния и роста изучаемых культур и подроста ели провели на 5 летней лесокультурной площади и 7 летней вырубке с естественным лесовозобновлением в черничном типе лесорастительных условий подзоны средней тайги. На пробных площадях провели оценку биометрических показателей как надземной, так и подземной части, по традиционным методикам. Всего было изучено 60 сеянцев ели в различных местах микроповышения, созданного экскаватором, и 80 экземпляров произрастающего естественного подроста ели последующей генерации в пасеках, мелких, средних и глубоких колеях. Результаты исследования показывают, что площадь нарушений почвенного покрова для сплошных вырубок изменяется незначительно и держится в диапазоне от 9,2 до 12,4 % от общей площади. Отсутствуют достоверные различия в повреждении почвенного покрова между вырубками в зависимости от лесорастительных условий (Z=0,46, p=0,648), это обосновывается тем, что освоение насаждений, произрастающих на влажных (сырых) почвах, происходит в основном в зимний лесозаготовительный сезон, когда наблюдается наименьшая доля повреждений. Между тем отмечено значительное влияние сезона заготовки древесины на долю повреждений почвенного покрова (H=6,98; p=0,030). На весенне-осенних вырубках отмечается наибольшая доля поврежденных почв по сравнению с зимними вырубками (Z=2,59; p=0,029). Анализ классов повреждений почв показывает увеличение доли сильных повреждений на вырубках со свежими почвами и летним сезоном заготовки древесины (H=5,78; p=0,050; H=9,91; p=0,007). Пространственный анализ показывает, что сильные повреждения почвенного покрова приурочены к магистральным волокам и погрузочным площадкам, где отмечается наибольшее количество проездов лесозаготовительной техники. Кроме того, сильные повреждения почвы связаны с пониженными участками рельефа, а также прокладкой пасечных волоков через временные водотоки и заболоченные участки. Недостаточное количество порубочных остатков при многократном проезде лесозаготовительной техники также способствуют образованию глубоких колей. Алгоритм автоматического обнаружения повреждения почвенного покрова (колейности) с использованием CNN (архитектура ResNet50 + UNet) показывает сопоставимые результаты с ручными измерениями на сплошных вырубках. Помехи в виде порубочных остатков, неликвидной древесины и теней увеличивают площадь повреждения, что приводит к завышенным оценкам. Другая причина недостаточно уверенных показателей модели на некоторых сплошных вырубках заключалась в том, что более 90% повреждений относились к слабому классу повреждений, которые менее заметны для нейросети. Регрессионный анализ показал, что значения поврежденных площадей, полученных с помощью автоматизированного измерения, удовлетворительно согласовываются со значениями, полученными с помощью ручного измерения. Сходимость оценок между поврежденными площадями, полученными различными методами – слабая (R2=0,199), но достоверная (p=0,042). Для повышения производительности и точности модели необходимо провести дополнительное глубокое обучение на большом наборе данных в данном районе исследования. Наземные полевые исследования показывают, что физические факторы, формирующиеся при обработке почвы меняются в зависимости от строения почвы в посадочных местах и ее обеспеченности влагой как основным фактором выживания растений. Однако они связаны со строением исходной почвы и формирующегося посадочного места, которое может иметь разное строение даже в пределах одного микроповышения. Результаты множественных сравнений показывают, что биометрические показатели как надземной, так и подземной части сеянцев зависят от места посадки в пределах одного микроповышения, подготовленного экскаватором, и отличаются от условий местопроизрастания на нетронутой антропогенным воздействием почве. На вырубке с мерами содействия естественному лесовозобновлению результаты множественных сравнений показывают, что биометрические показатели подроста ели также зависят от места произрастания. Наблюдается задержка в лесовозобновительном процессе на 3-5 лет и снижение показателей роста и развития ели при различных нарушениях. Повреждения почвы на вырубках являются неизбежными следствиями в местах проезда (волоках), которые могут варьировать по интенсивности и распределению в результате взаимодействия между машиной и местными факторами во время заготовки древесины. После проезда лесозаготовительной техники изменяются как морфологические признаки почвы, так и ее физические свойства. Кроме того, наличие вдавленных в почву порубочных остатков, оставленных для защиты почвы от повреждения и уплотнения, неблагоприятных физических свойств почвы не способствуют заселению волоков хвойными и лиственными породами. На технологических коридорах с повреждениями различной степени наблюдается редкий подрост, который заметно отличается от пасек, где не было проезда лесозаготовительной техники. Таким образом, с точки зрения устойчивого управления лесными ресурсами, необходимо учитывать и минимизировать нарушения условий существования и восстановления лесообразующих пород, которые тесно связанны с техническим воздействием на окружающую среду, и прежде всего на почвенные условия.

 

Публикации

1. Ильинцев А.С., Амосова И.Б. Начальные этапы лесовосстановительной сук- цесссии на вырубке ельника черничника в северотаежных лесах европейской части России Лесной вест- ник / Forestry Bulletin, Т. 27. № 6. С. 5–17. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18698/2542-1468-2023-6-5-17

2. Ильинцев А.С., Буньков Н.А. Биометрические показатели культур ели в зависимости от локализации в пределах посадочного места Cборник материалов докладов XXXI Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии», - (год публикации - 2024)

3. Ильинцев А.С., Наквасина Е.Н. Влияние покрытия волоков порубочными остатками на повреждаемость почв при разработке лесосек в северной подзоне тайги Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии, - (год публикации - 2024)

4. Ильинцев А.С., Наквасина Е.Н., Амосова И.Б. Recovery of the Soil and Plant Cover in the Skid Trails after Thinning in Myrtillus Type Forests of the Northern Taiga Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, - (год публикации - 2024)

5. Черкасов Н.С. Площадь и типы нарушений почв на свежих вырубках в Архангельской области, полученные с помощью дистанционных методов Сборник материалов конференции «Ломоносовские научные чтения студентов, аспирантов и мо-лодых учёных Высшей школы естественных наук и технологий САФУ – 2024», - (год публикации - 2024)

6. Ильинцев А.С. Физико-химические свойства корнеобитаемого слоя почвы в пределах места произрастания сеянцев и подроста ели европейской в условиях черничного типа леса таежной зоны -, 2024620549 (год публикации - )