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

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 проекта 23-76-01014

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

Руководитель Ильинцев Алексей Сергеевич, Кандидат сельскохозяйственных наук

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

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 слова устойчивое 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.18698/2542-1468-2023-6-5-17

2. 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, Вып. 249. С. 22–37. (год публикации - 2024)
10.21266/2079-4304.2024.249.22-37

3. 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)

4. 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)

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», С. 250-256. (год публикации - 2024)

6. Ильинцев А.С., Черкасов Н.С. Анализ почвенного покрова сплошных вырубок с помощью беспилотного летательного аппарата Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Т. 21. № 4. С. 223–234 (год публикации - 2024)
10.21046/2070-7401-2024-21-4-223-234

7. Ильинцев А. С., Черкасов Н. С. Применение БПЛА и сверточных нейронных сетей для оценки нарушений почвенного покрова на сплошных вырубках Всероссийская научная конференция с международным участием «Продуктивность лесов в условиях меняющегося климата», посвященная 100-летию со дня рождения Н. И. Казимирова, и 8-е Международное совещание «Сохранение и рациональное использование лесных генетических ресурсов», 2–7 сентября 2024 г., Петрозаводск, Россия : тезисы докладов : научное электронное издание, С. 44 (год публикации - 2024)

8. Ильинцев А.С., Наквасина Е.Н. Почвенно-экологические аспекты совершенствования технологий лесовосстановления Сборник научных трудов II Международной междисциплинарной научной конференции: «Фундаментальные концепции физики почв: развитие, современные приложения и перспекти- вы», посвященной 80-летию кафедры физики и мелиорации почв МГУ имени М.В. Ломоносо- ва и 130-летию профессора Н.А. Качинского, Москва, 25–31 мая, 2024, С. 192-198 (год публикации - 2024)

9. Ильинцев А.С., Наквасина Е.Н., Богданов А.П. Почвенно-экологическая оценка антропогенного воздействия на почву в лесном хозяйстве Всероссийская конференция с международным участием «III Юдахинские чтения» : сборник научных материалов, 25–28 июня 2024, г. Архангельск, С. 228-231 (год публикации - 2024)

10. Ильинцев А.С., Наквасина Е.Н., Волков А.Г., Богданов А.П., Буньков Н.А. Влияние почвенных свойств на рост сеянцев ели обыкновенной при посадке в дискретные микроповышения Известия высших учебных заведений. Лесной журнал (год публикации - 2025)

11. Ильинцев А.С., Черкасов Н.С. Анализ нарушений почвенного покрова на сплошных вырубках с помощью беспилотного летательного аппарата «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении, лесном хозяйстве и экологии» : Материалы IX Всероссийской научной конференции с международным участием (15 -17 апреля 2025 г. г.), Москва, Россия. М.: ЦЭПЛ РАН, 2025 г., С. 43-45. (год публикации - 2025)

12. Ильинцев А.С., Богданов А.П., Буньков Н.А. Биометрические показатели подроста ели в зависимости от места произрастания на сплошной вырубке Прогресс и развитие науки в лесном хозяйстве [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-практической конференции, г. Ижевск, 14 ноября 2024 г. – Ижевск: УдГАУ, 2024., С. 104-108. (год публикации - 2024)

13. Ильинцев А.С., Наквасина Е.Н., Коптев С.В., Третьяков С.В. Совершенствование непрерывного лесопользования для обеспечения древесным сырьем предприятий ЦБК Экологические аспекты современных технологий в химико-лесном комплексе [Электронный ресурс] : сб. науч. материалов I и II научно-практических конференций (Архангельск, 31 мая – 1 июня 2022 г., 16 – 17 мая 2024 г.), С. 139-143 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате выполнения проекта определены масштабы и классифицированы типы нарушений почв на сплошных вырубках с помощью дистанционных методов и БПЛА. Общая площадь аэрофотосьемки составила 237 га. Площадь сплошных вырубок варьировалась от 10,1 до 38,2 га. Из полученных снимков построили ортофотопланы и вручную обозначили повреждения почв от проезда лесозаготовительной техники. Глубину колей вычислили на основе разницы измерений между цифровой моделью рельефа и цифровой моделью местности с шагом измерений, равным 1 м. Полученные данные разделили на три класса повреждений: слабый – до 15 см, средний – от 15 до 30 см, сильный – более 30 см. Результаты исследования показали, что площадь колей изменяется в узком диапазоне от 10,2 до 12,6 % площади вырубки. Площадь слабых повреждений составляет в пределах от 66 до 95 %, средних – от 8 до 24 %, сильных – от 0,5 до 10 %. Пространственный анализ позволил отметить, что доля глубоких колей увеличивается на волоках, проложенных в низинах и местах пересечения временных водотоков. С оставлением ключевых элементов древостоя, неэксплуатационных участков, природных биотопов, количество доступных порубочных остатков в локальных местах также снижается, поэтому требуется более тщательное планирование технологической сети. В целом практика укладки порубочных остатков на волоки с целью их укрепления и предохранения почвы от сильного уплотнения. Для сравнения площади повреждения, полученной разными методами, провели автоматизированные измерения на основе сверточных нейронных сетей (CNNs) и трансферное обучения на полученных данных, которые отображали различные вариации повреждений. После проведения трансферного обучения не удалось повысить точность оценок для автоматизированного обнаружения колейности. Проведенный анализ позволил выявить особенности применения исходной модели: обучение работает только в узких параметрах. Таким образом, исходная модель не может быть применима для эффективного картирования и мониторинга воздействия на почвенный покров вырубки, и нуждается в доработки программного кода. Для установления почвенно-экологических свойств почв на участках разной степени турбированности определили основные агрохимические свойства (pHKCl, органическое вещество почвы, подвижные формы калия и фосфора, общий азот) корнеобитаемого слоя почвы в соответствии с действующими ГОСТами. Рассматриваемые свойства почвы на вырубках зависят от исходной почвы и определяются степенью ее перемешенности и строением турбированных горизонтов при проезде лесозаготовительной техники. Для корнеобитаемого слоя подроста, произрастающего в местах с глубокими повреждениями почвы, установлены существенные различия в плотности твердой фазы, пористости общей и аэрации по сравнению с пасекой. Для корнеобитаемого слоя подроста в местах мелких повреждений статистически значимые различия с пасекой установлены в плотности сложения (на уровне тенденции) и во влажности. Разная степень изменения почвенных свойств может быть обусловлена одновременным уплотнением почвы техникой и привносом органического материала при перемешивании порубочных остатков и растительной массы с минеральной частью почвы. Из агрохимических свойств достоверно различаются между корнеобитаемым слоем в пасеке и на участках как с мелкими, так и с глубокими повреждениями, а также и между ними содержание подвижного калия, фосфора и общего азота, но не органического углерода. На лесокультурной площади по микросайтам в пределах посадочного места различия не существенны по всем показателям водно-физических и агрохимических свойств. Различия по водно-физическим свойствам почвы в пасеке проявляются в большей влажности и меньшей пористости аэрации, а также в повышенной плотности твердой фазы по сравнению с обработанной почвой, где в снижение плотности вносит вклад примешенная органика лесной подстилки. Существенно значимы различия по содержанию калия и фосфора в корнеобитаемом слое. Закономерности роста ели в соответствии водно-физическими и агрохимическими свойствами проанализировали с помощью методов многомерной статистики в среде R. Для этой цели применили метод прямой (ограниченной) ординации RDA. Установлено, что условия, обеспечивающие рост ели при произрастании на местах с мелкими повреждениями ближе к почвенным условиям в корнеобитаемом слое подроста на ненарушенной почве пасеки. При большей глубине повреждения почвы на волоках сходство почвенных условий с пасекой заметно снижается. Фактор глубины повреждения почвы является ведущим в комплексе изученных свойств. При обеспечении роста 7-летней ели на вырубке большое значение оказывают физические свойства почвы в корнеобитаемом слое подроста. К ним относятся плотность твердой фазы почвы, а также тесно связанные с этим показателем плотность сложения и пористости общая и аэрации. Из агрохимических свойств почвы значимы содержание органического углерода и общего азота, что связано с примешиванием детрита. Установлено, что на лесокультурной площади приоритет в обеспечении ростовых параметров ели в первые годы жизни обеспечивают больше водно-физические свойства, такие как высота насыпи, пористость, плотность твердой фазы, влажность, а также тесно связанные с ними плотность сложения и пористость аэрации. В то же время из агрохимических свойств значимыми оказались только содержание калия и фосфора (на уровне тенденции). В рекомендациях, подготовленных на основании собственных полевых исследованиях и синтеза научной литературы, представлены почвенно-экологические критерии оценки допустимой площади нарушений поверхности почвы современной лесозаготовительной техники. На сплошных вырубках необходимо учитывать глубину колеи, почвенные слои, формирующие дно колеи, которые определяют скорость ее зарастания растительностью и восстановления почвенных свойств. Приводятся критерии выбора способа, площади и глубины обработки почвы, а также оптимальных параметров посадочных мест при искусственном лесовосстановлении с учетом увлажнённости вырубок.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Проведенные исследования являются основой для разработки руководящих принципов и нормативно-правовых документов для научно-обоснованного ведения лесного хозяйства и успешного лесовосстановления вырубок с учетом снижения отрицательного воздействия лесозаготовительной и лесохозяйственной техники. Результаты исследования могут быть предназначены для использования федеральными, региональными органами исполнительной власти при внесении изменений в нормативно-правовые акты и разработке программ развития лесного хозяйства в Российской Федерации, а также – органами исполнительной власти при планировании в области использования, охраны, защиты, воспроизводства лесов, осуществлении лесного контроля (надзора) и мониторинга воспроизводства лесов.