ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Ленточные боры Алтайского края, занимающие площадь более 1 млн. га, являются своеобразной экосистемой, сформировавшейся в течение многих тысячелетий в экстремальных почвенно-климатических условиях юга Западной Сибири.
В 1997-1999 гг. вследствие глобальной засухи лесными пожарами был нанесен лесным экосистемам колоссальный ущерб, в результате гибели, главным образом, сосновых насаждений на площади около 70 тыс. га.
Поэтому весьма остро встает проблема восстановления экологической и
>,
средообразующей роли лесных экосистем на гарях.
В связи с экстремальными почвенно - климатическими условиями местообитания естественное возобновление сосны на открытых площадях происходит чрезвычайно сложно, и процесс растягивается на многие десятилетия с формированием разновозрастных насаждений.
Выращиванию посадочного материала сосны посвящено большое количество исследований, но в экстремальных почвенно-климатических условиях, которые свойственны сухой степи юга Алтайского края, их оказалось недостаточно. Однозначно ответить на вопросы технологического характера по интенсификации данного процесса достаточно затруднительно. Особая же ценность ленточных боров предопределяет необходимость быстрого лесовосстановления на гарях, а это требует изучения процесса выращивания сеянцев сосны с установлением оптимальных условий .
Цель и задачи исследований. Целью работы является установление оптимальных параметров интенсивного технологического процесса по выращиванию сеянцев сосны в экстремальных почвенно-климатических условиях сухой степи юга Алтайского края. При этом были поставлены следующие задачи:
1. Изучить микроклиматические условия - интенсивность освещения, температурный режим с учетом затенения и мульчирования посевов.
5
2. Определить оптимальную густоту посевов в целях достижения высокого и качественного выхода посадочного материала сосны в 2-летнем возрасте.
3. Обосновать возможность изменения существующих минимальных размеров сеянцев по высоте.
4. Установить оптимальный технологический процесс на основе лучших показателей по ростовым процессам сеянцев.
Научная новизна работы. Впервые выполнен анализ экологических условий в посевах сосны на питомнике с учетом их затенения и мульчирования с обоснованием интенсивности ростовых процессов сеянцев. Установлена целесообразность изменения минимальных размеров высоты сеянцев по ГОСТу 3317-90 и снижение нормы высева посевного материала за счет оптимизации густоты посевов и микроусловий, особенно в первый год выращивания.
Защищаемые положения.
1 .Выращивание качественного посадочного материала сосны в экстремальных почвенно-климатических условиях сухой степи требует выполнения необходимых мероприятий по подготовке семян к посеву и специальных агроприемов по оптимизации условий, особенно в первый год выращивания и изменения схемы посевов.
2. Интенсификация процесса выращивания посадочного материала позволяет снизить нормы высева семян сосны и повысить минимальные размеры высоты сеянцев относительно существующего стандарта.
Практическая значимость работы заключается в разработке Технических указаний по выращиванию сенцев сосны обыкновенной в экстремальных почвенно-климатических условиях.
Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы работы были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях: «Восстановление нарушенных ландшафтов» (г. Барнаул, 2004), «Состояние и перспективы развития плодоводства, овощеводства и лесного хозяйства
6
Западной Сибири» (г. Барнаул, 2005), «Актуальные вопросы лесного хозяйства и озеленения в Казахстане» (г. Щучинск, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, рекомендаций производству, списка библиографических" источников. Общий объем рукописи составляет 125 стр, включая 34 таблицы и 18 рисунков. Список литературы насчитывает 158 библиографических источника, в том числе 3 на иностранном языке.
7 Глава 1.
Современные представления о процессе выращивания сеянцев в питомниках
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) является основной лесообразующей древесной породой Сибири. Ценность ее экосистем обуславливается не только наличием различных сырьевых ресурсов, но и средозащитными функциями, особенно в засушливых условиях степей, куда она внедряется отдельными языками от основного естественного ареала.
Сформировавшиеся в послеледниковый период в Обй-Иртышском междуречье в условиях сухой и засушливой степей боровые массивы представляют собой интрозональное явление (Правдин, 1958; Шиманюк, 1962; Таран, 1973). Ленточные боры Алтая и Казахстана в онтогенетическом развитии представляют собой наиболее молодое ботанико-географическое образование.
Проведенные в последние годы специальные исследования (Куприянов и др., 2001, 2003) однозначно указывают на обособленность степных экотипов сосны обыкновенной от северных (Заблоцкий, Куприянов, 2002). Эта особенность выражается достаточно существенно при сравнении морфологических показателей сосны юго-западной части Алтайского края с северо-восточной - размеры и продолжительность жизни хвои, размеры шишек и число чешуи в них, больше у сосны в юго-западной части края (Стрелковский и др., 2002, 2004).
Изучая вопросы воспроизводства сосны обыкновенной в экстремальных почвенно-климатических условиях ленточных боров, граничащих с Республикой Казахстан, многие авторы (Голубинский, 1934; Месоед, 1934; Грибанов, 1954, 1960; Смирнов, 1966; Куприянов, Заблоцкий, 2003, 2004; Парамонов, Кеслер, 2003 и др.) отмечают неблагонадежное естественное возобновление, которое зависит от комплекса факторов -недостаток атмосферных осадков и высокие температуры на поверхности
8
почвы в первой половине лета, - что ведет к массовому ожогу корневой шейки у самосева сосны, особенно в первый год жизни.
К 1997 г. лесокультурный фонд в лесхозах ленточных боров практически был исчерпан, площади создания лесных культур сократились до минимума, а, вместе с этим, сократились и площади посевов сосны в лесных питомниках. Однако в результате крупных лесных пожаров в 1997-1999 г.г. образовались крупноплощадные гари, и лесокультурный фонд возрос до 60 тыс.га, что потребовало срочного увеличения посевных площадей в лесных питомниках (Парамонов и др., 2004а,б).
1.1. Сохранение почвенного плодородия на питомниках
Имея большой ареал, сосна обыкновенная стала основной породой в искусственном лесовосстановлении, и за многие годы ее культивирования были испытаны различные способы выращивания посадочного материала в лесных питомниках, расположенных в различных почвенно-климатических условиях. Поэтому многие вопросы агротехники выращивания сеянцев сосны достаточно полно изучены.
Технология выращивания сеянцев представляет собой комплекс мероприятий и включает применение севооборотов с паровыми полями, применение гербицидов в борьбе с сорняками, внесение органических и минеральных удобрений, предпосевную подготовку семян, механизированный посев, мероприятия по уходу за сеянцами, выкопку посадочного материала, его прикопку и транспортировку. В настоящее время на первый план выступают задачи по выращиванию посадочного материала путем внедрения более интенсивных технологий, включающих перспективные агроприемы и позволяющие улучшить качество сеянцев сосны обыкновенной.
Н.А.Новосельцева и Н.А.Смирнов (1983) рекомендуют закладывать питомники для выращивания сеянцев сосны на дренированных супесчаных или легкосуглинистых почвах и не рекомендуют - на почвах тяжелого гранулометрического состава и избыточно увлалшенных.
9
Применение на питомниках севооборотов, включающих паровые поля в лесостепной зоне или сидеральные пары в степной зоне с использованием в качестве сидератов вико-овсяную смесь с горохом является обязательным мероприятием (Наставление..., 1979). Дело в том, что почвы в лесных питомниках подвергаются не только постоянному механическому воздействию, но и систематическому выносу как почвенной массы, так и питательных веществ при выкопке посадочного материала. Вынос органического вещества достигает 10 т/ га при выращивании 1 млн. сеянцев (Чурагулова и др., 2000). Многолетнее использование почв лесопитомников ведет к ухудшению их водно-физических свойств, структуры и водопрочности структурных агрегатов (Бочаров, Никулин, 1979).
По данным В.В.Балкова (2002), В.В.Балкова и др., (2000), при выкопке 2-летних сеянцев ели из пахотного горизонта на площади 1 га выносится до 20 т почвы, а также 40-80 кг подвижных форм азота, 10-40 кг фосфора, 20-50 кг калия. Поэтому добиться качественного и нормального выхода посадочного материала хвойных пород возможно только при постоянном совершенствовании технологии его выращивания (Земляницкий, 1969; Романов, Данилов, 1975; Романов, 1994).
Плодородие почв в значительной степени определяется интенсивностью микробиологических и биохимических процессов, обусловленных жизнеспособностью почвенного биоценоза, в состав которого входят бактерии, вирусы, водоросли, грибы, простейшие и др. (Родин и др., 2000). Авторы отмечают, что при применении активаторов почвенной микрофлоры численность полезной почвенной микрофлоры возрастает в 2,5-3,8 раза при одновременном сокращении фитопатогенов. Даже одноразовая обработка почвы увеличивает выход сеянцев на 20-25%, а грунтовая всхожесть повышается на 5-10%.
1.2. Повышение грунтовой всхожести семян
Среди хвойных сосна обыкновенная занимает первое место в воспроизводстве лесов. Имея огромный ареал, сосна одновременно
10
находится в самых разнообразных эколого-географических условиях. Широкий и разнообразный эколого-географический фон является той основой, на которой сосна приобрела в процессе эволюции большое разнообразие (Черепнин, 1980)
Многие признаки отражают наследственные особенности популяционной изменчивости вида (Ирошников, 1977; 1978). К таким признакам относят и показатели семян, в том числе их масса 1000 штук, которая оказывается сильно изменчивым показателем. Масса семян изменяется в зависимости от нахождения в шишке и от положения шишки на дереве (Правдин, 1931; Князев, 1954), от размера шишки (Лигачев, 1959; Сурин, 1976), от возраста дерева (Азниев, 1970; Черепнин, 1964), от условий погоды в период их созревания (Некрасова, 1957, 1960; Правдин, 1964), от географического происхождения (Некрасова, 1957; Патлай, 1965; Мишуков, 1974), от типа леса (Черепнин, 1964; Пихельгас, 1971; Морозов, 1950; Лесосеменное..., 1982).
Индивидуальная изменчивость массы 1000 семян для условий ленточных боров Алтая отмечалась Т.П.Некрасовой (1960), которая установила, что несмотря на колебания массы семян в различные годы, их относительный ранг в популяции сохраняется из года в год.
Используя полученные материалы исследований В.Л.Черепнина (1980), В.И.Заблоцкого и др. (2005) нами выполнен анализ массы 1000 семян сосны в зависимости от их происхождения в меридиальном направлении, взяв за нулевой километровый отсчет Тополинский лесхоз Алтайского края как крайне южную точку заготовок семян, а в качестве северной - Ханты-Мансинский лесхоз Тюменской области. Расстояние между этими точками около 1350 км. В результате корреляционного анализа установлено, что с продвижением на север масса 1000 семян сосны снижается и достаточно резко, связь оказывается высокой, тесной при коэффициенте корреляции минус 0,81 и коэффициенте достоверности вывода 8,1.
11
Семена сосны обыкновенной, как и других хвойных пород, во время созревания характеризуются высокой физиологической активностью, в их тканях происходит накопление крахмала, белка и жиров. Но при созревании физиологическая активность замедляется, зародыш семени перестает расти, снижается содержание воды.
Семена сосны обыкновенной имеют вынужденный покой (Николаева, 1967) и не прорастают только из-за отсутствия необходимых условий (влаги, тепла, кислорода), но при создании определенных условий семена быстро выходят из состояния покоя и прорастают (Лесные плантации..., 1984).
Для прорастания семени необходимо создать определенные условия, при которых начнется рост зародыша. Процесс прорастания состоит из нескольких этапов: поглощение воды, начало деления клеток, перемещение питательных веществ в точки роста, дифференциация клеток на части растения. Первым этапом является поглощение воды, что приводит в действие всю цепочку превращений, в результате которых происходит прорастание семени. Если в состоянии покоя семена сосны содержат около 7 - 8% влаги, то перед прорастанием ее становится до 45%.
С целью стимулирования прорастания семян, повышения их грунтовой всхожести, улучшения качества сеянцев рекомендуется проводить их обработку перед посевом растворами, содержащими стимуляторы роста (Некрасов, 1960; Комиссаров, 1962; Негаева, 1965; Маркова, 1968, 1974; Мосин, 1970; Верзилов, 1971; Федорова, 1971; Матвеева, 1978, 1994; Матвеева и др., 1971, 1996 а, б; Лузанов, 1985; Лихоманов, 1992; Грунина, Кречетова, 1995; Ларионова, 1997, Попов, Сморгунова, 1997 и др.). Это мероприятие позволяет увеличить грунтовую всхожесть семян ели и сосны на 5-15%, повысить устойчивость сеянцев против грибных заболеваний и увеличить выход посадочного материала с единицы площади до 20-25%.
В частности, при применении фумара (Пентелькин и др., 1995) рекомендуется пользоваться раствором с концентрацией 1.10"б% для предпосевной обработки семян и в концентрации 1x10" % для внекорневого
12
опрыскивания сеянцев. Для этих же целей можно использовать и крезецин (Пентелькин, Пентелькина, 2000).
Положительное влияние микроэлементов на рост и развитие сеянцев отмечалось в ряде работ (Матвеева, 1994, Кречетова, 1997, Жук, 1972, Журавлева, 1962, 1978; Куприянов и др., 1971; Киприянов и др., 1982; Самошина, Иванов, 1993; Arduini, 1998; Knight, 1978 и др.).
Проведенные опытные работы по предпосевной обработке семян лазерным облучением (Васильев, 1962; Батыгин, Савин, 1966; Лазоренко, 1976; Камешков и др., 1986) в течение одной секунды дает повышение грунтовой всхожести на 12-13%. Обработка семян сосны красным светом (Зоров и др., 1988) с применением промышленной установки «Львов- 1М-Электроника» повысила грунтовую всхожесть после двухкратного пропускания в среднем на 20-25%, но повышенный эффект по грунтовой всхожести отмечен лишь для семян 111 класса качества. Применение магнитного поля наиболее целесообразно делать совместно с регуляторами роста (Смогунова и др., 1989)
Нет однозначного мнения и о времени посева семян сосны и ели в питомниках. Большинство исследователей ориентируются на весенний посев. Так, И.И.Горячев (1999) испытал 10 сроков посева ели. Оказалось, что при посеве 20 апреля период от посева до всходов был 35 дней, а при посеве 28 мая - 12 дней. Автор рекомендует проводить посевы в первой половине мая, в этом случае время от посева до появления всходов не превышает 20 дней. А А.А.Трегубов и Е.М.Романов (1997) считают, что лучшие результаты показали позднеосенние (середина октября) посевы сосны когда температура воздуха не поднимается выше 5°С.
В опытах С.Ю.Кондакова и Т.П. Кондаковой (2001) в Красноярском крае лучшим сроком посева семян сосны считают тот, когда ночные температуры перейдут через 5°С, а среднедневные через 7-8°С. При этом накопление суммы положительных температур составляет 90-110°С.
13
Анализ литературных данных показывает, что в большинстве случаев норма высева семян 1 класса качества составляет 1,5-2,0 г/м.пог. или при 6-строчном посеве и наличии на 1 га около 40 тыс. погонных метров посевных строк, масса высеваемых семян составляет 60-80 кг/га. При массе 1000 семян в пределах 6,5-7,0 г на 1 га высевается до 10 млн. семян при плановом выходе стандартного посадочного материала даже в лучших экологических условиях 1,2 млн. сеянцев с 1 га, а в экстремальных почвенно-климатических условиях - до 0,8 млн. сеянцев, то есть коэффициент полезного действия составляет 8-12%.
В лесных питомниках с целью более полного использования площади, применяются и 9-10-строчные схемы посевов путем усовершенствования серийно выпускаемых сеялок для высева мелких семян (Лесное хозяйство России, 1983), а в Кемеровской области нашли применение 8-строчные посевы с доведением посевных строк до 50 тыс.м/га с получением выхода сеянцев до 5 млн.шт/га, но в 3-летнем возрасте.
После посева площадь следует замульчировать и в качестве мульчи чаще всего используются опилки, наносимые на почву слоем 1-3 см. Цель -предохранить почву от иссушения и снизить температуру на её поверхности. В районах с засушливым климатом такой вид послепосевного ухода обязателен, так как при повышении температуры на поверхности почвы до 50 С появляющиеся всходы сосны получают ожог корневой шейки и погибают.
Грунтовая всхожесть семян - число всходов, выраженное в процентах, от количества семян, высеянных в грунт. Грунтовая всхожесть всегда ниже технической, так как слабые семена в грунте, как правило, не прорастают. Установлено, что, между грунтовой всхожесть и технической, существует определенное соотношение, которое для семян сосны обыкновенной выражается в следующем. В благоприятных условиях для прорастания при технической всхожести 90-95%, грунтовая всхожесть составляет 51-54%, но
14
в неблагоприятных условиях при той же технической всхожести грунтовая понижается до 20-27%.
Успешное прорастание семян в грунте определяется их физиологическим состоянием перед посевом, которое зависит от предпосевной подготовки, влажности почвы и температурных условий (Огиевский, 1978).
Из физиологических показателей первостепенное значение имеют интенсивность дыхания и активность ферментов (Смирнов, 1981). При дыхании происходит окисление органических веществ до углекислоты и воды с высвобождением энергии для различных процессов в клетке, а окисление происходит под каталитическим воздействием ферментов. Поэтому процесс подготовки семян к дружному прорастанию в грунте и заключается в том, чтобы усилить активность зародыша, то есть приемами подготовки семян к посеву необходимо повысить в них уровень метаболических процессов. Это достигается путем выдерживания замоченных семян в течение 1-2 месяцев при пониженных температурах, но при доступе воздуха (Редько, 1976, 1997).
В подготовленных таким образом семенах сосны уменьшается количество жиров, возрастает активность фермента липазы, повышается количество легкорастворимых углеводов, повышается активность фермента каталазы (Мосин, 1968).
Стратифицированные данным способом семена сосны оказываются более устойчивыми к высоким и низким температурам и проявляют более активную всхожесть. Так, в опытах Н.А.Смирнова (1981) семена сосны обыкновенной, намоченные и выдержанные в течение 2 месяцев при температуре 0°С, при температуре проращивания 10°С, на 7 день проросших семян оказалось 29,1%, а семена не охлажденные проросли только на 12,1%, На 15 день разница снизилась до 4,9% и составила соответственно 78,9 и 74,0%. Повышение температуры при проращивании с 10 до 25°С вызвало
15
сглаживание интенсивности проращивания и показатели на 7 и 15 дни были соответственно 69,9-66,7% и 78,0 - 77,2%.
Кроме стратификации существуют и другие приемы (Онучин, Кащеева, 1966), обеспечивающие активизацию физиологических процессов и как следствие - увеличение грунтовой всхожести, такие, как обработка семян растворами удобрений, микроэлементов, ростовыми веществами, озвученной водой, слабым электрическим током, световыми импульсами, солнечным светом. Однако, наилучшие результаты дает стратификация семян с выдерживанием их при пониженном температурном режиме.
1.3. Выращивание посадочного материала
Повысить качество выращиваемого посадочного материала возможно при выполнении трех основных направлений. Первое - совершенствование технологических процессов, в основу которых положено экономное расходование семян и рациональное использование площади (Смирнов, 1981; Гаврилов, Пентелькин, 2000). Второе - переход на выращивание посадочного материала целевого назначения: либо он предназначен для выращивания древесины, или для защиты ландшафтов, или для озеленения. Третье -применение механизированных и автоматизированных систем при выращивании посадочного материала (Маттис, 1976; Миронов, 1977; Хорошавин, Мукеев, 2000; Балков и др., 2000).
В тоже время разработка интенсивных технологий выращивания посадочного материала должна опираться на биоэкологические процессы, включающие познание закономерностей функционирования организмов молодых растений и их взаимоотношения с окружающей средой. Закон возврата макро- и микроэлементов в почву требует возврата выносимых веществ в большем количестве и поэтому осуществление мониторинга над состоянием почвы в питомнике совершенно необходимо ( Филатов, 1966; Романов, 1997; Яковлева, 2000).
Интенсификация выращивания посадочного материала предполагает последовательное изучение биологических особенностей сезонного развития
16
одно- и двухлетних растений в определении экологической обстановки с разработкой и установлением оптимальных сроков проведения технологических приемов (Редько и др., 1983). В тоже время установлено (Thihatmer, 1989), что уплотнение почвы до глубины 30 см отрицательно сказывается на росте сеянцев сосны. Уплотнение почвы до 1,5-1,6 г/см3 снижает продукцию сухой массы растений до 50%. Отсюда вывод - в питомнике движение тракторов должно быть только по колеям.
Растения в онтогенезе проходят несколько разнокачественных стадий, характеризующихся сменой требований к окружающей среде. Если в многолетнем жизненном цикле растений принято различать возрастные периоды - эмбриональный, ювенильный, зрелости и старения, то даже в ювенильном периоде, особенно в первые 3 года жизни, морфологическая структура растения и его требовательность к экологическим условиям не остаются постоянными.
С.Н.Санников (1963, 1983) в совокупности этапов видит биологический ритм развития растения. Процесс роста и развития самосева сосны он разделяет на 5 этапов: прорастание семян, формирование проростка, укоренение и приживаемость всходов, начало прогрессирующего роста и свободный прогрессирующий рост.
По мнению М.Н.Ширской (1964), в течение первого года жизни сеянец сосны сибирской проходит 5 стадий - подземное развитие, формирование семядолей с освобождением их от семенных покровов и образованием зачатка первичной хвои, окончание развития семядолей с образованием зачатков почек, окончание развития первичной хвои с формированием верхушечной почки, окончательное формирование почек.
Рассмотрение процесса роста и развития однолетнего сеянца древесных пород нашло отражение в работах С.М.Зепалова (1946); А.П.Щербакова (1960); И.С.Антонова, Ф.И.Гнутова (1968); В.П.Бобринева (1975, 1987); Н.Е.Булыгина(1979) и других ученых, но все они отмечают сложность этого процесса в начальный период онтогенеза.
17
По вопросу затенения всходов существуют разные мнения, что связано с конкретными условиями окружающей среды. В одних случаях (Ковалев, Антипова, 1983) при снижении интенсивности освещения хвоя становилась короче, в других снижается прирост в высоту (Кищенко, 1983, Даясова, 1980). И, наоборот, (Кострикин, 1980), особенно в южных районах страны без затенения происходит массовый ожог корневой шейки всходов сосны, что приводит к их гибели. Это происходит при превышении температуры на поверхности почвы выше 50°С.
Многочисленные исследования по влиянию освещенности были выполнены в отношении к сеянцам сосны сибирской. Установлено, что снижение интенсивности освещенности приводит к снижению диаметра, числа боковых побегов, массы ассимиляционного аппарата (Юшкова, Завьялова, 1988), уменьшению длины хвои и ее массы на 20% (Протопопов, 1965), снижение прироста по высоте (Завьялова, Юшков, 1978).
Тепловой режим в зоне расположения высеянных семян определяется температурными особенностями почвы, ее теплоемкостью и
теплопроводностью. Песчаная почва быстро нагревается, имеет низкую теплоемкость и обладает хорошей теплопроводностью, а, значит, при понижении температуры она и быстро остывает, то есть амплитуда между высокими и низкими показателями температуры будут более высокими в сравнении с суглинистыми почвами. Резкие колебания температуры отрицательно сказываются как на прорастании семян, так и на жизнеспособность всходов.
В целях снижения амплитуды колебания температуры применяется метод покрытия посевов слоем мульчи, в качестве которой на объекте исследований многие годы применяется покрытие слоем опилок толщиной 3 см. путем двойного прохода мульчирователя. В практике выращивания посадочного материала использовались в качестве мульчи торф, торф с опилками, дерновая земля, песок. Применение в экстремальных условиях древесных опилок связано с их способностью частично отражать солнечную |
