2341

2

УДК 630*96

Матвеев, С.М. Управление биологическими и технологическими системами в лесном и лесопарковом хозяйстве [Электронный ресурс] : методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки магистров 250100.68 – Лесное дело / С.М. Матвеев, О.Н. Беспаленко, В.А. Славский; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» – Воронеж, 2014. – 37 с.

Рецензент канд. геогр. наук, доц. кафедры геоэкологии и мониторинга окружающей среды Воронежского государственного университета Ю.А. Нестеров

Ответственный редактор д-р биол. наук, проф. С.М. Матвеев

©Матвеев С.М., 2014

©ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», 2014

3

ВВЕДЕНИЕ

Практические занятия занимают существенное место в подготовке студента магистратуры к профессиональной деятельности. Практическое занятие - это занятие, проводимое под руководством преподавателя в учебной аудитории, направленное на углубление научно-теоретических знаний и овладение определенными методами самостоятельной работы. Логическая связь лекций и практических занятий заключается в том, что информация, полученная на лекции, в процессе самостоятельной работы на практическом занятии осмысливается и перерабатывается, при помощи преподавателя анализируется до мельчайших подробностей, после чего прочно усваивается.

Перед практическим занятием следует изучить конспект лекции и рекомендованную преподавателем литературу, обращая внимание на практическое применение теории. Практические занятия предполагают наряду с направляющей ролью преподавателя интенсивную самостоятельную работу студента и потому тесно связаны как с лекционным курсом, так и с самостоятельными занятиями студентов.

1 РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ

X семестр

Раздел 1. Введение в дисциплину. Раздел 2. Лес как экосистема.

Раздел 3. Оценка влияния хозяйственной деятельности на лесные системы и урбосистемы.

Раздел 4. Биологическое разнообразие.

Раздел 5. Управление в области пользования лесным фондом.

XI семестр

Раздел 6. Управление в области ведения лесного хозяйства. Раздел 7. Управление в области охраны и защиты лесного фонда, воспроизводства лесов.

Раздел 8. Основы лесопаркового хозяйства.

4

2 НАИМЕНОВАНИЕ ТЕМЫ И КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

X семестр

ТЕМА 1 (2 часа)

Лесные почвы и учет их свойств в лесном хозяйстве.

Цель занятия: Ознакомиться с особенностями формирования лесных почв, их ролью в лесных экосистемах.

Вопросы :

1.Факторы, определяющие характер почвообразующего процесса.

2.Влияние плодородия почвы на продуктивность лесных фитоценозов.

3.Структурные особенности лесных почв.

4.Причины, вызывающие динамические изменения в лесных почвах.

Почва представляет собой поверхностные горные породы, преобразованные геологическими процессами (эрозией, выветриванием) и жизнедеятельностью организмов. Характер и скорость почвообразующих процессов зависят от климата местности и положения почв в рельефе, а также от степени развития (или восстановления) биоты после природных или антропогенных нарушений. Плодородие, т.е. способность почвы обеспечивать растения водой и питательными веществами, играет важную роль в воспроизведении лесной биомассы. От почвенных условий в значительной степени зависят конкурентоспособность различных видов растений, продуктивность, биологическое разнообразие и пространственная структура лесных экосистем. Верхняя часть почвы представлена лесной подстилкой – поверхностным биогоризонтом, в котором, благодаря обилию почвенных беспозвоночных животных и микроорганизмов, происходит разрушение органических остатков растений и формирование гумуса. Лесная подстилка также препятствует развитию эрозионных процессов, а благодаря высокой влагоемкости, способствует переводу поверхностного стока во внутрипочвенный. Почвы динамичны, их свойства постоянно меняются под воздействием жизнедеятельности растений, животных, а также в результате макронарушений( пожаров, рубок, осушения и пр.).

ТЕМА 2 (2 часа)

Лес и водный режим.

Цель занятия : Усвоить глобальную роль леса в формировании гирологического режима.

Вопросы :

1.Особенности водного стока на облесённых территориях.

2.Факторы, определяющие водопроницаемость лесной почвы.

5

3.Влияние хозяйственной деятельности на перераспределение выпавших осадков.

Леса играют огромную роль в поддержании водного баланса территории и формировании местного климата, сглаживая экстремальные погодные явления. Это выражается в снижении вероятности и силы наводнений, засух и других стихийных катаклизмов. Качество питьевой воды, запасаемой в водохранилищах, в значительной степени зависит от лесистости и состояния лесов водосборного бассейна. На облесённых водоразделах поверхностный сток не формируется даже после сильных ливней. Атмосферные осадки, достигшие поверхности земли, впитываются подстилкой и минеральными горизонтами почвы и попадают в грунтовые воды, водотоки, озёра и болота уже с внутрипочвенным стоком. Быстрому впитыванию воды способствуют отсутствие плотной дернины, пористая структура почв, а также система глубоких вертикальных трещин, которая формируется благодаря корням деревьев, норам и ходам животных. Питание северных рек (особенно весной и в начале лета) сильно связано с таянием снега. Активное снеготаяние вызывает половодье, характер которого зависит как от погодных условий, так и от состояния растительного покрова. Заготовка леса может сильно повлиять на перераспределение выпавшего снега, скорость его таяния и сток воды после сильных ливней, особенно в горных условиях.

ТЕМА 3 (2 часа)

Взаимоотношения между лесными видами растений и животных.

Цель занятия : Выяснить особенности взаимодействий между растениями и животными в лесных экосистемах.

Вопросы :

1. Роль лесных животных в процессах естественного восстановления

леса.

2.Насекомые – опылители лесных цветковых растений.

3.Значение грибов-микоризообразователей.

В лесных экосистемах растения и животные постоянно взаимодействуют друг с другом. Наряду с пищевыми связями существуют конкурентные, а иногда и взаимовыгодные отношения между лесными видами. Так с помощью таёжной птицы-кедровки эффективно происходит возобновление кедра сибирского на значительных территориях. Жизнь большинства цветковых растений невозможна без насекомых-опылителей. Перекрестное опыление необходимо растениям для поддержания генетического разнообразия их популяций. Для семенного размножения некоторых деревьев, например липы, требуются опылители – пчелы или шмели. Но лесные пчелы живут в дуплистых деревьях, возраст которых нередко превышает возраст основного полога. Поэтому при лесопользовании

6

необходимо сохранять эти деревья. Общеизвестна также роль почвенных животных, особенно дождевых червей, в переработке органического вещества почвы и создании ее благоприятной структуры. Существует и множество других взаимосвязей – например, в лесах очень часто встречается микориза, которую могут образовывать большинство видов наземных высших растений. За счет микоризы увеличивается поглощающая поверхность корня. Грибы-микоризообразователи вырабатывают вещества, необходимые растениям и в свою очередь, получают от растений образующиеся в процессе фотосинтеза простые сахара.

ТЕМА 4 (2 часа)

Лесные экосистемы различного масштаба. Лесная среда и её свойства.

Цель занятия : Изучение структурных особенностей лесных экосистем, свойств лесной среды.

Вопросы :

1.Мозаичность компонентов лесной экосистемы.

2.Свойства лесной среды.

3.Формирование микроклимата под лесным пологом. 4.Роль подлеска в хвойных и в лиственных насаждениях.

Экосистема – понятие безразмерное. Даже самый крошечный участок леса – вплоть до отдельно взятого растения – можно считать экосистемой: любое зеленое растение аккумулирует энергию солнечного света, производит органические вещества, может стать пищей для травоядных животных и т.д. Чем больше экосистема, тем больше у нее компонентов, тем многочисленнее взаимосвязи между ними. Кроме того, усложняется пространственная структура экосистемы. Компоненты экосистемы образуют сложную мозаику. Эта мозаичность также является условием жизни ряда видов. Так, для многих высших животных необходимо обязательное наличие на определенном пространстве различных типов экосистем: одни используются ими исключительно как места кормежек, другие – ночлега и отдыха, третьи – размножения. Лесная среда имеет свои особые свойства. Лесные растения( прежде всего деревья) изменяют условия в местах своего произрастания сразу по нескольким параметрам. Кроны деревьев поглощают либо рассеивают значительную часть солнечной радиации. В зависимости от освещенности под пологом леса могут преобладать более или менее теневыносливые виды. Затенение и испарение воды растениями меняет температурный режим и режим влажности под пологом леса. В лесу меняется и ветровой режим, так как деревья оказывают сопротивление потоку воздуха. Таким образом, под пологом леса всегда создается свой особый микроклимат – так называемая лесная среда – совокупность условий, формирующаяся в лесу благодаря наличию и жизнедеятельности живых организмов.

7

ТЕМА 5 (2 часа)

Биологическая продукция, продуктивность и биомасса лесных экосистем.

Цель занятия : Ознакомиться с механизмом образования биологической продукции в лесных экосистемах.

Вопросы :

1.Первичная, вторичная и валовая биологическая продукция.

2.Чистая продукция.

3.Первичная и вторичная продуктивность лесных экосистем.

4.Факторы, определяющие скорость создания первичной продукции.

5.Связь продуктивности лесных экосистем с интенсивностью депонирования углерода и выделения кислорода.

Способность организмов производить органическое вещество в процессе своей жизнедеятельности называется биологической продукцией. Биологическая продукция, которую создают продуценты, получила название первичной, а создаваемая консументами и редуцентами – вторичной. Суммарная продукция, образующаяся в процессе жизнедеятельности всех организмов, называется полной или валовой. Существенная часть вещества и энергии, произведенных любыми организмами, тратится ими на дыхание. Валовая продукция за вычетом потерь на дыхание – это чистая продукция. Скорость производства продукции называется продуктивностью. Аналогично с продукцией различают первичную и вторичную продуктивность. В лесных экосистемах основная часть первичной продукции создается деревьями, причем она накапливается как их надземными частями, так и корнями. Кустарники, травы и другие растения создают по сравнению с деревьями незначительную часть продукции лесной экосистемы. На скорость создания первичной продукции влияют прежде всего: количество солнечного света, воды, сумма температур и доступность биогенных элементов, особенно – азота. Общий запас биомассы леса составляет около 90 процентов биомассы биосферы. Биомасса и продуктивность – важнейшие характеристики лесной экосистемы. Чем больше продуктивность, тем выше скорость связывания углерода углекислого газа. При образовании 1 т продукции поглощается 1,5- 1,8 т углекислого газа с выделением 1,2-1,4 т кислорода.

ТЕМА 6 (2 часа),

Динамика популяций в лесных экосистемах.

Цель занятия : Изучить особенности формирования популяций лесных древесных растений.

Вопросы :

1.Факторы, определяющие устойчивость популяции.

2.Влияние видовой принадлежности на возрастную структуру популяции.

8

3.Роль парцелл в динамике лесных экосистем.

4.Механизм поддержания динамического равновесия в лесных экосистемах.

Популяцией называется группа организмов одного вида, обитающая на определенной территории и в определенной степени защищенная от заноса постороннего генетического материала. Для устойчивого существования популяции необходимо регулярное появление молодых особей и определенная их часть должна сохраниться до репродуктивного возраста и произвести потомство. Количественное соотношение между особями разных возрастов называется возрастной структурой популяции. Каждому виду (в том числе деревьев) свойственна своя возрастная структура популяции, которая определяется характерной для вида длительностью жизненного цикла и отдельных его стадий, а также выживаемостью особей разного возраста. Соотношение численности особей каждого возрастного состояния у каждого вида свое. Оно определяется частотой появления потомства и его количеством, продолжительностью пребывания организма в каждой возрастной стадии и смертностью на каждой стадии. Отсутствие в популяции особей какого-либо возрастного состояния в продолжение длительного времени, либо несвойственное данному виду соотношение особей разных возрастных состояний означает неустойчивость данной популяции во времени. У многих крупных деревьев (например – у кедра сибирского) возобновление происходит преимущественно в некотором отдалении от материнского дерева в виде небольших биогрупп – парцелл. Такие парцеллы являются важным компонентом неоднородности лесных экосистем. Временная динамика (рост, развитие и старение) этих парцелл определяет значительную часть динамики лесных экосистем. Многообразие вариантов пространственной структуры популяций разных видов способствует неоднородности экосистемы, что является важным механизмом поддержания в ней динамического равновесия.

ТЕМА 7 (2 часа)

Эдификаторы и ключевые виды, их роль в лесных экосистемах.

Цель занятия : Изучить виды растений, составляющих основу лесной экосистемы.

Вопросы :

1.Примеры растений-эдификаторов в разных типах леса. 2.Энерго-продукционная роль доминирующих видов растений. 3.Ключевые виды животных в лесах таёжной зоны и в европейских

дубравах.

4.Функциональные группы эдификаторов и ключевых видов.

Эдификаторы – это виды, которые создают основу экостстемы, определяют ее структуру и играют важнейшую роль в создании ее

9

внутренней среды. Примерами эдификаторов в наземных экосистемах являются доминирующие виды растений. Эдификаторы осваивают большую часть энергии и вещества, создают основную часть продукции на своем трофическом уровне, условия для существования множества других видов и

витоге определяют «лицо» экосистемы. Уничтожение вида-эдификатора, по сути , означает исчезновение всей экосистемы( например, не может быть соснового леса, если нет сосны). Ключевые виды – это виды, играющие в экосистеме очень важную роль, несмотря на относительно небольшую биомассу( они могут и не занимать доминирующего положения в экосистеме). Примером ключевого вида может служить кедровка, которая при относительно небольшой численности играет основную роль в воспроизводстве кедра – вида-эдификатора этой экосистемы. Исчезновение ключевых видов существенно влияет на популяции других видов и процессы

вэкосистеме. Их наличие – индикатор распространения сообществ, ключевыми видами которых они выступают. В лесных сообществах выделяют несколько функциональных групп эдификаторов и ключевых видов: деревья, листо- и хвоегрызущие насекомые, крупные растительноядные и хищные животные и дереворазрушающие грибы.

ТЕМА 8 (2 часа)

Способность естественных экосистем к саморегуляции.

Цель занятия : Определить факторы, влияющие на поддержание динамического равновесия в лесных экосистемах.

Вопросы :

1.Возрастная динамика лесной экосистемы.

2.Влияние рубок ухода на состояние экосистемы.

3.Нарушения, происходящие в лесных экосистемах вследствие естественных причин.

4.Способы уменьшения негативных последствий хозяйственной деятельности человека в лесу.

Естественный лес – сложнейшая динамическая система, которая существует значительно дольше, чем каждый из составляющих ее организмов. По мере роста, развития, старения и гибели организмы заменяются молодыми особями, но в целом экосистема остается прежней. В стабильных условиях она будет находиться в динамическом равновесии и теоретически может пребывать в нем неограниченно долго. Это свойство естественных экосистем называется способностью к самоподдержанию. Благодаря ей экосистемы, сформировавшиеся без воздействия человека, в стабильных условиях не нуждаются в какой-либо поддержке. Для выращивания древостоя, предназначенного для получения древесины, необходимы мероприятия по уходу за лесом, в том числе иногда достаточно интенсивные. Но по отношению к лесу как к экосистеме выражение” лес без топора не растет» неприменимо. Леса покрывали значительную часть суши в

10

течение миллионов лет до прихода человека с техникой для заготовки древесины. В лесу всегда присутствовали естественные нарушения, вызванные пожарами, ветровалами, оползнями, но их частота и интенсивность не сравнимы с современным воздействием человека на леса. Чем сильнее человек меняет леса, тем более неустойчивыми становятся их экосистемы, тем менее они способны самостоятельно поддерживать себя в равновесии. Соответственно, тем выше затраты человека на поддержание равновесия.

ТЕМА 9 (4 часа)

Естественная и антропогенная динамика климата и её взаимосвязь с воздействием на лесной покров.

Цель занятия: выявить естественную циклическую динамику климатической системы, оценить вклад антропогенной составляющей в этот процесс, проанализировать вклад в изменение климата уничтожения лесов планеты и, в свою очередь, изменение лесного покрова в результате динамики климата.

Вопросы:

1. Изменения и колебания климата

1.1.Изменения климата в историческую эпоху

1.2.Естественные факторы изменения климата 2. Антропогенные изменения климата

2.1.Влияние изменения газового состава атмосферы на климат

2.2Антропогенное воздействие на озоновый слой

2.3.Изменение климата в результате антропогенного воздействия на лесной покров

2.4.Климатический мониторинг

Каждый компонент климатической системы оказывает на нее воздействие той или иной продолжительности, вызывая изменения климата соответствующего временного масштаба. Изменения климата могут быть более или менее длительное время направленными, идти в сторону постепенного похолодания или потепления, иссушения или увлажнения. В результате за длительное время происходит смена одного климата другим. От изменений климата отличаются его колебания, при которых в пределах климата одного типа на коротких отрезках времени потепление сменяется похолоданием, увлажнение – иссушением и наоборот.

Причиной длительных изменений климата является действие внешних по отношению к компонентам климатической системы климатообразующих факторов. Внешние климатообразующие факторы – солнечное излучение, изменения параметров земной орбиты под влиянием других планет и др.

Среди компонентов атмосферы наибольшее влияние на температурный режим Земли оказывают термодинамически активные примеси: углекислый газ, аэрозоль, водяной пар. Хотя концентрация кислорода не оказывает