Еколого-кліматичні чинники масового всихання соснових лісів Житомирського Полісся

Abstract

Дисертацію присвячено обґрунтуванню впливу еколого-кліматичних чинників на масове всихання соснових лісів Житомирського Полісся й розробці теоретичних і науково-практичних рекомендацій для вдосконалення методів вирощування стійких соснових насаджень. Дослідження лісового фонду Житомирської області, який складає 1089500 га показали, що майже 989000 га вкрито лісовою рослинністю, що відповідає фактичній лісистості 33,0 %. Проте територія області вкрита лісом нерівномірно: на півночі більш ніж на 40 %, а на півдні близько 5 %. Встановлено, що головними причинами такої нерівномірності є інтенсивне і довготривале господарське освоєння родючих ґрунтів в південній частині регіону, а також їх збіднілість та заболоченість на півночі. Доведено, що оптимальна лісистість для Житомирського регіону складає 36–37 %. У досліджуваному регіоні основні лісоутворювальні породи складаються з сосни звичайної, дуба звичайного, берези повислої. Хвойні насадження займають 60 % площі лісового фонду, твердолистяні – 19 %, а м'яколистяні – 21 %. Розподіл земель лісового фонду за ключовими породами вказує на те, що сосна звичайна займає 59 % площі, дуб звичайний – 17 %, береза повисла – 16 %. Решта території, що становить 8 %, вкрита іншими породами, такими як вільха чорна, ялина європейська, модрина європейська, осика, дуб червоний, граб звичайний, клен гостролистий, робінія псевдоакація та ясен звичайний. Аналіз структури соснових деревостанів дозволив встановити особливості їх розподілу за основними лісівничо-таксаційними показниками та визначити методи покращення. Згідно з лісовпорядкуванням соснові ліси поділяються на чисті та змішані деревостани. Чисті соснові деревостани охоплюють 71,0 % площ та мають загальний запас 79,0 % від загального лісового фонду. Змішані деревостани з домінуванням сосни звичайної та домішкою берези повислої й дуба звичайного займають 29,0 % площ з сумарним запасом 21,0 % від загального фонду. Середній запас чистих деревостанів становить 295 м3·га-1, а середній запас змішаних – 194 м3·га-1. Такий розподіл є наслідком лісокультурних підходів до залісення ділянок, які використовувалися починаючи з 50 років минулого століття. Встановлено, що на території Житомирського Полісся лісові насадження піддаються впливу різноманітних біотичних та абіотичних чинників, що позначається на їх санітарному стані. В процесі дослідження проведено оцінку санітарного стану соснових насаджень Житомирського Полісся, індекс якого становив від 2,21 до 3,34. На пробних площах у суборах та сугрудах дерева розподіляються за категоріями стану наступним чином: І категорія – 6,0–32,2 %, II категорія – 14,3–37,4%, III категорія – 19,5–38,8 %, IV категорія – 10,3–31,5 %, V категорія – 1,8–23,6 %, VI категорія – 0,7–6,5 %. На контрольних площах у суборах та сугрудах розподіл дерев за категоріями стану виглядав наступним чином: І категорія стану – 58,0–73,1 %, II– 19,2–37,4%, III – 2,8–13,6 %, IV – 0,9–3,5 %, V – 0,3–1,1 %, та VI – 0,3–0,7 %. Індекси санітарного стану здорових насаджень становили 1,38–1,5. Доведено, що раціональне використання родючості лісових ґрунтів є визначальним фактором для ефективного догляду та відновлення соснових насаджень. Ґрунт є важливим екологічним компонентом, який визначає склад і продуктивність лісових насаджень. Тому при створенні високопродуктивних та здорових насаджень необхідно враховувати показники родючості ґрунту. В ході дослідження встановлено, що у Березівському лісництві на всихання соснового насадження вплинуло більш кисле (рНсол.=4,22±0,06) в порівнянні з контрольною ділянкою (рНсол.=5,35±0,10) середовище ґрунту і значно менший вміст рухомого фосфору (71,93±1,41 мг/кг) порівняно з контролем (163,00±3,18 мг/кг). Це пояснюється підвищеною рухомістю алюмінію і фітотоксичністю гумусового шару, зменшенням доступності фосфору у сильнокислому середовищі. Дослідження проведені в Івницькому лісництві довели, що причиною всихання соснових насаджень стало надто кисле середовище ґрунту (рНсол.=3,76±0,07), що негативно позначилося на його фітотоксичності та забезпеченості рухомим фосфором, який становив 56,77±3,68 мг/кг. У Меленівському лісництві середовище ґрунту на контрольних ділянках було слабокислим (рНсол.=5,06±0,07), а рівень фосфору становив 73,33±3,94 мг/кг. На ділянках, де були ознаки всихання сосняків, реакція середовища становила рНсол.=3,73±0,05, а рівень фосфору 50,17±0,66 мг/кг. Акцентовано увагу на актуальності вирощування стійких соснових насаджень, як ефективного заходу з їх відновлення на територіях, де спостерігався вплив певних негативних чинників. Доведено, що застосування у лісокультурному виробництві біоорганічних композицій для сіянців сосни звичайної може мати позитивний вплив на формування здорових насаджень. Такий підхід є прикладом застосування інтенсивних технологій при вирощуванні садивногоматеріалу деревних рослин з метою підвищення їх стійкості до шкідливих організмів та патогенів. Встановлено, що із застосуванням препарату Біоекофунге-1 морфологічні показники сіянців сосни звичайної показували позитивні темпи вегетативного росту, значно прискорювалося формування біологічно стійких лісових культур та їх приживлюваність, підвищувалася схожість насіння. Підживлення біоорганічними композиціями мало позитивний вплив на збільшення висоти сіянців сосни звичайної у середньому на 31,2 %, довжини коріння – на 34,9 %. Водночас, при застосуванні наночастинок діоксину церію, збільшення висоти сіянців сосни звичайної становило 11,04 %, довжини коріння – 8,5 %, приживлюваність лісових культур складала 92–98 %. Результати проведеного дослідження показали, що агрохімічні показники ґрунту за певних характеристик мають вплив на індекс санітарного стану насаджень. Застосування методів моделювання сприяло встановленню взаємозв'язку між показником індексу санітарного стану (Ісс) та агрохімічними показниками ґрунту із значенням коефіцієнту детермінації (Multiple R-squared) 0,8074. Доведено, що висока кислотність ґрунту може призвести до погіршення стану насаджень, що в свою чергу може мати вплив на виникнення осередків хвороб і шкідників. Встановлено, що рівень гумусу в ґрунті має вагоме значення для стану насаджень, а концентрація азоту та фосфору в ґрунті значний вплив на їх ріст і розвиток. При виборі схеми змішування посадки лісу варто враховувати агрохімічні показники ґрунту, оскільки вони можуть мати вплив на стан насаджень у майбутньому. Склад деревостану та типи лісорослиних умов є факторами, які можуть впливати на санітарний стан лісу. Деревостани, які складаються з більш ніж трьох одиниць листяних порід, є стійкішими до впливу шкідників та хвороб, у порівнянні з чистими деревостанами сосни. Модель, яка враховує залежність індексу санітарного стану лісу від складу деревостану (Multiple R-squared = 0,4386) доводить, що склад деревостану є вагомим чинником, який впливає на стан та стійкість лісових екосистем. В свою чергу санітарний стан соснових насаджень залежить від комплексу різноманітних факторів (абіотичних, біотичних, антропогених), які взаємодіють між собою. Кратний R-квадрат, що дорівнює 0,9186, свідчить про те, що модель, яка описує вплив цих факторів, є точною та ефективною. Регресійний аналіз дозволив виявити, що верхівковий короїд має значний вплив на санітарний стан сосни звичайної. Значення Multiple R-squared для цього фактору дорівнює 0,9182, що свідчить про високу ступінь кореляції ним та станом соснових насаджень. Отримані результати підкреслюють важливість врахування комплексного впливу різних факторів на стан лісових екосистем для їх збереження та стійкості у майбутньому. Згідно з результатами проведеного регресійного аналізу, було встановлено вплив різних параметрів на індекс санітарного стану лісових насаджень. Зокрема, було виявлено, що вік лісових насаджень має значний вплив на їхню стійкість до захворювань та шкідників, що підтверджується середнім значенням (R-квадрат = 0,4357). Повнота насаджень, висота та діаметр дерев також впливають на індекс санітарного стану лісів. Низька повнота насаджень може вказувати на збільшену вразливість до захворювань та шкідників. Запас деревини також є важливим параметром, який впливає на стійкість лісових насаджень до захворювань та шкідників. Оптимальний вік, повнота, висота, діаметр та запас деревини лісових насаджень можуть залежати від регіональних кліматичних та географічних умов. Статистичний аналіз показав що показнник p-value становить < 2,2e-16, що в свою чергу означає, що модель є значимою. В результаті проведеного дослідження було встановлено, що вплив верхівкового короїда у комплексі з вітровалом на індекс санітарного стану має значення коефіцієнта детермінації (Multiple R-squared) рівне 0,6118 з p-значенням менше 2,2e-16, що свідчить про статистичну значущість цього впливу. Ці результати підтверджують, що наявність верхівкового короїда та вітровалу в лісових насадженнях має значний вплив на їхній стан. Отримані дані мають суттєве значення для врахування цих факторів у процесі оцінки та керування лісовими екосистемами з метою забезпечення їхньої екологічної стійкості. Дослідження показало, що модель впливу комплексу факторів на виникнення лісових пожеж у насадженнях сосни звичайної має високий коефіцієнт детермінації (Multiple R-squared = 0,9906), що свідчить про високу точність та значущість цієї моделі. Зокрема, результати дослідження вказують на те, що комплекс факторів: склад насадження, тип лісорослиних умов, вік, запас впливає на виникнення лісових пожеж у насадженнях сосни звичайної. Однак, моделі впливу географічного положення лісництв (множинний R-квадрат = 0,01965) свідчить про те, що розташування не має статистично значущого впливу на розповсюдження шкідників та хвороб в насадженнях сосни звичайної. Це означає, що наявність чи відсутність шкідників та хвороб не залежить від місцезнаходження насаджень.

Due to the influence of abiotic and biotic factors, pine plantations have dried up in large areas of Polissia, causing great environmental damage. As a result of climate change, more than 200,000 hectares of pine forests are affected by pests and diseases. Today, the impact of various factors on the drying out of pine plantations in Polissia has increased significantly, so the question of improving methods of growing sustainable pine plantations has arisen. According to the research, the forest fund of Zhytomyr region is 1089500 hectares, of which almost 989000 hectares are covered with forest vegetation, which corresponds to an actual forest cover of 33,0 %. However, the forested area of the region is uneven and decreases from the north (over 40 %) to the south (5 %). The main reasons for this unevenness are the intensive and long-term economic development of fertile soils in the southern part of the region, as well as their depletion and swamping in the north. According to various estimates, the optimal forest cover for the Zhytomyr region is 36–37 %. In the study area, the main forest-forming species include Scots pine, pedunculate oak, and silver birch. Coniferous plantations occupy 60 % of the forest area, hardwoods – 19 %, and softwoods – 21 %. In terms of the distribution of forest land by main species, Scots pine occupies 59 % of the area, pedunculate oak – 17 %, and silver birch – 16 %. The remaining 8 % of the area is covered by other species such as black alder, European spruce, European larch, aspen, red oak, hornbeam, sharp-leaved maple, robinia pseudoacacia and ash. The analysis of the structure of pine stands allows us to assess the distribution of such stands by the main forestry and taxation indicators and determine methods for their improvement. According to forest management, pine forests are divided into pure and mixed stands. Pure pine stands cover 71,0 % of the area and have a total stock of 79,0 % of the total forest stock. Mixed stands dominated by Scots pine with an admixture of silver birch and pedunculate oak cover 29,0 % of the area with a total stock of 21,0% of the total stock. The average stock of pure stands is 295 m3 ha-1, and the average stock of mixed stands is 194 m3 ha-1. This distribution is the result of silvicultural approaches that have been used since the 50 s of the last century. It has been established that on the territory of Zhytomyr Polissya, plantations are exposed to various biotic and abiotic factors that affect the sanitary condition. We assessed and analyzed the sanitary condition of pine plantations in Zhytomyr Polissya. The sanitary condition index of plantations affected by these factors ranged from 2,21 to 3,34. On the trial plots in sub-regions and subgroups, the trees are distributed by condition categories as follows: сategory I – 6,0–32,2 %, category II – 14,3–37,4 %, category III – 19,5–38,8 %, category IV – 10,3–31,5 %, category V – 1,8–23,6 %, category VI – 0,7–6,5 %. On the control plots in the sub-regions and sub-groups, the distribution of trees by condition categories was as follows: category I – 58,0–73,1 %, category II – 19,2–37,4 %, category III – 2,8–13,6 %, category IV – 0,9–3, 5%, category V – 0,3–1,1 %, and category VI – 0,3–0,7 %. The indices of the sanitary condition of healthy plantations were 1,38–1,5. It is worth noting that the rational use of forest soil fertility is a crucial factor for the effective use and restoration of pine plantations. Soil is an important environmental component that determines the composition and productivity of forest stands. Therefore, soil fertility indicators must be taken into account when creating highly productive and healthy plantations. In Berezivske forestry, when the pine plantation dried out, a very acidic soil environment was found (pH sol.=4.22±0.06) compared to the control plot (pH sol.=5.35±0.10). Mobile phosphorus also had a significantly lower content in the soils of the studied plots (71.93±1.41 mg/kg) compared to the control (163.00±3.18 mg/kg). This is due to increased aluminium mobility, increased phytotoxicity of the humus layer and reduced phosphorus availability in a highly acidic environment. In Ivnytsia forestry, the reason for the drying of pine plantations was a very acidic soil environment (pH sol.=3.76±0.07), which negatively affected phytotoxicity and availability of mobile phosphorus, which was 56,77±3.68 mg/kg. In the Melenivske forestry, the soil reaction in the control plots was slightly acidic (pH sol. = 5,06±0.07), and the phosphorus level was 73,33±3.94 mg/kg. In the experimental plots, where there were signs of drying out of pine trees, the reaction of the soil reaction was pHsol.=3,73±0.05, and the level of phosphorus was 50,17±0.66 mg/kg. In recent years, the cultivation of sustainable pine plantations has become an important measure to restore plantations in areas that have been negatively affected by various factors. Polissia has all the conditions for growing sustainable pine plantations using improved methods and approaches. It has been proven that the use of bioorganic compositions for scots pine seedlings in silvicultural production can to some extent solve the problem of healthy plantations. This approach should become one of the main elements of intensive technologies in the cultivation of planting material of woody plants in order to increase their resistance to pests and pathogens. It has been established that with the use of Bioecofung-1, the morphological parameters of scots pine seedlings showed positive dynamics of vegetative growth, significantly accelerated the formation of biologically sustainable forest crops and their survival rate, and increased seed germination. During the cultivation of scots pine seedlings, fertilisation with bioorganic compositions had a positive effect on increasing the height of seedlings by an average of 31,2 % and the length of roots by 34,9 %. At the same time, with cerium dioxin nanoparticles, the increase in the height of Scots pine seedlings was 11,04 %, root length – 8,5 %, and the survival rate of forest crops was 92–98 %. The results of the statistical analysis showed that soil agrochemical parameters have a significant impact on the plantation health index. The models reflect the relationship between the sanitary condition index (SIC) and soil agrochemical parameters, which is characterised by a determination coefficient (Multiple R-squared) of 0,8074. It has been proven that high soil acidity can lead to a deterioration in the condition of plantations, which can lead to the emergence of disease and pest foci. The level of humus in the soil is of great importance for the condition of plantations. The concentration of nitrogen and phosphorus in the soil also has a significant impact on the growth and development of plantations. When choosing a planting mixing scheme, soil agrochemical parameters should be taken into account, as they can affect the condition of the plantations in the future. The composition of the stand and the type of forest vegetation conditions in the forest plantations are important factors that affect the condition of the forest. Stands consisting of more than three hardwood species are more resistant to pests and diseases than pure pine stands. The model that takes into account the dependence of the forest health index on the composition of the stand (Multiple R-squared = 0,4386) shows that the composition of the stand is an important factor that affects the condition and sustainability of forest ecosystems. Studies have shown that the sanitary condition of pine plantations depends on a complex of various factors (abiotic, biotic, anthropogenic) that interact with each other. The multiple R-squared of 0,9186 indicates that the model describing the impact of these factors is accurate and effective. Additionally, the stepwise regression analysis revealed that the apex bark beetle has a statistically significant impact on the sanitary condition of Scots pine. The Multiple R-squared value for this factor is 0,9182, which indicates a high degree of correlation between this factor and the condition of pine plantations. These results emphasise the importance of considering the complex impact of various factors on the state of forest ecosystems to ensure conservation and sustainability in the future. According to the results of the regression analysis, the impact of various parameters on the forest health index was determined. In particular, it was found that the age of forest plantations has a significant impact on their resistance to diseases and pests, which is confirmed by the high value (R-square = 0,4357). Plantation completeness, tree height and diameter also affect the forest health index, and low plantation completeness may indicate increased vulnerability to diseases and pests. Timber stock is also an important parameter that affects the resistance of forest stands to diseases and pests. The optimal age, fullness, height, diameter and wood stock of forest stands may depend on regional climatic and geographical conditions. The statistical analysis showed that the p-value is < 2,2e-16, which means that the model is significant. As a result of the study, it was found that the impact of the top bark beetle in combination with windbreak on the sanitary condition index has a determination coefficient (Multiple R-squared) value of 0,6118 with a p-value of less than 2,2e-16, which indicates the statistical significance of this impact. These results confirm that the presence of the treetop bark beetle and windthrow in forest plantations has a significant impact on their condition. The data obtained are essential for taking these factors into account in the process of assessing and managing forest ecosystems to ensure their environmental sustainability. The study has shown that the model of the impact of a complex of factors on the occurrence of forest fires in loblolly pine plantations has a high coefficient of determination (Multiple R-squared = 0,9906), which indicates the high accuracy and significance of this model. In particular, the results of the study indicate that a set of factors: stand composition, type of forest conditions, age, and stock affects the occurrence of forest fires in Scots pine stands. However, the models of the influence of geographical location (multiple R-squared = 0,01965) indicate that location does not have a statistically significant impact on the spread of pests and diseases in Scotch pine stands. This means that the presence or absence of pests and diseases does not depend on the location of the plantations.