При выборочных и постепенных рубках почва непрерывно находится под пологом лесной растительности. В этих условиях влияние рубок главного пользования на почвообразовательный процесс и свойства почвы приближается к влиянию проходных рубок. После образования подроста происходит усиление подзолообразования под сомкнутым пологом хвойного леса с мертвой хвоевой подстилкой.
Несравненно более сильное влияние на почвообразовательный процесс и свойства почвы оказывают сплошные и особенно — концентрированные рубки главного пользования.
А. Л. Кощеев указывает на некоторые изменения в условиях почвообразования, которые обусловлены сплошнолесосечными рубками. Сомкнутый полог спелого древостоя, особенно в еловых лесах, задерживает значительную часть солнечных лучей и обусловливает рассеянное освещение. После сплошной вырубки древостоя освещение становится полным, исключается рассеивающее влияние крон деревьев. Вызванные рубкой изменения в поступлении солнечных лучей оказывают влияние на тепловой режим почвы и припочвенных слоев воздуха. Исследования показали, что в течение вегетационного периода температура воздуха на лесосеке на 5—10°, а иногда даже на 14° выше, чем в лесу. В зимний период температура воздуха на лесосеке на 6° ниже, чем под пологом леса. Средняя годовая температура на лесосеке на 4—4,5° выше, чем в лесу. В летний период температура верхних горизонтов почвы на лесосеке также выше, чем в лесу: в зимний период почва на лесосеке промерзает на большую глубину, чем в лесу.
Вырубка древостоя увеличивает силу ветра. На лесосеках сила ветра в 2—2,5 раза больше, чем в лесу. Относительная влажность воздуха под пологом леса колеблется в пределах 63—98%, на лесосеке пределы колебаний снижаются до 30—80%. В связи с этим физическое испарение с поверхности почвы на ней возрастает. В первый год оно достигает 180—200 мм.
Удаление лесного полога существенно влияет на количество атмосферных осадков, достигающих поверхности почвы. Кроны деревьев задерживают значительную часть атмосферных осадков. Особенно сильное задерживающее влияние оказывают еловые и пихтовые древостой. По материалам ряда исследователей древесный полог в зависимости от породного состава, возраста и полноты задерживает от 20 до 47% годового количества осадков. Поэтому вырубка древостоя значительно повышает поступление атмосферных осадков на поверхность почвы.
Лесная растительность расходует большое количество влаги на транспирацию. Расход почвенной влаги на транспирацию елово-лиственным древостоем, по данным А. Л. Кощеева, за вегетационный период может достигать 300—400 мм. После вырубки остается лишь расход влаги на транспирацию травяно-моховым покровом, а также физическое испарение с поверхности почвы, Последнее, как уже было сказано, возрастает.
Таким образом, после вырубки древостоя поступление атмосферных осадков к поверхности почвы возрастает, а расход (задержание осадков, транспирация и физическое испарение почвой) сокращается. Следовательно, в общем возрастает на значительную величину увлажненность почвы. Это приводит к повышению влажности почвы на лесосеке по сравнению с почвой под лесом. В наибольшей степени на лесосеке повышается влажность верхних горизонтов почвы. По материалам ряда исследователей она может превышать 8—10%. Повышение содержания в почве влаги приводит к уменьшению содержания в ней воздуха (аэрации). По сообщению А. Л. Кощеева, в результате повышения влажности почвы на одной из исследованных им лесосек содержание воздуха в почве упало с 18% под лесом до 4% на семилетней лесосеке.
С порубочными остатками на поверхность почвы поступает значительное количество органического вещества и содержащихся в нем элементов питания. Если вести расчет только на массу ветвей и листвы (хвои), то это может быть выражено данными, приведенными в таблице. В действительности к приведенным величинам надо прибавить содержание соответствующих элементов в неиспользованных вершинах деревьев и других остатках (опилки, щепа и т. д.). Кроме того, после вырубки древостоя в почве остаются корневые системы срубленных деревьев.
1. Поступление азота и зольных элементов с порубочными остаткам. 2. Остается в почве с корнями после сплошных рубок
В тех случаях, когда проводят очистку лесосек путем сжигания порубочных остатков, теряется азот, содержащийся в порубочных остатках и, частично азот подстилко-мохового и травяного покрова. Возможна в небольшом размере потеря и некоторых других элементов (калий, сера). Более подробно этот вопрос будет разобран в разделе о сжигании порубочных остатков. Оставленные после лесозаготовок неиспользованные части по мере их разложения обогащают почву физиологически доступными элементами питания. Разложение листвы и хвои протекает сравнительно быстро, а древесины ветвей и неиспользуемых вершин деревьев растягивается на значительно больший срок. Еще медленнее идет разложение корневых систем, оставшихся в почве. При огневой очистке лесосек сразу происходит освобождение заключенных в порубочных остатках элементов в виде простых солей, т. е. в доступной для высших растений форме. Таким образом, на лесосеках создаются условия повышенной обеспеченности элементами зольного питания.
Из всего изложенного следует, что сплошные лесосеки оказывают влияние на световой, тепловой, водно-воздушный и пищевой режимы, что приводит к резким изменениям условий развития растительности.
Степень влияния сплошных рубок на климатические условия лесосек находится в зависимости от их ширины. На обширных сплошных вырубках климатические условия приближаются к имеющимся на обширных безлесных угодьях. Влияние стены леса на климат прилегающей лесосеки осуществляется через изменение направления и силы ветра, оно простирается на 0,5—1 км. Чем больше ширина лесосеки, тем сильнее отклонение микроклиматических условий от имевшихся под пологом леса.
Одно из обстоятельных исследований по изучению изменений физических свойств почв на лесосеках произведено проф. С. А. Золотаревым и опубликовано им в книге «Леса и почвы Дальнего Востока» (1962). Автор приводит данные, показывающие, что под влиянием рубки кедрового леса гумусовый горизонт уплотняется и становится влажнее, запасы воздуха в почве намного уменьшаются.
Изменение физических свойств почвы в кедровом лесу и на лесосеках (по С. А. Золотареву)
Согласно наблюдениям В. А. Декатова в условиях Ленинградской области в средней части концентрированной сплошной вырубки шириной 1 км ночные минимальные температуры часто на 2—3° выше, чем на середине сплошных вырубок шириной 60—80 м. Ветровые условия оказывают влияние на перераспределение снежного покрова. На обширных сплошных вырубках имеет место сдувание снега к стенам леса, чего не наблюдается на узколесосечных. Снежный покров на концентрированных вырубках сходит на 2—3 недели раньше. Следует полагать, что на концентрированных лесосеках, где больше скорость ветра, больше и расход влаги на испарение.
Перечисленные изменения приводят к изменению напочвенного покрова. На смену теневыносливым лесным растениям — бруснике, чернике, кислице, зеленым мхам и др. приходят светолюбивые злаки. Сроки сплошного развития злакового покрова различны; некоторые достигают преобладания на 3—4-й год после рубки, другие на 5—6-й, редко позднее. В дальнейшем их распространение идет на убыль. Облесение лесосеки сокращает период развития травянистой растительности на лесосеках или даже не допускает его.
В условиях, где не происходит быстрого облесения лесосек, опасность задернения злаками на длительный период особенно велика. Необходимо содействовать быстрейшему лесовозобновлению на свежих и однолетних лесосеках.
Рассмотрим типы лесосек (вырубок) по классификации И. С. Мелехова (1954).
Тип луговиковых вырубок характерен для средней и северной подзон европейской тайги. В ельниках и сосняках-зеленомошниках на легких почвах задернение вызывает плотнокустовой знак — луговик извилистый (Deschampsia flexuosa Trin).
Тип вейниковых вырубок распространен в южно-таежных и хвойно-широколиственных лесах. Вейник наземный (Calamagrostis epigeios Roth) создает очень большие затруднения для возобновления сосны. В северных районах C. epigeios не захватывает больших площадей, там на вейниковых вырубках преобладает вейник лесной (Calamagrostis arundinacea Roth), не дающий плотной дернины. Этот вид вейника особенно разрастается на месте «холмовых» и кисличниковых ельников и сосняков на легких почвах, но достаточно высокой производительности. Большого развития он достигает на 3—5-летних вырубках, особенно с оставшимся березовым древостоем, что приводит к образованию березняка вейникового (Betuletum calamagrostiosum). В некоторых случаях высота С. arundinacea достигает 1,8—2 м, а покрытие 75—100%, иногда на площади до 1000 га. В местах сожженных куч он отсутствует в течение 4—5 лет после рубки.
В западных районах южной тайги (Ленинградская обл.) в условиях более влажного климата и тяжелых почв встречаются влажные вейниковые вырубки, сопровождаемые заболачиванием.
Такие злаки, как бор развесистый (Milium effusum L.), развиваясь куртинами, придают вид травяно-куртинных вырубок.
Тип кипрейных вырубок южной и средней тайги встречается на месте свежих и влажных ельников-зеленомошников на относительно легких, а иногда и тяжелых почвах, подстилаемых моренными тяжелыми суглинками, в условиях ровного или слабоволнистого рельефа. На третий год после вырубки древостоя достигает наибольшего развития покров из иван-чая (Chamaenerion angustifolium (L.) Scop), количество экземпляров которою на 1 м2 достигает 100. На местах сжигания порубочных остатков поселяется кипрей болотный (Epilobium palustre, L.). В северной тайге иван-чай поселяется преимущественно на лесосеках в свежих и суховатых зеленомошных борах и ельниках, где проходил пал, и занимает большие площади.
Тов. Глухов и Федякова в Куярском лесхозе Марийской АССР на подзолистых глинисто-песчаных почвах наблюдали следующее чередование смены растительности на лесосеке. В первый год после вырубки древостоя имело место развитие травяного покрова, состоящего преимущественно из иван-чая и золотой розги, образующих первую стадию. Перегнойный горизонт в зарослях иван-чая рыхлый, корни не образуют связной дернины. Затем наступает вторая стадия преобладания в травяном покрове злаков: вейника, костра, пырея. На участках, заросших вейником, развивается мощная связная дернина, на местах более увлажненных (с близким залеганием грунтовых вод) образуется кочковатая поверхность.
Тип таволговых вырубок. Для этих вырубок характерно развитие покрова из таволги (Filipendula ulmaria Maxim) на месте вырубленных приручейных ельников-раменей. Описываемые вырубки имеют обычно вид узких полос, соответственно расположению названных типов леса.
Тип долгомошных вырубок. Этот тип свойствен лесосекам в ельниках и сосняках зеленомошно-черничных и долгомошных влажных и сырых борах, суборях и сураменях. Смена зеленых мхов кукушкиным льном обусловлена его способностью развиваться при различных условиях освещения. Для развития кукушкина льна (Polytrichum kommune) необходимы условия большей влажности почвы; в сухих местообитаниях он не разрастается и не образует мощных подушек.
А. С. Дмитриев наблюдал, что в типе леса влажный бор-черничник (А3) имеет место следующая смена напочвенного покрова. На вырубках 1—2-летней давности происходит отмирание гипновых мхов и начинается интенсивное развитие кукушкина льна. На вырубках 3—5-летнего возраста кукушкин лен занимает почти всю площадь, а по понижениям появляется сфагнум. На плохо возобновившихся лесосеках 6—7-летней давности мощность ковра кукушкина льна достигает 20 см. Далее происходит разрастание сфагновых мхов — явление, характерное для сырого бора (А4) под пологом сосны.
Под травостоем, занявшим освобожденную от леса площадь, получает развитие дерновый почвообразовательный процесс. Развитие травянистой растительности, а следовательно, степени проявления дернового процесса зависит от первоначальных свойств почв и типа местообитания.
Под ельниками и сосняками из группы зеленомошников обычно развиты подзолы или слабодерновые средне-, сильноподзолистые почвы. Перегнойный горизонт у последних слабо развит (маломощный), а у первых совсем отсутствует, и подзолистый горизонт начинается непосредственно под слоем грубоперегнойной лесной подстилки. Подобные почвы представляли сравнительно менее благоприятную среду для развития травянистой растительности, а следовательно, и для проявления дернового процесса. Тем не менее под пологом травянистой растительности происходило образование перегнойно-аккумулятивного горизонта мощностью до 8—10 см, в результате прокраски перегноем верхней части подзолистого горизонта.
Более, благоприятны условия для поселения травянистой растительности на вырубках ельников и сосняков в сложных суборях и сураменях на дерново-подзолистых почвах, обладающих перегнойно-аккумулятивным горизонтом значительной мощности. В этих условиях на вырубках получает развитие богатый травяной покров со значительным участием злаков, что еще более усиливает проявление дернового процесса.
При зарастании вырубок мелколиственным лесом, особенно березой, дерновый процесс еще более усиливается и проникает в более глубокие горизонты почвы. Светлые березовые леса делают возможным развитие под их пологом травянистой растительности. Опад березового леса богат основаниями, что обусловливает нейтрализацию образующихся кислых перегнойных веществ. Развитая корневая система березы проникает в подзолистый горизонт и верхнюю часть иллювиального горизонта.
А. Г. Трутнев показал, что в результате разложения грубоперегнойной лесной подстилки, образованной под хвойно-зеленомошным лесом, общее содержание органического вещества в лесной подстилке уменьшается, но одновременно под влиянием дернового процесса нарастает мощность перегнойно-аккумулятивного горизонта и содержание в нем перегноя.
Нарастание мощности перегнойно-аккумулятивного горизонта и содержание в нем перегноя при развитии лиственных насаждений (из работ А. Г. Трутнева)
Продолжительность развития дернового процесса зависит от свойств почвы. Сильное влияние оказывает выпас скота, препятствующий естественному возобновлению. При отсутствии выпаса скота незаболоченные лесосеки сравнительно быстро заселяются мелколиственными породами: березой, осиной, серой ольхой, под пологом которых в дальнейшем появляется подрост из ели и сосны. С течением времени восстанавливается коренной тип леса.
В некоторых случаях облесение вырубок задерживается и дерновая стадия затягивается на ряд лет. После бурьянной стадии, продолжающейся от 2 до 4 лет, наступает корневищная стадия, растягивающаяся в зависимости от свойств почв от 3 до 8 лет. На почвах более плодородных она продолжительнее (6—8 лет), на более бедных — короче (3—5 лет). Затем ее постепенно сменяют рыхлокустовые злаки и разнотравье. Очень часто корневищная стадия на лесосеках сочетается с рыхлокустовой. Под воздействием луговой растительности постепенно возрастает мощность перегнойно-аккумулятивного горизонта.
Нарастание мощности перегнойно-аккумулятивного горизонта А1 на различных стадиях дернового процесса (из работ А. Г. Трутнева)
Одно из более обстоятельных исследований влияния сплошных лесосек на почву принадлежит: В. А. Буренкову, А. Л. Кощееву, Н. Н. Мальчевской. Исследованы были почвы сплошных лесосек разного возраста в Лисинском лесхозе под Ленинградом.
Авторами были проведены несколько серий опыта.
Первая серия. Тип насаждения — сосново-еловый брусничник. Лесосека 16 лет. Разрез первый — на лесосеке, разрез второй — в лесу.
Почвы под лесом обладают типичной грубоперегнойной лесной подстилкой, под которой находится резко выраженный подзолистый горизонт, оканчивающийся на глубине около 15 см.
На лесосеке образуется перегнойно-аккумулятивный горизонт А1, перегной прокрашивает верхнюю часть подзолистого горизонта, последний приобретает сероватый оттенок. Грубоперегнойной подстилки нет. Содержание перегноя снижается. Горизонт B на лесосеке утрачивает яркую окраску, становится блеклым, в нем появляются сизые пятна оглеения.
Процентное содержание гумуса (по Тюрину)
В почве под лесом под третьим слоем грубоперегнойной лесной подстилки H идет подзолистый горизонт с содержанием перегноя 2,88%, на лесосеке в образовавшемся торфянисто-перегнойном горизонте содержание органического вещества значительно меньше, чем в слое Н лесной подстилки, а в следующем новообразованном горизонте А1 содержание перегноя выше — 3,96%, чем в подзолистом горизонте лесной почвы.
Накопление перегноя в верхней части подзолистого горизонта ухудшает аэрацию почвы.
Активная реакция почвы лесосеки изменяется в сторону меньшей кислотности, содержание обменного кальция в верхней части бывшего подзолистого горизонта, превращенной в A1 удваивается.
Вторая серия. Лесосека 10—12 лет.
Почва на лесосеке имеет менее резко выраженный подзолистый горизонт, который прикрыт более мощным торфянистым слоем, чем в лесу (18 против 11 см); в горизонте B больше сизых пятен оглеения. Заболачивание лесосеки выражено сильнее, чем в первой серии.
Влажность почвы на лесосеке выше, чем в лесу, а аэрация соответственно ниже.
Третья серия. Лесосека 30 лет. В почве лесосеки прокраска перегноем настолько возрастает, что самостоятельного подзолистого горизонта в ней нельзя выделить, перегнойно-аккумулятивный горизонт А1 непосредственно переходит в B. Вместо слоя грубого перегноя под лесом на лесосеке имеется неразложившийся моховой покров. Горизонт B на лесосеке еще более оглеен, чем под лесом.
Содержание перегноя в почве под лесом в горизонте А1А2 почти в два раза меньше, чем на «лесосеках в горизонтах A1. В почве лесосеки выше содержание обменных оснований, емкость поглощения, активная реакция менее кислая.
Процентное содержание гумуса (по Тюрину) в лесу и на лесосеках
Исследования показали, что лесосеки сплошной рубки во влажных и сырых типах леса (типы насаждений: сосняк-черничник, сосняк бруснично-черничный, ельник черничный) заболачиваются. Предпосылкой к заболачиванию служит появление избыточного увлажнения почвы на лесосеке, обусловленном упомянутыми выше факторами и подъемом уровня грунтовых вод. Увеличение размеров лесосек способствует заболачиванию. Признаки заболачивания появляются на второй год, иногда на третий. Наибольшее развитие процессы заболачивания на возобновившихся лесосеках имеют место в первые 15—20 лет. Это отрицательно влияет на развитие древостоя. Угнетение выражается в задержке роста в высоту и по диаметру.
Если возобновление прошло в первые 1—3 года, то угнетение и задержка в росте оказывается слабее, к 20—25 годам процесс заболачивания ослабевает, к 50—60 годам признаков заболачивания в напочвенном растительном покрове уже не наблюдается, но в почве еще остаются следы оглеения.