Методы изучения потенциальной продуктивности по В.С. Чуенкову можно подразделить на три основные группы: лесоводственно-таксационные, лесотипологические и климатологические. Наиболее распространены лесоводственно-таксационные, с помощью которых изучают закономерности строения и роста насаждений, являющееся основой последующего моделирования этих параметров. Итоги многолетних исследований продуктивности лесов обобщены на Всесоюзной конференции по формированию максимально продуктивных эталонных насаждений, которая проводилась в Каунасе в 1979 году. Большинство работ, представленных на конференции выполнено именно лесоводственно-таксационными методами. Эти методы применимы для конкретых условий произрастания, в то время как климатологические методы оценки применимы для крупных территорий. Климатологические методы определения продуктивности основаны на зависимости потенциальной продуктивности от климатологических факторов. Обычно несколько гидротермических показателей климата путём арифметических операций комбинируют в один комплексный показатель, называемый климатическим индексом прироста, который указывают с годичным приростом древостоя. Например, климатический индекс ‘ I ’ Дж. Векка включает в себя осадки ‘ N ’, среднюю температуру воздуха ‘ T ’ и число дней с осадками менее 0,1 мм ‘ n ‘ в течении мая-июля, число дней в году с положительными температурами ‘ Z ‘ и имеет следующий вид:
i = ( N/T+10 * n/92) * (Z-60/100).
С. Патерсон вводит в 1956 году более удобные в использовании средние годовые показатели климата, которые можно найти в климатических справочниках.
I = Tv/Ta * N/1 * G/12 * E/100,
где Tv – средняя температура самого тёплового месяца;
Ta – амплитуда температур самого тёплого и самого холодного
месяцев;
N – годовое количество осадков;
G – продолжительность периода с температурами более +7С;
Е – фактор Миланковича равный Rp/Rs, где:
Rp – суммарная радиация на полюсе;
Rs - суммарная радиация в данном месте.
Индекс Патерсона часто используется в исследовании потенциальной продуктивности лесов.
Годичная продуктивность лесных насаждений определяется путём взятия модельных деревьев, у которых оценивается масса разных фракций (древесина, кора, ветви, листва, генеративные органы, корни).
2.8. Основные экологические и биологические факторы, определяющие продуктивность лесов (на примере лесов севера)
Всестороннее выяснение взаимосвязей и закономерностей роста и развития древесных растений в естественных фитоценозах даёт возможность проектировать и создавать биогеоценозы оптимального состава и структуры, способствующие повышению продуктивности древостоев.
Сосновые и еловые леса наиболее распространенной зеленомошной группы типов леса в условиях северной и средней тайги северо-востока европейской части РФ образуют, как правило, смешанные по составу древостои. Для них характерна невысокая полнота (0,5-0,7), IV, V классы бонитета. В насаждениях естественного происхождения наблюдается большая дифференциация деревьев по возрасту, диаметру и высоте. Эта особенность заметно выражена в еловых фитоценозах. В каждом типе соснового и елового леса создаются характерные эдафические, фитоклиматические условия. В связи с этим из сложного комплекса факторов внешней среды необходимо выявить и дать количественную характеристику тем из них, которые оказывают наиболее существенное прямое и косвенное влияние на жизнедеятельность растений и интенсивность образования органической массы биогеоценоза.
Солнечная радиация является наиболее важным экологическим фактором. Суммарная её величина, поступающая к пологу древостоев северной и средней тайги (390-420 кал/см2*сут), близка к наблюдаемой в южной тайге и даже в зоне широколиственных лесов, что обусловлено продолжительностью светового дня. Следовательно, на севере таежной зоны условия поступления солнечной радиации в течении вегетационного периода не оказывает значительных ограничений на формирование более продуктивных насаждений. Но следует учесть, что малая продолжительность вегетационного периода полностью не компенсируется длительностью дня. Благодаря большим межкроновым просветам в хвойных лесах солнечная радиация хорошо проникает вглубь полога, что приводит к большему прогреванию верхней половины кронового пространства. Это является важной специфической чертой, свойственной лесным биогеоценозам, развивающимся в условиях общего недостатка тепла.
Пропускание солнечной радиации древесным ярусом хвойных фитоценозов северной тайги составляет 29-44%, что в 3-4 раза выше по сравнению с ельниками и сосняками зоны елово-широколиственных лесов. Полог сосняка пропускает суммарную радиацию на 10-15%, а фотосинтетически активной радиации (ФАР) – в 1,5-2 раза больше, чем темнохвойные фитоценозы. Высокая светопроницаемость полога сосновых лесов позволяет такой теневыносливой породе, как ель, успешно расти под пологом сосны. В результате двухъярусные сосново-еловые древостои средней тайги на плакорах значительно больше поглощают солнечную радиацию (80%) и приближаются по этому показателю к ельникам Московской области. Коэффициенты поглощения ФАР сосняками и ельниками зеленомошной группы типов леса северной тайги Коми АССР составляют 0,63 и 0,80, что соответствует данным В.А. Алексеева (1975) для Мурманской и Архангельской областей, где эти показатели равны 0,60 и 0,79.
В северотаёжных лесах остаточное радиационное тепло почти в равной мере используется на суммарное испарение деятельного слоя и на турбулентный теплообмен. Эта особенность хвойных фитоценозов является следствием низких температур воздуха, меньшей интенсивности физиологических процессов, главным образом транспирации. В условиях же Валдая и Московской области основную долю остаточного радиационного тепла составляет расход на суммарное испарение леса.
Один из основных экологических факторов, отрицательно влияющих на рост и развитие древесной растительности, - невысокая температура воздуха, которая определяет прогрев почвы и интенсивность транспирации. Тем самым создается неблагоприятный режим температуры, влажности и аэрации в ризосфере лесных фитоценозов. Период, когда возможны активный рост и накопление органической массы надземными органами древостоев, короткий и составляет 30-40 и 70-80 дней соответственно в северной и средней тайге. В условиях северной тайги по сравнению со средней в дневное время суток в 4 раза чаще наблюдаются температуры воздуха ниже 10С. После весеннего снеготаяния почвы прогреваются медленно. В северной тайге глее-подзолистые почвы сосняка чернично-зеленомошного на глубине 0,2м нагреваются до температуры 5С лишь во второй декаде июня. Температура торфянисто-подзолисто-глееватых почв ельника чернично-зеленомошного на этой глубине достигает той же величины к началу июля. В условиях средней тайги температура подзолистых почв в лесах зеленомошной группы типов леса несколько выше, но они также характеризуются небольшими тепловыми ресурсами. Температурные условия, при которых возможен рост корней, на глубине 0,2м в сосняках наступает к началу июня, а в ельниках – во второй половине июня. Более благоприятный режим для развития древесных растений наблюдается только в самых верхних горизонтах почвы и в течении очень короткого периода. Следовательно, недостаточное прогревание почв препятствует освоению корнями нижней части почвенной толщи, а интенсивность поглощения питательных веществ при низких температурах невелика.
Особенно отрицательно сказываются на жизнедеятельности деревьев ежегодно повторяющиеся резкие похолодания в разгар вегетационного периода (обычно в июне), связанные с поступлением арктических воздушных масс. В эти периоды минимальная температура воздуха в ночные часы в кроновом пространстве может опускаться в северной тайге до –2-4С, а верхнего корнеобитаемого слоя почвы – до –0,5-1,0С. В средней тайге обычно понижение температур воздуха в кронах отмечается до 2-4С, а в верхнем корнеобитаемом горизонте почвы – до 1,5-2С. Такие температурные условия вызывают резкое снижение прироста, а в отдельные годы даже полную приостановку ростовых процессов надземных и подземных органов древесных растений. Особенно сильно резкие перепады температур сказываются на жизнеспособности ели, вызывая массовое отмирание молодых побегов.
Почвы лесных фитоценозов данной группы типов леса очень кислые, не насыщены основаниями. Бедны элементами питания и оглеены. Формирование их в лесных фитоценозах исследуемого региона происходит в условиях повышенной влажности. Влаги в почве достаточно для поддержания жизнедеятельности растений, а в отдельные годы, особенно в условиях северной подзоны тайги, избыток её угнетает ростовые процессы деревьев. В ельниках зеленомошных умеренно влажными были органогенный слой и подзолистый горизонт. Вниз по профилю, начиная с глубины 20см, почва во все сроки наблюдений находилась в состоянии переувлажнения, что приводит к нарушению её кислородного режима и снижению биологической активности почвы, также наблюдаются негативные отклонения в энергетике, синтетической деятельности и обмене веществ корневых систем. Все перечисленные нарушения в почве и метаболизме корней в условиях избыточного увлажнения отрицательно сказываются на росте и развитии корневых систем древесных растений севера.