Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Моделирование формирования структуры древностоя монокультур сосны

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гурцев, Александр Иванович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и обзор литературы.

Глава 2. Программа и объект исследований. Методика сбора и интерпретации материала

2.1 Цели и задачи исследования.

2.2 Методика сбора экспериментальных данных.

Глава 3. Методика и алгоритмы построения конкурентной модели

3.1 Модель роста одного дерева.

3.1.1 Описание хода роста в высоту.

3.1.2 Параметры уравнения хода роста в высоту (функция роста

Басса) для одного дерева

3.1.3 Выбор значений параметров уравнения хода роста в высоту для свободнорастущего дерева

3.2 Модель конкуренции между деревьями

3.3 Методика оценки горизонтальной структуры древостоя

Глава 4. Экспериментальная оценка структурной трансформации опытных насаждений сосны

Глава 5. Возрастная динамика структуры и строения древостоя (результаты модельного эксперимента)

5.1 Матричная модель динамики строения древостоя без конкуренции. Марковский процесс

5.2 Модель конкурентного взаимодействия деревьев

5 . 3 Возрастная динамика макропараметров модельного насаждения.

5.3.1 Динамика строения модельного насаждения

5.3.2 Возрастная динамика ранговых переходов

5.3.3 Возрастная динамика горизонтальной структуры

5.4 Оценка влияния густоты в модельном насаждении

Выводы

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Моделирование формирования структуры древностоя монокультур сосны"

Общая характеристика работы. Возрастная динамика популяций древесных пород относится к теме, которая по числу публикаций может стоять на первом месте в лесоводственных исследованиях. Разнообразие точек зрения, методических подходов, целей при изучении динамики популяций наряду с несомненными достоинствами часто имеет огорчительные неудобства. Как правило, предлагаемые разными авторами подходы решения экологических проблем ограничиваются одним уровнем описания природных объектов. При этом возникают затруднения, связанные с использованием результатов для экологических объектов разных иерархических уровней. В диссертационной работе моделируется процесс формирования структуры монокультур сосны как результат частного взаимодействия соседствующих деревьев. Имитация возрастной динамики структуры культур сосны зависела от модели роста одного дерева и модели конкуренции соседствующих деревьев. Также исследовалась возрастная динамика структуры насаждений различной исходной густоты посадки.

Актуальность темы. Влияние конкурентных отношений между деревьями, которые имеют, как бы, частный характер, но которые проявляются на общем фоне возрастной динамики структуры насаждения, еще очень слабо исследовано.

Наряду с фундаментальными аспектами, изучение частных отношений между деревьями и особенностей динамики структуры насаждения, имеет и утилитарное значение для практики лесоводства и лесных культур, поскольку непосредственно связано с выбором способов создания искусственных насаждений и особенностями формирования лесной среды и оценкой ее неоднородности. Значение последнего параметра приобрело заметную актуальность в 90-х годах, являясь одной из важных причин обособления проблемы биоразнообразия при изучении лесных экосистем.

Цель и задачи исследований. Главная цель исследований состояла в моделировании возрастных изменений структуры одновозрастных регулярных древостоев в результате взаимодействия деревьев. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что на примере имитационной модели показана тесная связь между характером взаимодействия деревьев, которые непосредственно соседствуют друг с другом, и динамикой структуры древостоя. Теоретически показано, что характер реакции деревьев на конкурентные отношения со своими соседями, который отражает породные (видовые и родовые) особенности конкурентов, влияет на структуру образуемого ими насаждения.

Последовательное рассмотрение процесса взаимодействия деревьев и его влияния на структурообразовательный процесс позволил в диссертационной работе сформулировать принципы, объединяющие между собой показатели строения древостоя '4 его пространственной структуры. Основываясь на модели развития древостоя, предлагаются новые методические подходы анализа таблиц хода роста (ХР) древостоев.Эти подходы помогают выявить особенности ранговых переходов деревьев на протяжении всей жизни древостоя, а также восстанавливать наиболее вероятный сценарий изменения пространственной структуры одновидовой популяции деревьев.

Практическая значимость работы состоит в том, что показана непосредственная причинно-следственная связь между возрастной динамикой древостоя и взаимодействием деревьев. Это позволяет создавать для древостоев более сложные модели, имеющих важное значение в изучении фундаментальных процессов саморегуляции и структурной организации в популяционной экологии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались в полном объеме на заседаниях ученого совета Института лесоведения РАН.

Публикации: По результатам исследований опубликовано 3 работы. На защиту выносится способ изучения структурной трансформации одновидовых регулярных искусственно созданных насаждений (на примере сосны). Способ основывается на следующих положениях:

- между строением древостоя по размерным классам, горизонтальной структурой, ранговыми переходами деревьев, скоростью изреживания и темпами роста существует тесная связь, в основе которой лежит взаимодействие между деревом и его ближайшим окружением;

- дерево и его ближайшее окружение представляют структурную единицу древостоя, определяющую относительный ранг дерева;

- относительный ранг дерева является ключевой характеристикой, которая позволяет представить динамику популяции не изолированно в рамках одного уровня описания биологических объектов, а осуществляя переход от описания функционирования одного дерева через популяцию к описанию биоценоза.

Заключение Диссертация по теме "Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними", Гурцев, Александр Иванович

Влияние густоты посадки проявляется также в характерном поведении показателей рядов распределения по ступеням высоты. Редкие посадки отличаются от загущенных тем, что в период интенсивной конкуренции значение асимметрии сильно отклоняется в область отрицательных, а показатель эксцесса - в сторону положительных значений. С возрастом различия в рядах распределения сглаживаются (см. рис. 5.4.4 и рис. 5.4.5). ВЫВОДЫ

1. Механизм конкуренции может объяснить широкий спектр явлений, связанных с динамикой структуры древостоев, обычно рассматриваемых в рамках отдельных направлений экологических исследований. К ним относятся: а) строение древостоя по размерным классам/ б) возрастная динамика ранговых переходов деревьев; в) пространственная структура насаждения.

2. Коэффициент конкуренции тесно связан с породными, эколого-физиологическими, адаптационными особенностями роста дерева, что отражается на динамике структуры насаждения.

3. Адаптационные характеристики деревьев могут быть выявлены в результате анализа структуры насаждения, в частности по данным, формализованным в таблицах хсда роста насаждений.

4. Возрастная динамика строения древостоев зависит не только от конкуренции, что находит свое отражение в модифицирующих функциях прироста, а также и от величины текущего прироста. Чем выше прирост, тем сильнее отпад, что было давно отмечено лесоводами, и показатели асимметрии и эксцесса резко снижаются в первые годы жизни древостоя.

5. Динамика ранговых переходов, полученная в модели, подтверждает известные представления об этом процессе. Вместе с тем, основываясь на результатах модельного эксперимента, сформулированы следующие практические рекомендации:

5.1. Среднее дерево может быть удовлетворительно использовано для ретроспективного анализа хода роста всего насаждения. При этом следует учитывать, что оно и прежде было средним с вероятностью, приблизительно равной 0.8 в степени п, где п - число десятков лет.

5.2. Наиболее устойчивыми следует признать деревья не самые крупные, а деревья из интервала 60-80% от самого большого дерева насаждения. Для этих деревьев вероятность сохранения статуса своей группы оказалась наиболее высокой и приблизительно составляла 0.9 за период от 10 до 7 0 лет. Причина такой особенности не вполне понятна и требует дополнительного изучения.

6. Горизонтальная структура, представленная как набор элементарных последовательностей является компактной и вполне достаточной характеристикой для описания древостоя как вероятностной парцелярной структуры. Подобная схема описания естественным образом соединяет механизм взаимодействия деревьев с пространственным размещением деревьев. В свою очередь, пространственная структура насаждения может быть представлена как перколяционная структура кластеров с вытекающими отсюда возможностями для использования в GAP-моделях растительного покрова.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Гурцев, Александр Иванович, Москва

1. Алексеев, В.А. Световой режим леса.//Л., Наука, 1957. 2210.

2. Багинский, В.Ф. О дифференциации деревьев в культурах сосны. // В кн.: Ботаника, Иссл. Белорус. ББО,Наука и техника, Минск. 1972, вып. 14. Стр.54-59.

3. Бигон, М., Харпер, Дж., Таунсенд, К. Экология особи, популяции и сообщества. // М., Мир, 1989. Т.1. 667 С.

4. Бигон, М., Харпер, Дж., Таунсенд, К. Экология особи, популяции и сообщества. // М., Мир, 1989. Т.2. 478 С.

5. Бочаров, М.К., Самойлович, Г.Г. Математические основы дешифрирования аэрофотоснимков леса. // М. Лесн. пром-сть, 1964. Стр. 222.

6. Бу зыкин, А.И., Гавриков, B.JI., Секретенко, О.П., Хлебопрос, Р.Г. Анализ структуры древесных ценозов.// Новосибирск, Наука. 1985. 94 С.

7. Геркис, Г.О. Модель хода роста и первоначальная густота культур сосны. // Автореф. канд. дисс. , 1981. 18 С.

8. Гильдерман, Ю.И. Лекции по высшей математике для биологов.// Новосибирск, Наука Сиб. отд., 1974. 410 С.

9. Грейг-Смит, П. Количественная экология растений.// М. 1966. 359 С.

10. Гулд, X., Тобочник, Я. Компьютерное моделирование в физике: в 2 томах// М., Мир, 1990. Т.2 390С.

11. Гурцев, А.И., Николаев, Д.К. Модель конкуренции и динамика популяции деревьев.// Лесоведение. 1994. 5. С.48-57.

12. Гурцев, А.И., Корзухин, М.Д. Кроновая и корневая конкуренция в линейной посадке сосны.// В.сб.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т.XI. J1. Гидрометеоиздат. 1988. С.206-223.

13. Гусаков,С.В., Фрадкин, А.И. Моделирование на ЭВМ пространственной структуры лесных фитоценозов // АИ БССР, Центр. Бот. Сад. Минск: Навука тэхн1ка. 1990. 112с.

14. Джонсон, Н., Лион, Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных // М., Мир, 1980. 510 С.17.3агреев, В.В. Географические закономерности роста ипродуктивности древостоев. // М., Лесн. Пром-сть, 1978. 240 С.

15. Зайцев, Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике.// М., Наука, 1984. 424 С.

16. Золотухин, Ф.М. Сравнительный анализ роста сосновых молодняков естесственного происхождения.// Лесн. х-во, 1966, 2.С.30-33.

17. Кивисте, А. Функции роста леса в 2-х томах // Тарту, 1988.

18. Колпиков, О.М. Особенности светового режима в биогруппах сосны различной густоты // Лесной ж-л, 1959, 6. С.32-36.

19. Кофман, Г.Б. Рост и форма деревьев.//Новосибирск, Наука, Сиб.отд.,1986. 211С.

20. Кретов, Е.С. Рост культур сосны в зависимости от направления рядов по странам света // В сб.: География центра, 1970, 2. С.19-22.

21. Кузьмичев, В.В. Закономерности роста древостоев.// Новосибирск, Наука, Сиб.отд., 1977. 157 С.

22. Кузьмичев, В.В., Савич, Ю.Н. Влияние густоты посадки на рост сосновых культур// Лесоведение. 1979. 6. С.56-63.2 6.Кулль, К., Кулль, О. Динамическое моделирование роста дерева.// Таллин, Валгус. 1989. 231 С.

23. Лебков, В.Ф. Плотностная структура древесных ценозов сосны// Лесоведение. 1991.№3.С.3-13.2 8.Малкина, И.С. Фотосинтез сосны обыкновенной. //Лесоведение, 4, 1981. С.83-89.2 9.Маслаков, Е.Л. Формирование сосновых молодняков. //М., Лесн. Пром-сть, 1984.

24. Маслаков, Е.Л., Кузнецов, А„Н., Старостин, В.А. Динамика роста и строения культур сосны разной густоты после разреживания.//В сб.: Создание высокопродуктивных лесных культур. Л., 1988, С.39-54

25. Молчанов, А.Г. Экофизиологическое изучение продуктивности древостоев.// М.,Наука, 1983. 135 С.

26. Морозов, Г.Ф. Избранные труды т.1 // М., Лесн. пром-сть, 1970.559 С.

27. Морозов, Г.Ф. Избранные труды т.2 // М., Лесн. пром-сть, 1970.536 С.

28. Носова, A.M. Структура функционирования и динамика искусственных насаждений Центра Русской равнины ( на примере сосновых культур)// Автореф. Докт. Дисс. М., 1992. 86 С.

29. Пигарев Ф.Т. Особенности строения искусственных сосновых молодняков// В кн.: Вопросы лесокультурного дела на Европейском Севере// Архангельск, 1974. Стр.128-136.

30. Пинчук, A.M. Влияние густоты посадки на рост сосны обыкновенной // В кн.: Тр.Ин-та леса и древесины, 1961, 50. С.43-48.

31. Пинчук, A.M. К физиологическому обоснованию густоты культур сосны (на примере Моск. Обл.).// Автореф. канд. дисс., М., 1967. 19 С.

32. Роберте,Ф.С. Дискретные математические модели с приложениями к социальным, биологическим и экономическим задачам // М., Наука, 1986, 495 С.

33. Рубцов, В.И. , Новосельцева, А.И., Попов, В.К., Рубцов, В.В. Биологическая продуктивность сосны в лесостепной зоне. // М., Наука, 1976. 223 С.

34. Свалов, С.Н. Применение статистических методов в лесоводстве.// В кн.: Чуенков, B.C. (Редактор) Лесоведение и лесоводство, т.4. Итоги науки и техники. М.,ВИНИТИ. 1985. 164 С.

35. Сукачев, В.Н. Избранные труды. Т. III// Л., 1975. 543 С.

36. Тимофеев, В.П. Закономерности фориирования сосновых насаждений естественного и искусственного происхождениях).// Лесн. х-во, 1965, 8. С.5-12.

37. Титов, Ю.В. Эффект группы у растений.// JI. Наука. 1978. 151 С.

38. Успенский, В.В. Закономерности роста и продуктивности культур сосны (на примере ЦЧР) // Автореф. докт. дисс. , JI., 1991, 35С.

39. Феллер, В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения: в 2 томах // М., Мир, 1984. Т.1- 528 С.

40. Франс, Дж., Торнли, Дж. Х.М. Математические модели в сельском хозяйстве.// М. Агропромиздат. 1987. 400 С.

41. Цельникер, Ю.Л. Радиационный режим под пологом леса.// М., Наука, 1969. 100 С.

42. Эйтинген, Г.Р. Избранные труды // М., Сельхозиздат, 1962. 500 С.

43. Юодвалькис, А.И. Озолинчюс, Р.В., Лесоводственно-биологические аспекты оптимизации первоначальной густоты сосновых насажденийю// Лесн. х-во, 1987, 9. С.20-22.

44. Bella, I.E. A new competition model for individual trees // For.Sci. 1971. V.17. №3. P. 364-372.

45. Bonan G.B. The size structure of theoretical plant populations: spatial and neighborhood effects // Ecology. 1988.V.69. № 6. P. 1721-1730.

46. Botkin, D.B., Janak, J.F., Wallis, J.R. Some ecological consequences of a computer model of forest growth.// J.Ecol. 1972. V.60. №3. P 849-872.

47. Burrows F.M. Biomass production, structural deformation, self-thinning and thinning mechanisms in monocultures//

48. Phil.Trans.R.Soc. 1991. 333. 1266. P. 119-145.

49. Cannell, M.G.R., Rothery, P., Ford, E.D. Competion within stands of Picea sitchensis and Pinus contorta // Ann. Bot.1984. V.53. №3. P.349-362

50. Ek,A.R., Monserud, R.A. Perfomance and comparison of stand-growth models based on individual-tree and diameter-class growth.// Can.J.For.Res. 1979. V.9. P.232-244.

51. Ford, E.D. Competion and stand structure in some even-aged plant monocultures.// Journal of Tcology. 1975. V.63. №1. P.311-333.

52. Ford, E.D., Diggle, P.J. Competition for light in a plant monoculture modelled as a spatial stochastic process // Ann. Bot., 1981, V.48. №4. P. 481-500.

53. Gates, D.J., Competion and skewness in plantation // J. theor. Biol. 1982. V.94.P. 909-922.

54. Hara, T. Dynamics of stand structure in plant monocultures // J. theor. Biol. 1984. V.110. P.223-239.

55. Hara, T. Growth of individuals in Plant populations // Ann. Bot. 1986.V.57. №1. P. 55-68.

56. Hatch, C.R., Gerrard, D.J., Tappeiner, J.C.,II. Exposed crown surface area: a mathematical index of individual tree growth potential // Can. J. For.Res. 1975.V.5. № 2. P.224-228.

57. Hozumi, К. Studies of the frequence distribution of the weight of individual trees in a forest stand. III. Beta-type distribution. // Jap.J.Ecol. 1971. V.21. P.1-9.

58. Hozumi, K., Shinozaki, K. Studies of the frequence distribution of the weight of individual trees in a forest stand. II. Exponential distribution. // Jap.J.Ecol. 1970. V.20. №l.P.l-9.

59. Hozumi, K., Shinozaki, K., Tadaki, Y. Studies of the frequence distribution of the weight of individual trees in a forest stand. I. A new approach toward the analysis of the power distribution. // Jap.J.Ecol. 1968.V.18. №3. P.10-20.

60. Korzukhin, M.D., Antonovski, M.Ya. Population-level models of forest dynamics. Chapter 13 //In: Shugart,H.H., Leemans, R., Bonan, G.B. (Editors), A system analysis of the global boreal forest. Cambr. Univ. Press, Cambridge. P.334-372.

61. Krajicek, J.E., Brinkman, K.A., Gingrich, S.F. Crown competion -a measure of density // For. Sci. 1961.V.7. №1. P.35-42.

62. Law, R. A model for the dynamics of a plant population containing individuals classified by age and size. // Ecology, 1983.V. 64. №2. P.224-230.

63. Lloyd, F.T., Harms, W.R. An individual stand growth model for mean plant size based on the rule of selfthinning // Ann.

64. Bot.1986.V. 57. P. 681-688.

65. Lonsdale, W.M. The self-thinning rule: dead or alive?// Ecol. 1990.V.71.P.1373-1388.

66. McFadden, G., Oliver C., D. Tree-dimensional forest growth model relating tree size, tree number, and stand age: relation toprevious growth models and to self-thinning // For.Sci., 1988. V. 34. № 3. P 662-676.

67. Moore, A.D. On the maximum growth equation used in forest GAP simulation models.// Ecol. Model1. 1989. V.45. №1. P. 63-67.

68. Smith, S.H. Using competitive stress index to estimate diameter growth for thinned Douglas-fir stands.// For.Sci. 1983. V.29.№ 3. P.491-499.

69. Solomon, A.M., West, D.C. Predicting afforestation success during climatic warming at the northern limit of forest.// In :Alden, J. et al (Editors), Forest Development in Cold Climates// Plenum Press, New York// 1993, P. 167-188.

70. Weller, D.E. The self-thinning rule: dead or unsupported?- a reply to Lonsdale.// Ecol. 1991. V.72. №2. P. 747-750.

71. Wensel, L.C., Meerschaert, W.J., Biging, G.S. Tree height and diameter growth models for northern California conifers.// Hilgardia, 1987. V.55. №8. P. 1-20.

72. Westoby, M. Frequency distributions of plant size during competitive growth of stands: the operationof distribution-modifying functions // Ann. Bot. 1982. V.50. P. 733-735.

73. Westoby, M., Howell, J. Influence of population structure on self-thinning in plant populations. // J. Ecol. 1986. V.74. P. 343-359.

74. Yamakura, Т., Shinozaki, K. Frequency distribution of individual weight, stem diameter and height in plant stands.I. Proposed new distribution density functions derived by using the finite difference method.// Jap.J.Ecol. 1980. V.30. P.307-321.

75. Yamakura, Т., Shinozaki, K. Frequency distribution of individual weight, stem diameter and height in plant stands.II. Properties of the asymmetric type I distribution. // Jap.J.Ecol. 1983. V.33. №1. P.55-69.

76. Yoda,K. ,Kira, T., Ogawa, II., Hozumi,K. Self-thinning in overcrowded pure stands under cultivated and Natural conditions.// Repr. from J. Biol. Osaka city university. 1963, 14. P.107-129.