Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Моделирование комплексной продуктивности культур сосны Цнинского лесного массива Тамбовской области

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Моделирование комплексной продуктивности культур сосны Цнинского лесного массива Тамбовской области"



На правах рукописи

МИРОНЕНКО Алексей Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ КУЛЬТУР сосны ЦНИНСКОГО ЛЕСНОГО МАССИВА ТАМБОВСКОЙ ОБЛАСТИ

06.03.02 - Лесоустройство и лесная таксация.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Брянск - 1998

Работа выполнена в Воронежской государственной лесотехнической академии.

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик Международной академии наук Высшей Школы Успенский В.В.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор, академик Международной инженерной академии наук и Международной академии наук Высшей школы Мурахтанов Е.С.

Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Глушенков И. С.

Ведущая организация - Госпредприятие «Воронежлеспроект». Защита состоится 18 ноября 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 064.08.01 в Брянской государственной инженерно-технологической академии по адресу: 241037, г. Брянск, пр. Димитрова, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянской государственной инженерно-технологической академии. Автореферат разослан «/£» октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Шошин В.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последнее время традиционные формы лесопользования лесной продукцией уступают место комплексному эколого-зкономнческому и социальному использованию лесов как. в растущем, так и в срубленном виде. Поэтому, на первый план современного лесного хозяйства малолесной зоны выдвигается комплексная оценка лесных ресурсов, в том числе и количественная таксация-экологических функций лесных экосистем.

Подобный спектр проблем довольно детально разработан на примере древостоев естественного происхождения. В культурах, особенно старших возрастов, таких исследований проведено недостаточно. Это обстоятельство делает настоящее исследование чрезвычайно актуальным.

Растущее требование к точности и оперативности оценки лесных биогеоценозов, в связи с внедрением в отрасль рыночных отношений, требует перехода к количественной оценке общей фитомассы насаждений на основе системного подхода и применения математико-статистических методов.

Работа выполнена на примере культур сосны Тамбовской области, некоторые из которых достигли 150-летнего возраста. Исследование проводилось в 1994-1998 г.г. как составная часть НИР Воронежской государственной лесотехнической академии и Министерства общего и профессионального образования РФ: грант "Разработка нормативно-справочной базы дом оценки продуктивности лесов" (per. N 01.9.50000874).

Цель н задачи исследования. Цель работы заключается в моделирование роста и продуктивности культур сосны Цнинского лесного массива Тамбовской области и разработка нормативов для комплексной оценки лесных ресурсов. При этом решались следующие задачи:

• Выявить и изучить особенности роста и состояния модальных сосняков искусственного происхождения;

• Установить возможности применения сплайн-функции для моделирования запаса стволовой древесины, распределения фитомассы по возрастным слоям кроны;

• Исследовать взаимосвязи между компонентами фитомассы и таксационными показателями деревьев и древостоев;

• Дать количественную оценку некоторых экологических функций исследуемых насаждений: депонирование углерода, кислородопродуктив-ность, теплотворная способность;

• Разработать математические модели и справочно-пормативный материал в форме эскизов таблиц хода роста для культур сосны, сортиментных таблиц, нормативов для учета фитомассы крон и экологических функций.

Научная новизна заключается в том, что впервые возраст исследуемых культур сосны в регионе доведен до 150 лет, что представляет большой научный и практический интерес. Дана оценка применения сплайн-функции с изменяющимся узлом в процессе моделирования образующей древесного ствола с последующим построением объемных и сортиментных таблиц, а также возрастной динамики насаждений. Приведены количественные придержки по таксации экологических функций сосняков.

Достоверность результатов определяется использованием большого репрезентативного экспериментального материала. Применением при его обработке и систематизации методов математической статистики и аппарата математического моделирования. Адекватность регрессионных моделей подтверждается статистическими критериями.

Практическая значимость определяется уникальными объектами исследования - культурами сосны до 150 лет, разработкой серии справочно-нормативных материалов для таксашш фитомассы отдельного дерева и насаждения. Результаты исследования направлены на повышение продуктивности лесов Центрально-Черноземного района, могут быть полезны при реализации эколого-лесоводственных программ федерального и локального уровня. Создание банков данных по фитомассе лесов в перспективе позволит перейти на комплексное освоение лесов и проектирование при лесоустройстве многоцелевого лесопользования. Последнее будет способствовать внедрению рыночных отношений в лесное хозяйство, облегчит расчет платы при аренде участков лесного фонда.

Апробация результатов исследований и публпкапнн. Основные положения диссертации изложены на научных конференциях ВГЛТА в 1993-1997 г.г., на Всероссийской конференции «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого лесопользования» (1995), на международной научно-технической конференции «Генетика и селекция на службе леса» (1996). Всего опубликовано 5 научных работ.

Личный вклад автора. В течение 1993-1996 г.г. исследование выполнялось автором при обучении в аспирантуре. Автором разработана программа и методика работы, осуществлен сбор и обработка экспериментального материала. Составлены программы по моделированию роста древостоев для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений общим объемом 200 страниц, в том числе, таблиц 41, рисунков 9. Список литературы включает 147 наименований, в том числе 15 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние вопроса

На основании литературных данных (Тюрин, 1945; Антанайтис, 1976; Карманова, 1976; Карманова, Абрамов, 1990; Горский, 1962, J967; Дракин и Вуевский, 1940; В.Ф. Лебков, 1965; В.В. Загреев, 1974, 1973; Мошкалев, 1975; Никитин, 1966; Свалов, 1969, 1972; Атрощенко, 1982, 1990; Кишенков Ф.В., Глушенков И.С., Хильми, 1976; Кофман, 1986; Кивисте, 1988; Бапшский, 1986; Лосицкий, Чуснков, 1980; Гетман, Успенский, 1998; В.В. Кузмичев, 1977; Усольцев, 1985; Munro, ¡974; Assman, Franz, 1965; Dekonnt, Zcmoine, 1969; Cuntís, 1967; Halaj, Panek, 1979 и др.) показаны подходы в моделировании роста и продуктивности лесных экосистем как в России, так и за рубежом. Изложены направления и порядок подбора математических моделей, наиболее часто применяемых в практике лесного хозяйства. Отмечаются особенности, преимущества и недостатки некоторых из них (Мнтчерлиха, Теразаки, Корсуня, Вейбулла, Хильми и др.).

Большое внимание уделено анализу материалов по исследованию древесной, биологической и экологической продуктивности насаждений (Поздняков, Протопопов, Горбатенко, 1969; Семечкина, 1978; Смирнов, 1971; Молчанов, 1971; Уткин, 1970, 1981; Усольцев, 1985, 1988; Усольцев, Кричун, 1982; Мурахтанов, Бузыкин, 1977). Приводятся сведения о возможности математического описания процессов накопления фитомассы древостоев и насаждений с возрастом.

Особенности роста и продуктивности сосняков искусственного происхождения проанализированы в зоне интенсивного лесного хозяйства: в России, Беларуси, на Украине (Науменко, 1960; Рубцов, 1964; Моисеев, 1976; Попов, Успенский, 1974; Бапшский, 1974; Сиротки;;,

1982; Кожевников, 1985; Никитин, 1976; Савич, 1961; Швиденко, 1978 и эр.).

Анализ литературных данных показал, что в настоящее время накоплен значительный материал по оценке биопродуктивности древостоев естественного происхождения. Богат опыт и по моделированию их роста и продуктивности. В меньшей степени изучены в этом направлении культуры. Практически отсутствуют сведения о комплексной продуктивности сосняков искусственного происхождения, особенно в группах возраста спелых и приспевающих. Невелик опыт по оценке их экологических функций. Исходя из этого, была составлена программа исследования и разработана методика работ.

2. Программа, методика сбора, обработки материала и его характеристика

Программой исследования предусматривалось подбор опытных объектов на территории Тамбовской области, в том числе поиски старейших посадок сосны - «киселевских» - в архивах С.- Петербурга и Тамбова. Изучены технологии создания посадок в течении Х1Х-ХХ веков. В дальнейшем проводилось реногносцировочное обследование выявленных участков сосны, подбор и закладка пробных площадей, их обработка, анализ полученных данных и их систематизация методами математического .моделирования, построения многомерных регрессионных моделей.

В соответствии с методикой работ, закладка пробных площадей проводилась согласно нормативной документации (ГОСТ 9564, инструкция по устройству лесов СССР, 1985 г., ч.1). Дополнительно проводилось картирование деревьев, подбор и рубка модельных деревьев с учетом рекомендаций A.A. Молчанова и В.В. Смирнова (1967 г.), М.Г. Семечки ной (1978 г.), В.А. Усольцева (1985 г.), В.В. Успенского (1996 г.).

Анализ почвенных образцов выполнен в почвенной лаборатории Тамбовского Управления лесами. Определение плотности древесины ствола и сучьев выполнен по методическим разработкам О.Н. Полубояринова (1976 г.). При оценке углерододепонирующих и кислородопроизводящих функций использованы рекомендации C.B. Белова (1964 г.), A.C. Исаева (1994), А.Ф. Лебкова, Н.Ф. Каплиной (1995 г.), В.В. Протопопова (1975 г.), А.И. Чернодубова, Р.И. Дерюжкина (2990 г.).

Обработка и систематизация собранного материала, а также использование множественного регрессивного аналша произведена по программам STADIA, STATGRAFICS, СУБД FoxPro в операциошюй системе MS DOS на компьютерах типа IBM AT.

Общий объем собранного экспериментального материала составил:

1. Рекогносцировочное обследование участков культур сосны старших возрастов в наиболее распространешгых лесорастигельных условиях Цнинского лесного массива Тамбовской области на площади 1215 га.

2. Подбор и закладка пробных площадей временного и постоянного типа - 40 штук.

3. Рубка, обмер, раскряжевка модельных деревьев на фракции фитомассы и сортименты в соответствии с действующими ТУ и ГОСТ-218 шт.

4. Выполнено сплошное картирование деревьев на 4 пробных площадях в 120-летнем сосняке.

5. Проведен физико-химический анализ почв по генетическим горизонтам - 20 образцов.

6. Использовано для обработки экспериментального материала 8 программ для ЭВМ.

3. Моделирование образующей древесной ствола методом сплайн - функции

В основу моделирования образующей древесного ствола положена сплайн-функция с изменяющимся узлом. Основная идея применения этой функции заключается в разделении поля экспериментальных данных на 2 01резка, в каждом из которых, зависимость аппроксимируется полиномом 3-й степени. «Гладкая» стыковка отдельных отрезков обеспечивается совпадением их первых и вторых производных. В общем виде сплайн-функция имеет вид (1. НпккЧгку, 1981 г.):

П/2 = + Ы, + Ы/* Ы/3 + Ь4(Ь, - со)3-

где Б - диаметр дерева, см;

1л - высоты от комля, м;

Ь0,...,Ь4 - линейные параметры функции;

Со - нелинейный параметр (точка соединения 2-х парабол).

Специально разработшшая нами компьютерная программа предусматривает следующие этапы анализа роста древесного ствола.

- ввод матрицы наблюдений в базу данных;

- автоматизированное построение графика роста в высоту VI вычисление высот по 10-летним возрастным периодам методом табулировашм сплайн -функции;

- аппроксимация исходных значений полудиаметров (р/2) от высоты расположения сплайн-функцией и вычисление объема ствола по возрастным периодам методом итерирования образующей. Очевидна высокая точность аппроксимации методом сплайн-функции: Я2 = 0,999; Б = 780.

£/ - со, если Ь, > со

0, если Ь,< со

В дачънейшем были построены таблицы объемов древесных стволов культур сосны через высоты, диаметры ствола, а также уравнение сбега образующей, рассчитанное методом сплайн-функции. Предварительные видовые числа были выравнены с помощью все той же модели.

Рекомендуемые сортименгные таблицы отвечают требованиям, предъявляемым к ним современным лесным хозяйством России (Мошкалев и др., 1978 г.). В них для двух разрядов высот приводятся объемные и весовые показатели ствола, деловой древесины по категориям крупности и дров. Данные о качестве стволовой древесины дополнены сведениями о выходе го кроны древесной зелени, ветвей различной толщины, общей фигомассы (табл. 1.).

Таблица 1

Сортименгные таблицы для стволов сосны I разряда высот (выдержки)

Ступени толщины, см . Обьем мз Выход деловой древесины, м^/кг 1 з &

Средняя высота, м масса, кг « & « и 1 & >х о X 5 2 Итого § Ь И я В и Й о В т „ о о а 1« « " оп а ~ : ь Б т О л 1 8 а 8 а & 5 еа 2 2 § £ о л с-

12 15.0 0.0867 35.7 - 0.0185 7.8 0.0487 20.6 0.0672 28.4 0.0069 2.9 0.0741 31.3 0.0126 4.4 0.007 3.0 0.025 10.5

20 222 0.3236 136.9 - 0.2075 87.8 0.0692 29.3 0.2767 117.1 0.0146 6.2 0.2913 123.3 0.0324 13.6 0.023 24.2 0.1090 46.1

28 27.0 0.7315 309.4 0.023 9.7 0.5434 229.9 0.0884 37.4 0.6547 276.9 0.0146 6.2 0.6693 283.1 0.0695 26.3 0.087 37.0 0.1617 68.4

36 30.0 1.3099 554.1 0.326 136.9 0.7469 315.9 0.1126 47.6 1.1855 501.5 0.0262 11.1 1.2117 512.6 0.0982 41.5 0.175 57.0 0.2402 101.6

44 31.5 2.0308 859.0 0.674 285.3 1.0626 449.5 0.1109 46.9 1.8480 781.7 0.0508 21.5 1.8988 803.2 0.1320 55.8 нд ВД

52 32.0 2.8679 1213.1 2.091 884.4 0.2323 98.3 - 2.5811 1091.7 0.1004 42.5 2.6815 1134.2 0.1864 78.8 нд нд

56 32.2 3.3389 1412.4 2.596 1098 0.4052 171.4 - 3.0017 1269.7 0.2269 49.4 3.1186 1319.2 0.2204 93.2 нд НД

Полученные результаты в этом направлении довольно редки. Они позволяют более детально оценить растущий лес на корню, что имеет

практическое значение при организации лесных аукционов, торгов, сдаче участков лесного фонда в аренду.

4. Моделирование хода роста сосновых культур

Как показывают исследования, сплайн-функция может быть с успехом применена в процессе моделирования роста и продуктивности насаждений. Апроб1фование функции было осуществлено на материале таблиц хода роста сосняков Архангельской губернии, составленных В.И. Левиным и отражающим рост исследуемых древостоев с 30 до 300 лет. В качестве контроля (в соответствии с рекомендациями ВНИИЛМА) использована функция Митчерлиха. Результаты сопоставления точности функций приводятся в таблице 2.

Таблица 2

Сопоставление ошибок аппроксимации функций

Ошибки Таксационные показатели

Высота Диаметр Число стволов Площадь поперечн. сечения Запас

Функция Митчерлиха

Стандартная 0,3587 0,220 23,4169 7,0891 63,7504

Систематическая 0,03443 0,342 -0,2184 -4,0785 -6,5863

Сплайн-функция

Стандартная 0,0488 0,1529 20,1235 0,4406 6,7462

Систематическая 0,0025 0,0241 0,3969 0,0135 -0,0090

Как видно из таблицы 2, сплайн-функция по всем показателям превосходит функцию Митчерлиха. Кроме того, функция Митчерлиха является асимптоматичной и не позволяет моделировать динамику древостоев после возраста естественной спелости. Сплайн-функция лишена

этих недостатков. Автором построен эскиз таблиц хода роста старовозрастных культур сосны (от 50 до 150 лет) Тамбовской области в ТЛУ В;. При этом использованы следующие конкретные математические модели: Н=0.763 06А-0.0079А2+0.00003А3-0.0003(А-73)3+ log (D) = 0,4559 + 0,0391 log2 (А) + 0,6432 log (Н); log (М) = 2,313 + 0,2189 log (А) + 0,8584 log (Н);

HF = 2,668 +0,3608 Н. Построенные таблицы характеризуют рост культур сосны в Тамбовской области с первоначальной густотой посадки 6-8 тыс. гит. на 1 га. Лесоводственный уход слабой и средней интенсивности по низовому методу осуществлялся систематически в размерах равных потенциальному отпаду, или несколько выше его.

5. Биопродуктивность деревьев и древостоев сосны в динамике Получение сведений о биопродукционном процессе дерева и древостоя связано с моделированием вертикально-фракционного распределения фитомассы, что определяет, в конечном итоге, оптимальную структуру насаждений, способ и интенсивность рубок ухода в культурах. Работа выполнялась в 120-150-летних сосняках. Выполнено сплошное картирование деревьев на 4 пробах общей площадью 1,9 га На срубленных модельных деревьях определено 10 признаков размерного и физиологического характера, в том числе количества ветвей по рангам толщины, их протяженность и диаметр у основания ветви, масса охвоенных и неохвоенных побегов, общая фитомасса хвои. Определена динамика длины ветвей их толщины, масса хвои с учетом возраста и диаметра дерева по трем выделенным секциям кроны.

Наиболее тесную связь масса кроны дала с высотой секции над уровнем земной поверхности по уравнению полинома второй степени: У = 0,82 х2 - 29,86 х + 276,77;

Систематическая ошибка - 0,21 кг, случайная - 36,84 кг.

На основании пошаговой регрессии решен вопрос об обоснованности включения коэффициентов регрессии в аллометрическую модель, которая в окончательном виде представляет уравнение массы кроны (Р^, кг):

р „ д-0.5876 £^1.1148 ^ -0.2996

при Я2 = 0,98 иР = 584,9

В итоге были разработаны нормативы для таксации древесной зелени, сучьев до 3 и более 3 см толщиной, общей массы кроны применительно к исследуемым древостоям.

Динамика фитопродуктивности древостоев в настоящее время оценивается по разным направлениям: биофизическая (Протопопов), для выявления закономерностей формирования лесных сообществ (Молчанов, Уткин), при моделировании и прогнозировании биологической продуктивности посредством функциональных связей (Усольцев), для разработки справочно-нормативной базы (Успенский). При этом применяются самые различные математические модели.

Для моделирования динамики фитопродуктивности нами

У

использовалась многофакторная регрессионная модель. При этом наибольшие ошибки на 1 га для отдельных фракций составили: для массы корней - 163 кг; древесной зелени - 120 кг; для сучьев - 153 кг. Затем была поставлена задача совмещения обычных эскизов таблиц хода роста с данными по фитопродуктивности древостоев.

При этом использовалась рекуррентная система (Усольцев, 1982,1985):

I. Р, / М = Г (А, Нюо, N. РСр);

I Г а)М =ПА,Нщо);

II. ^ б)Ы =Г(А,Н100);

I в) Оср = Г (А, Нюо).

Полученные данные фитомассы древостоев в зависимости от возраста представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Эскиз таблиц продуктивности фитомассы модальных

культур сосны Тамбовской области

А, лет Н, м Б, см N. Ю, ....... 3 М, м Масса, ц/га

шт м /га древ, зелени сучьев корней

1а бонитет

50 22.8 21.4 889 31.96 348 239 285 980

60 24.6 23.8 754 33.54 387 243 294 953

70 26.2 26.1 653 34.90 423 242 296 919 1

80 27.6 28.2 577 36.02 455 237 293 878

90 28.9 30.3 515 37.13 485 230 289 837

100 30.1 32.6 465 38.06 515 1 222 285 798

110 31.1 34.1 426 38.88 540 208 276 756

120 32.1 36.0 390 39.72 566 205 272 720

130 33.0 37.7 363 40.49 590 196 263 681

140 33.8 39.4 338 41.16 612 188 257 645

150 34.5 41.5 309 41.80 632 188 250 Гб14

I бонитет

50 21.2 20.5 960 31.67 327 229 279 904

60 23.0 23.8 748 33.27 365 249 287 903

70 24.7 25.1 702 34.71 402 235 286 859

80 26.2 27.3 613 35.89 1435 232 282 828

90 27.5 29.3 548 36.93 465 225 276 792

100 28.8 31.4 490 37.90 495 218 271 759

110 29.9- 33.3 445 38.78 522 210 265 ^724

120 31.0 35.2 407 39.64 549 202 "259 692

130 32.0 37.0 376 40.39 574 194 252 659

140 32.9 38.8 348 41.13 598 187 249 628

150 32.8 40.5 325 41.79 621 180 242 597

6. Экологические функции старовозрастных культур сосны

Глобальная роль лесных экосистем сводится к выполнению ими экологических функций: прежде всего, поглощение СОг, его консервагцш и

выделение 02. На локальном уровне первостепенным является водоохранная, полепочвозащитная, санитарно-гигиеническая роль леса. Эти «невесомые» полезности леса трудно поддаются количественному учету. Тем не менее, в последние годы в России и за рубежом выполнено ряд методических разработок и количественно оценена углерододелонир угощая функция леса (Исаев и др., 1993 г.; Кобан, Кольчугина, Винсон, 3994 г., Уткин и др., 1995 г.; Лебков, Кашина, 1996 г. и др.).

На примере старовозрастных культур сосны Тамбовской области прокедены расчеты по динамике фитомассы и запаса углерода. Данные представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Фитомасса и запас углерода в культурах сосны I бонитета

Масса, сыр.т/га Итого а Удержано С02 за весь период, т/га

1 | Возраст, лет ствола ветвей корней сыр. т/га сух. т/га Запас углерода, т/га Удержано С02 з 10 лет, т/га Кумулятивный прирост, т/га |

50 124.3 27.9 90.4 242.6 121.3 63.1 631 - -

60 151.1 28.7 90.3 270.1 135.0 70.2 702 1333 22.2

70 176.9 28.6 85.9 291.4 145.7 75.8 758 2091 29.9

80 195.3 28.2 82.8 306.3 153.2 79.7 797 2888 36.1

90 212.9 27.6 79.2 319.7 159.9 83.1 831 3719 41.3

100 227.7 27.1 75.9 330.7 165.4 85.8 858 4577 45.8

110 243.8 26.5 72.4 342.7 171.4 89.1 891 5468 49.3

120 254.7 25.9 69.2 349.8 174.9 90.9 909 6377 53.1

130 264.0 25.2 65.9 355.1 177.9 92.4 924 7301 56.2

140 273.3 24.9 62.8 361 180.5 93.8 938 8239 58.9

150 283.8 24.2 59.7 367.7 183.9 95.6 956 9195 61.3

Максимальное количество углерода (табл. 4) депонируется сосновыми древостоями к возрасту 150 лет. И, видимо, это еще не предел. Вероятно углерододепонирующая спелость исследуемых древостоев наступит около 200 лет, что на 40 лет больше общепринятых лесоустройством возрастов естественной спелости для сосновых лесов.

Для распространения полученных сведений на значительные лесные территории, необходимо проведение дальнейших исследований, поскольку полученные данные отражают не столько современное состояние углеродного баланса, сколько усредненные показатели за некоторый эмпирический период. Поэтому их можно считать начальным этапом инвентаризации углеродного цикла. Следующий шаг предусматривает совместное изучение продукционного процесса и газообмена в сосновых лесах. Последнее связано с энергетическим значением древесины.

На основании данных о теплотворной способности древесины различных пород, было рассчитано содержание энергии, аккумулированной в фитомассе культур сосны. По данным М. Jensen (1995) 1 кг абсолютно сухой фигомассы эквивалентен по энергетической ценности 0,5 кг мазута или 0,313 кг топливного газа. Учитывалась и каллометрическая ценность бензина, нефти, газа. В итоге было установлено, что 1 га 100-летних культур сосны по количеству аккумулированной энергии приравнивается к 81 т бензина, 87 т очищенной нефти и 105 т газа.

Согласно сложившимся мировым ценам на энергетическое сырье, стоимость фитомассы и альтернативных источников энергосырья находится в следующем соотношении:

Возраст сосны, лет Стоимость, доллар США

Фитомасса с 1 га Нефть Газ

50 10480 19725 19470

100 13980 26325 26010

150 15163 28550 28230

Преимущество использования энергии фитомассы лесов заключается в ее возобновляемое™

Заключение

1. В лесном фонде Тамбовской области 135,5 тыс.га или 46% приходится на сосну, в том числе 106 тыс.га или 78% -искусственного происхождения. Старейшие и наиболее ценные из них древостой созданы в середине прошлого столетия (1843-1861 г.г.) в соответствии с программой Министерства Государственных имуществ (министр, граф П.Д. Киселев). «Киселевские» культуры достигли 130-150 лет и являются памятниками отечественного лесокультурного дела, они отличаются высокой продуктивностью (в 2-3 раза превосходят запасы средних по области сосняков в одинаковых лесорастительных условиях в возрасте 80-150 лет). Недостаточная изученность древостоев лесокультурного происхождения послужила основанием для исследования культур сосны старше 50 лет.

2. В процессе работы доказана возможность широкого применения сплайн-функции с изменяющимися узлом при моделировании образующей древесного ствола и построении объемных и сортиментяых таблиц, выявлены взаимосвязи таксационных и биометрических показателей, при построении эскизов таблиц хода роста по фракциям фитомассы до 150 лет, что осуществлено впервые в Центрально-Черноземном регионе.

3. Установлены основные факторы, определяющие фитомассу отдельных фракций древостоев на единице площади. Приведены закономерности возрастной динамики древесной зелени, сучьев и ветвей различных размеров, пнево-корневой древесины.

4. Доказана целесообразность использования имитационных моделей при определении особенностей динамики биопродуктивности культур сосны. Подтверждено, что рекуррентный принцип позволяет на основании системного подхода разрабатывать гибкие и универсальные регрессии фитомассы с соответствующими таксационными нормативами.

5. Старовозрастные культуры сосны являются важным экологическим фактором. Количественная оценка показала, что в 150 лег они успешно депонируют углекислоты в количестве более 500 т на 1 га. Энергетическая оценка сосновых плантаций свидетельствует о том, что фитомасса с 1 га, достигающая 187,2 т на 1 га содержит 931320 мегакалорий тепла и эквивалентна 88,7 т бензина, 941 т нефти и 114,2 т топливного газа.

На основании полученных результатов исследования, для практических целей в процессе таксации и устройства лесов рекомендуется следующее:

1. Программы для расчета фитомассы на пробных площадях и программы расчета параметров сплайн-функции при моделировании образующей ствола.

2. Регрессионные уравнения и, составленные на их основе, таблицы объемов стволов и сортиментные таблицы с оценкой продукции, получаемой не только из стволов, но и из кроны культур сосны.

3. Эскизы таблиц хода роста, совмещенные на основе рекуррентной системы с показателями биологической и экологической продуктивности насаждений.

4. Нормативы для таксации выхода фракций фитомассы кроны культур сосны с 50 до 150 лет.

5. Количественная оценка углерододепонирующих функций, кислородопродукгивности и теплотворной ценности объектов исследования.

6. «Киселевские» культуры в возрасте 130-150 лет рекомендуются в качестве эталонных насаждений и образцов для ведения лесного хозяйства не только Тамбовской области, но и всего Центральночерноземного региона.

Основное содержат« диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Моделирование динамики сосновых древостоев с использованием сплайн-фуикции // Лесной журнал. - 1994.- N4. - С.66-69. (В соавторстве с Успенским В.В.).

2. Моделирование продуктивности сосновых древостоев методом сплайн-функции // Лесотехническое образование и наука на рубеже XXI века: современное состояние, проблемы и перспективы. Тез. докл. Междунар. конф. - Львов: УГЛУ. - 1995,15 е..

3. Моделирование фитомассы крон сосны на основе множественной регрессии // Комплексная продукт, лесов и орг. многоцелевого (г.гаогопродукг. ) лесопользования: Тез. докл. Всероссийск. конф. -Воронеж: ВГЛТА, 1995 г. -С.51-52.

4. Нормативы для таксации комплексной продуктивности культур сосны Цнинского массива Тамбовской области.// Грант N 01.9.50000874,- С.-Петербург. 1994 г.- 120 с. (В соавторстве с Успенским В.В.).

5. Количественная оценка экологических функций сосняков Тамбовской области // Генетика и селекция - на службе лесу: Тез. докл. Междунар. научно-практической конф. - Воронеж: НИНЛГиС, ТОО «Родная речь», 1996 г.- 35 с. (В соавторстве с Успенским В.В.).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просьба направлять по адресу: 241037, г. Брянск, пр. Станке Димитрова, 3 Инженерно-технологическая академия, Ученому секретарю диссертационного совета.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Мироненко, Алексей Викторович, Воронеж

/ ,

/

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МЙРОНЕНКО Алексей Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ КУЛЬТУР СОСНЫ ЦШШСКОГО ЛЕСНОГО МАССИВА ТАМБОВСКОЙ ОБЛАСТИ Специальность 06.03.02 «Лесоустройство и лесная таксация»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.В. УСПЕНСКИЙ

ВОРОНЕЖ -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ........................................................................8

1.1. Основные подходы в моделировании лесных экосистем .................8

1.2. Опыт по моделированию хода роста древостоев в России и

за рубежом...........................................................................................10

1.3. Исследования биологической продуктивности насаждений............23

1.4. Особенности и тенденции учета комплексной продуктивности лесов.....................................................................................................29

2. ОБЪЕКТЫ, ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ...........35

2.1. Объекты исследований......................................................................35

2.2. Программа работ.................................................................................50

2.3. Методика исследований......................................................................51

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗУЮЩЕЙ ДРЕВЕСНОГО СТВОЛА МЕТОДОМ СПЛАЙН-ФУНКЦИИ...........................................................61

3.1. Уравнение образующей древесного ствола......................................61

3.2. Анализ древесного ствола с использованием сплайн-функции........65

3.3. Построение объемных и сорта ментных таблиц................................ .69

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ХОДА РОСТА СОСНОВЫХ КУЛЬТУР..............78

4.1. Обоснование выбора функции роста................................................78

4.2. Таблицы хода роста сосновых культур............................................84

5. БИОПРОДУКТИВНОСТЬ ДЕРЕВЬЕВ И ДРЕВОСТОЕВ СОСНЫ

В ДИНАМИКЕ.........................................................................................91

5.1. Вертикальная структура полога сосны.............................................91

5.2. Многомерная оценка фитомассы деревьев сосны............................96

5.3. Динамика биопродуктивности модальных древостоев сосны.......105

6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКТ ЩИ КУЛЬТУР СОСНЫ ....................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................127

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................140

Приложение 1...................................................................141

Приложение 2...................................................................163

Приложение 3.................................................................. Л 69

Приложение 4...................................................................170

Приложение 5...................................................................184

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: обусловлена необходимостью проведения исследований, направленных на решение важной экологической задачи - определение биологической продуктивности лесных экосистем и прогнозирование лесного продукционного процесса. В последнее время традиционные формы использования лесной продукции уступают место экологическим функциям леса. В связи с чем создание банков данных о фитомассе лесных экосистем, депонировании ими углерода, биоэнергетике может служить отправным этапом при решении задач, обеспечивающих мониторинг лесных экосистем. При этом осуществление прогнозирования продукционного процесса на основе моделирования динамики фитомассы древостоев помимо теоретического имеет большое практическое значение. Возросшие практические требования к точности оценки состояния лесных биогеоценозов в плане экологического прогнозирования обуславливают необходимость перехода от описательных к количественным методам анализа, системному подходу, выявлению и комплексному учету основных факторов, определяющих структуру и динамику фитомассы древостоев. При этом модели, отражающие закономерности роста только древесины, представляются недостаточными. В связи с их низкой информативной способностью, такие модели перспективно дополнять сведениями о динамике фитомассы других фракций древостоев и компонентов лесных экосистем. В диссертационной работе последовательно решаются вопросы состояния и комплексной биопродуктивности старовозрастных сосновых культур. Актуальность исследований такого рода связана в первую очередь с разработкой экологофи-зиологических моделей.

Цель работы: заключалась в моделировании роста продуктивности состояния старовозрастных сосновых культур Цнинского лесного массива Тамбовской области, разработке нормативов для комплексной оценки лесных ресурсов на основе установленных моделей и зависимостей. При этом решались следующие задачи:

- изучить особенности роста и состояния старовозрастных модальных сосновых древостоев искусственного происхождения;

- установить закономерности хода роста сосновых культур; апробировать возможности применения сплайн-функции для моделирования хода роста древостоев с разработкой на ее основе нормативно-справочных материалов для таксации и организации хозяйства в искусственно созданных сосновых древо-стоях;

- изучить зависимости массы крон сосны от дендрометрических показателей и закономерности распределения фитомассы по возрастным слоям кроны и разработать нормативы для учета фитомассы крон;

- исследовать взаимосвязи между компонентами фитомассы и таксационными показателями, разработать регрессионные модели и эскизы таблиц биологической продуктивности сосняков Цнинского массива;

- дать количественную оценку экологическим функциям старовозрастных сосновых культур: депонирование углерода, кислородопродуктивность, теплотворная способность, с последующей разработкой нормативно-справочной базы для их учета и практического использования.

Научная новизна заключается в том, что впервые для данного региона исследований изучены уникальные, известные в литературе как «киселевские», старовозрастные (до 150 лет) модальные культуры сосны, представляющие большой научный и практический интерес, а также предложено развитие методических подходов к исследованию биологической продуктивности насаждений, в результате чего:

- дана оценка возможностям применения сплайн-функции при моделировании биопродуктивности древостоев;

- на основе сплайн-функции с изменяющимся узлом получены модельные уравнения роста, построены алгоритмы их расчета, предложены таблицы хода роста сосновых древостоев на отрезке онтогенеза от молодого возраста до момента их распада;

- показаны особенности сплайн-функции с изменяющимся узлом при моделировании образующей древесного ствола, построены объемные таблицы и сортиментные таблицы фитомассы в соответствии с последними требованиями для сосновых культур;

- впервые для района исследований выявлены биологически обусловленные связи между компонентами фитомассы и таксационными характеристиками древостоев;

?? ??

- дана количественная оценка невесомым полезностям сосновых древостоев, разработаны нормативы для учета динамики депонированния углерода, кислородопродуктивности, теплотворной способности сосновых культур.

Достоверность результатов определяется использованием обширного и репрезентативного экспериментального материала, а также применением при его обработке и систематизации методов математической статистики, аппарата математического моделирования и программирования, а также изложением полученных результатов на модельном уровне. Адекватность полученных регрессионных моделей подтверждена соответствующими статистическими критериями.

Практическая значимость работы состоит в разработке нормативных материалов для комплексной оценки искусственно созданных сосновых насаждений и предложений, направленных на повышение их продуктивности. Результаты работы могут быть полезны при реализации экологических программ

разных уровней, создания баз данных по фитомассе лесов, в перспективном планировании комплексного освоения лесов и при лесоустройстве.

Апробация результатов исследований и публикации. Основные положения диссертации доложены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской ГЛТА (1993-1996 гг.), на Всероссийской конференции «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктового) лесопользования» (1995 г.), на международной научно-технической конференции "Генетика и селекция на службе лесу" (1996). Результаты исследований включались в грант "Разработка нормативно-справочной базы для оценки продуктивности лесов" (per. N 01.9.50000874, С.-Петербург, 1994 г.).

Основные материалы работы опубликованы в 5 научных работах.

Личный вклад автора. В течении 1993-1996 гг. работа выполнялась непосредственно автором при обучении в аспирантуре. Автор принимал участие в постановке темы, составлении программы и методики исследований. Сбор материала по диссертационному исследованию проведен автором самостоятельно в течении 1993-1997 гг. Обработка, анализ полученных данных, их интерпретация и написание текста диссертации выполнены автором лично.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии и приложений, содержащих экспериментальный и статистически обработанный материал, а так же тексты разработанных автором компьютерных программ для систематизации имеющихся данных. Общий объем работы составляет 200 страниц, в том числе 41 таблица, 9 рисунков. Список литературы включает 147 наименований, в т.ч. 15 на иностранных языках.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1Л. Основные подходы в моделировании лесных экосистем

Фундаментальное значение моделей производительности древостоев заключается по мнению В,В.Антанайтиса (1983) в том, что они, "...отражая закономерности роста и производительности, совместно с принципами целевого леса, многоцелевого лесопользования ... составляют теоретические основы лесного хозяйства". Моделирование позволяет не только выявить закономерности продуктивности насаждений, но и решить важные десоводственные и лесо-культурные задачи, построить нормативы лесного хозяйства и т.д. При построении моделей, характеризующих рост, продуктивность и взаимоотношения между растениями,выделяют три направления (Карманова 1976):

1. Подбор математической зависимости к экспериментальным данным.

2. Теоретическое моделирование основных, механизмов и взаимоотношений.

3. Имитационное моделирование объединяющее оба направления.

В первом случае модель полностью основывается на экспериментальных результатах и строится по типу черного ящика (Карманова, Абрамов, 1990). Эта группа включает ряд регрессионных отношений, в этом случае логические предпосылки отбрасываются. Представителями этого направления можно с успехом считать большинство функций, положенных в основу при составлении таблиц хода роста (ТХР) древостоев. Несмотря на то, что эти функции по большей мере описывают процесс роста формально, не несут в себе биологических констант и постулатов, они отвечают поставленным задачам, обеспечивая достоверность полученных результатов на высоком уровне.

При теоретическом моделировании на основе концепции в биологии строится функциональная модель, отражающая определенные механизмы явле-

лений. Одной из наиболее представительных в биологических исследованиях является модель Вольтерра (1976) для цепей трофических связей, получившая развитие в работах Кареева (1983), Четвертикова (1985). Примерами аналитических моделей динамики древостоев являются: модель динамики плотности разновозрастного древостоя (Корзухин 1980), модель сукцессии пихтовой тайги (Черкашин 1990), модель А.Л.Гутмана, В.В.Успенского (1985).

В основе моделей первого типа лежит связь между детерминирующими явлениями, параметрами. Модели второго типа располагают определенной концепцией явления. Синтез обоих направлений являет собой имитационное моделирование. Оно может быть представлено как: анализ - модель - синтез -результаты. В.А.Усольцевым (1985) выделяется два подхода к имитационному моделированию лесных биогеоценозов. При первом - моделирование базируется на энергетическом уровне процессов, протекающих в биогеоценозе (так называемые физиолого-математические модели). Второй подход связан с биометрическими параметрами дерева и увязан с лесной таксацией. Факторы внешней среды опосредуются через биометрические характеристики древесных растений.

По степени детальности выделяется три группы моделей (Мипго 1974; Атрощенко 1981, 1990), выполненных на уровне:

-насаждения (регрессионные модели роста совокупности древостоев), -дерева (математическое описание роста отдельных деревьев и имитация на этой основе роста древостоя).

Модели роста леса в виде случайного процесса применяются для прогноза роста леса при разработке долгосрочных программ. Для проводимого нами исследования несравненный интерес представляют приемы имитационного моделирования на основе отдельных модельных деревьев.

1.2. Опыт по моделированию хода роста древостоев в России

и за рубежом

Почти 150 лет прошло с тех пор, как в нашей стране и за рубежом появились первые модели роста древостоев - так называемые таблицы хода роста, что явилось важным этапом в развитии лесной науки. Значение ТХР трудно переоценить. Информация, извлекаемая из таблиц хода роста древостоев, может служить для получения сведений о количественных и функциональных зависимостях между различными таксационными показателями, а также исходным материалом для построения различных нормативно-справочных материалов. Наиболее полные таблицы содержат три раздела, куда включены характеристики основной части древостоя, выбираемой и общей для древостоя.

Современные таблицы хода роста призваны отражать характерные черты роста древостоя, быть применимы для таксации и являться основой при проектировании лесохозяйственных мероприятий. Это возможно, если они составлены на основе изученных взаимосвязей всех основных таксационных показателей, которые обычно выражаются в виде моделей роста. В разработку этого вопроса большой вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: А.В.Тюрин (1931,1945); И.М.Науменко (1956); В.В.Антанайтис 1958); П.В.Горский (1962, 1967); В.Н.Дракин, Д.И.Вуевский (1940; В.Ф.Лебков (1965); В.В.Загреев (1974, 1978) А.С.Матвеев-Мотин (1962; А.Г.Мошкалев (1957); А.Г.Мошкалев и др (1982); К.Е.Никитин (1966); А.Н.Питикин (1967); Н.Н.Свалов (1967, 1969, 1972); И.В.Семечкина (1954), 1959; В.В.Кузмичев (1977); Ф.Д.Корсунь (1967); Н.П.Анучин (1971); К.Б.Лосицкий, В.С.Чуенков (1980); В.В.Успенский (1974, 1980, 1994); Assman Е., Franz F. 1965; Decourt N., Lemoine В. 1969; Bradley R.T.,Christie I.M., Johnston D.R. 1966; Curtis R.O. 1967, 1972; Burkhart H.E. 1971; Bruchwald 1991; Димитров E. 1980). Наряду со сбором и систематизацией имеющейся обширной лесоводственной информа-

ции возникла необходимость разделять жизнедеятельность древостоев естественного происхождения и лесных культур в силу имеющегося между ними ряда различий (темпы роста и отпада, строение), которая предопределила появление ТХР естественных и искусственных древостоев.

Несмотря на многочисленную критику таблиц хода роста в различные годы исследований ( Peschel 1938; Кофман 1986;), они остаются наиболее полным, достоверным и практически значимым средством обобщения, хранения и использования лесоводственной информации.

В настоящее время на территории нашей страны насчитывается более 500 таблиц хода роста древостоев с различной полнотой содержащейся в них информации. На первый взгляд кажется, что этого числа таблиц достаточно для обеспечения решения задач по лесной таксации. Однако, при большом разнообразии природных условий и в связи с возрастающими требованиями к содержащейся в них информации (совмещение таблиц хода роста с таблицами товарной структуры, продуктивности фитомассы, переход от объяснительной к предсказательной функции) даже такое количество табличного материала оказывается недостаточным.

А.В.Тюрин составил общие таблицы хода роста насаждений основных лесообразующих пород. Однако, это не устраняет необходимости построения местных таблиц. Тем более необходимо накопление данных и построение таблиц хода роста для искусственно созданных насаждений, отличающихся резко выраженными особенностями происхождения.

Наибольшее распространение и признание у лесоводов получили три типа таблиц хода роста: нормальных, модальных и оптимальных древостоев (Ан-танайтис, Загреев 1969). Большинство имеющихся таблиц хода роста характеризуют нормальные насаждения. На практике, напротив, такие древостой встречаются редко, что является одной из причин критики существующих таблиц и стремления к составлению таблиц хода роста для модальных т.е. наибо-

лее распространенных, характеризующимися средними густотой или полнотой (Третьяков 1937; Горский 1962; Моисеев 1962, 1968; Мошкалев 1962, 1968; Багинский, 1972). Изучению особенностей роста модальных насаждений в ле~ со гакса пион ной литературе уделяется значительное внимание (Михневич 1963; Савич 1960; Рубцов, Новосельцев 1966; Assmaii 1962; Загреев 1978