Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Моделирование строения и роста антропогенных дубрав Чувашской Республики

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Шукенбаева, Наиля Шаукатовна, Йошкар-Ола

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ШУКЕНБАЕВА Наиля Шаукатовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОЕНИЯ И РОСТА АНТРОПОГЕННЫХ ДУБРАВ ЧУВАШСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

06.03.02 - лесоустройство и лесная таксация

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: „ —-

доктор с.-х. наук, проф. 1П.М. Верхунов

Йошкар-Ола- 1999 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................... 5

Глава 1. Современное состояние вопроса.............................................. 9

Глава 2. Природно-климатические условия района исследований.

Краткая характеристика дубовых насаждений.......................................36

2.1. Природно-климатические условия.......................................... 36

2.2. Краткая характеристика дубовых насаждений............................40

Глава 3. Программа и методика исследований. Объем выполненных работ... 47 Глава 4. Форма и полнодревесность стволов дуба в антропогенных древостоях....................................................................................51

4.1 Характеристики показателей формы и полнодревесности стволов

в насаждениях дуба..............................................................51

4.2. Моделирование среднего относительного сбега деревьев в антропогенных дубравах........................................................63

4.3. Построение таблиц объемов стволов дуба.................................73

Выводы..................................................................................77

Глава 5. Варьирование и взаимосвязи общих таксационных показателей в антропогенных древостоях дуба.......................................................80

5.1. Варьирование общих таксационных показателей деревьев в дубравах............................................................................80

5.2. Моделирование взаимосвязей общих таксационных показателей деревьев в насаждениях дуба.................................................. 84

Выводы..................................................................................89

Глава 6. Строение антропогенных древостоев дуба по диаметрам деревьев... 93

6.1. Закономерности распределения числа стволов по диаметрам

в древостоях дуба.................................................................93

6.2. Соотношения между рангами и редукционными числами деревьев

по диаметру в насаждениях дуба.............................................105

6.3. Построение товарных таблиц для древостоев дуба......................112

Выводы.................................................................................118

Глава 7. Динамика роста антропогенных насаждений дуба.......................121

7.1. Моделирование роста дубовых древостоев по высоте..................122

1.2. Моделирование роста дубовых древостоев по диаметру...............130

7.5. Моделирование роста дубовых древостоев по суммам площадей

сечений и запасу................................................................ 139

Выводы.................................................................................147

Заключение и предложения............................................................. 154

Использованная литература.............................................................156

Приложения:................................................................................181

1. Таксационная характеристика заложенных пробных площадей на изучение строения и роста дубрав......................................................181

2. Программа PIRSON математического моделирования строения антропогенных дубрав....................................................................185

3. Таблица для установления разрядов высот древостоев дуба...........192

4. Основные статистические показатели относительного среднего

сбега стволов в дубравах.................................................................193

5. Характеристика образующей стволов дуба по данным модельных деревьев......................................................................................195

6. Таблица объемов стволов в древостоях дуба семенного и порослевого происхождения.............................................................................196

7. Таблица объемов стволов в древостоях лесных культур дуба.........198

8. Статистические показатели строения древостоев дуба по типу I кривых Пирсона............................................................................199

9. Статистические показатели строения древостоев дуба по типу II кривых Пирсона............................................................................200

10.Статистические показатели строения древостоев дуба по типу IV кривых Пирсона............................................................................201

1 ¡.Распределение деревьев в древостоях дуба, % в зависимости от среднего диаметра древостоев дуба...................................................202

12.Основные статистические показатели средних таксационных признаков в совокупностях древостоев дуба........................................203

13.Таблицы хода роста семенных древостоев дуба Чувашской Республики..................................................................................210

14.Таблицы хода роста порослевых древостоев дуба Чувашской Республики..................................................................................211

15.Таблицы хода роста лесных культур дуба Чувашской Республики.. .212

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Концепцией устойчивого управления лесами РФ (1998), Федеральной целевой программой "Леса России" (1997-2000 гг.), Лесным кодексом РФ (1997) и другими директивными документами в области лесоустройства предусматривается переход на новые прогрессивные методы инвентаризации лесов, управления и хозяйствования. Отмеченное предопределяет необходимость углубленного исследования процессов роста леса, своевременного получения достоверной информации о состоянии лесного фонда, его динамики во времени, разработки лесотаксационных нормативов/Особенно актуальны эти вопросы для дубовых лесов Чувашской Республики, относящихся к наиболее ценным лесным формациям региона, современное состояние которых, связанное с дисперсным и очаговым усыханием деревьев, лесопатологическим изреживанием насаждений, вызывает большую тревогу лесоводов.

В связи с этим важным является вопрос о степени сохранения в них таксационной структуры и взаимосвязей показателей, присущих естественным дре-востоям, выявление проявляющихся отклонений от общих закономерностей роста и возможности создания для этих объектов нормативов таксации леса.

Исследования закономерностей строения и роста проводились учеными в основном в лесных насаждениях естественных условий роста. Число же публикаций по влиянию на этот процесс стихийных природных воздействий и техногенных факторов незначительно.

Применение в изучении таксационной природы лесов новых методов с использованием ЭВМ и математического моделирования позволяет отражать процессы строения и роста антропогенных насаждений породы, что имеет большое значение при организации и ведении в них лесного хозяйства, внедрении ГИС-технологий в практику лесоустройства, решении проблемы повышения продуктивности и устойчивости насаждений и др.

Цель и задачи исследований. Целью работы является выявление и моделирование закономерностей динамики, строения, роста и продуктивности антропогенных дубрав Чувашской Республики, научное обоснование составления лесотаксационных нормативов для этих объектов.

Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи:

1. Изучить форму и полнодревесность стволов дуба в древостоях.

2. Выявить варьирование и взаимосвязи основных таксационных показателей деревьев в древостоях дуба.

3. Изучить закономерности строения антропогенных спелых дубовых дре-востоев по диаметрам деревьев.

4. Получить модели хода роста изучаемых насаждений дуба в зависимости от происхождения, экотопов и лесорастительных условий (ТЛУ) их произрастания.

5. Разработать лесотаксационные нормативы для учета антропогенных насаждений породы.

Научная новизна. Для дубовых древостоев региона, произрастающих в условиях антропогенного воздействия, установлены закономерности строения, динамики роста и продуктивности, получены их математические модели. Созданы лесотаксационные нормативы для лесоинвентаризационных работ в дубравах (таблицы объемов стволов, шкала разрядов высот леса, таблицы динамики роста насаждений, ряды распределения деревьев по естественным ступеням толщины, в соавторстве товарные таблицы).

Практическая значимость. На основе изучения таксационных закономерностей разработаны лесотаксационные нормативы для оценки антропогенных дубрав. Последние находят применение при лесоинвентаризационных работах, организации хозяйства и лесопользования в предприятиях лесного хозяйства и лесоустройства в условиях рыночной экономики. Сортиментные и товарные таблицы для древостоев дуба Среднего Поволжья утверждены приказом

№ 46 от 19,03.1998 г. Рослесхоза для использования в практике лесного хозяйства региона.

Обоснованность выводов и рекомендаций обеспечивается использованием современных методик изучения роста и строения древостоев, значительным объемом экспериментального материала, собранным в период 1994-1998 гг., широким применением методов математической статистики и математического моделирования на ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Научные основы составления лесотаксационных нормативов для оценки дубовых лесов региона.

2. Особенности строения антропогенных спелых дубрав и их математические модели.

3. Закономерности динамики роста антропогенных насаждений дуба и их математические модели.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международных ("Дуб - порода третьего тысячелетия", Бобруйск, 1998; "Лесная наука на рубеже XXI века", Гомель, 1997; "Учет леса, лесопользование и подготовка кадров для проектных учреждений", Брянск, 1997; "Циклы природы и общества", Ставрополь, 1997; "Влияние атмосферных загрязнений и других антропогенных и природных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы", Москва, 1996), Всероссийских ("Комплексная продуктивность и организация многоцелевого (многопродуктового) лесного пользования", Воронеж, 1996), региональных (Йошкар-Ола, 1998; Чебоксары, 1995, 1997) и научных конференциях профессорского-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МарГТУ (1996, 1997, 1998 гг.).

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в составлении программы и методики исследований, в сборе экспериментального материала. Разработка алгоритмов и программ для ЭВМ, камеральная обработ-

ка и анализ данных, подбор математических моделей, обобщение, выводы и предложения сделаны лично автором.

Диссертационная работа выполнена по планам НИОКР Рослесхоза на 1994-1996 гг., Минэкологии Чувашской Республики на 1997 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 научных работах и в "Сортиментных и товарных таблицах для древо-стоев дуба Среднего Поволжья" (М., 1999), Пояснительной записке к проекту (1997).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений, списка литературы, включающего 284 наименований, в т.ч. 23 - на иностранных языках и 15 приложений. Она изложена на 212 страницах, содержит 12 рисунков и 33 таблицы.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Дубовые леса Чувашской Республики образуют крупные массивы и относятся к числу наиболее ценных лесных формаций. По данным учета на 01.01.1993 г. они занимают площадь 122,2 тыс. га или 23,9% и имеют общегосударственное экологическое, экономическое и социальное значение.

Дубравы региона за последнее время серьезно пострадали от комплекса неблагоприятных природных и антропогенных факторов. Среди них низкие температуры зимы 1978-1979 гг., вспышки листогрызущих вредителей в 1986, 1989, 1991-1993 гг., усиление техногенной и агрохимической нагрузки на лесные массивы и др.

В литературе описано негативное влияние факторов на общее лесово-дственное состояние дубрав на нарушенность их структуры и роста (Коржин-ский, 1891; Орлов, 1897; Соболев, 1903; Хитрово, 1908; Морозов, 1925; Само-фал, 1929; Чистяков, Печникова, 1934; Ткаченко, 1939; Напалков, 1948, 1951; Рябинин, 1965; Воронцов, 1972; Дерябин, 1972; Кутеев, 1972; Положенцев, Саввин, 1974; Кузьмичев, Асмаев, 1978; Молчанов, 1978; Кляйнхоф, 1979; Саввин, 1979; Мелехов, 1980; Рахов, Катейкин, 1980; Мурзов и др., 1986; Яковлев, 1989; Мурзов, 1984, 1991; Полянская, 1991; Чураков, 1993; Мищенко, Глазы-рин, 1993; Мякишев, 1995; Тихонов, 1996; Верхунов, Курненкова, Шукенбаева, 1996 и др.).

Исходя из этих положений дубравы с нарушенным строением, структурой и ходом роста названы в нашей работе антропогенными.

Отсюда возникла объективная необходимость в исследовании таксационных закономерностей, строения и роста рассматриваемых дубрав для района работ.

Изучению строения древостоев различных пород, в т.ч. дуба посвящены труды многих видных ученых. Эти вопросы находят отражение в специальных научных исследованиях, при составлении нормативов таксации древостоев в виде сортиментных, товарных таблиц, таблиц хода роста насаждений и т.п.

Под строением лесных насаждений в широком смысле этого термина понимается сочетание характера варьирования таксационных показателей, распределения деревьев по ним и соотношения этих показателей между собой в различных возрастах леса (Верхунов, 1976); в узком значении - это отдельно взятые форма насаждений, состав, соотношение ярусов, возрастная структура, особенности рядов распределения по основным таксационным показателям и др. (Анучин, 1982; Левин, 1966; Лебков, 1967 и др.).

Первые исследования по строению насаждений по диаметрам деревьев проведены В. Вейзе, К. Вимменауэром, Гуттенбергом и Е. Герхардтом в 18801901 гг. (по Орлову, 1929; Захарову, 1967; Анучину, 1982). Ими установлено, что в чистом одновозрастном насаждении общее число деревьев по отношению к среднему по толщине дереву распределяется неравномерно: деревья с диаметрами больше среднего составляют 42.5%, а меньше - 57.5%. Процент числа деревьев по ступеням толщины близок к кривой нормального распределения.

Я. Фекете, А. Шиффель, Е. Виммер в 1902-1904 гг. применили новый метод в изучении закономерностей строения древостоев по редукционным числам таксационных показателей. Под этим термином было названо отношение диаметра ствола, занимающего определенное место (ранг) в процентном распределении числа деревьев к среднему диаметру древостоя. Был сделан вывод о том, что во всяком нормальном насаждении проявляется практическая стабильность по рангам редукционных чисел по диаметру, высоте, объёму, площади сечения, видовой высоте деревьев.

В дальнейшем материалы по строению древостоев различных исследователей обобщил A.B. Тюрин (1923, 1923а, 1927, 1945, 1971). Он ввел понятие "естественная ступень толщины" как размерность ступени, выраженная в десятых долях среднего диаметра древостоя. С точки зрения методологии лесной таксации ее следует заменить понятием относительной ступени среднего значения таксационного показателя. Тюрин пришел к выводу, что "насаждения разных пород, возрастов и бонитетов, но в пределах сравниваемых групп - по

средним диаметрам 10, 20, 30 и 40 см - обладают, несмотря на шероховатости в крайних ступенях, единством строения". Это положение известно в литературе как закон постоянства строения чистых одновозрастных древостоев A.B. Тюрина.

В целом сложилось мнение, что положение среднего дерева в чистых одновозрастных насаждениях является мало изменчивой величиной, а соотношения между рангами и редукционными числами относительно стабильные, то есть строение древостоев не изменяется ни во времени, ни в пространстве.

Эти сведения послужили Н.В. Третьякову (1927, 1952), П.В. Горскому (1957, 1965) сформировать так называемый закон единства в строении насаждений. Они пришли к выводу, что рангами деревьев характеризуется вся внутренняя гармоничная структура древостоя, которая подчиняется вероятностному закону нормального распределения. Строение элемента леса смешанных и сложных насаждений носит постоянный характер, независимо от породы, среднего возраста, полноты, доли участия элемента леса в составе древостоя яруса и класса бонитета насаждений.

Имеются публикации и по строению древостоев дуба семенного и порослевого происхождений (Шустов, 1911; Тарашкевич, 1924; Луций, 1963; Бицин, 1965; Балахонов, 1967; Лебедев, 1968; Акаемова, 1968; Крьстанов, 1968, 1969; Атаманюк, 1971; Толкачев, 1974; Михайлов, 1961; Кондрашин, 1977; Неруш, 1980; Ильин, 1980; Майборода, 1981; Смольянов, 1981; Сериков, 1985; Кабанов, 1992 и др.).

Основные выводы, которые можно сделать из проанализированных научных работ, сводятся к трем основным положениям (Никитин, 1966).

1. Ранг среднего дерева в однородных насаждениях является устойчивой величиной, равной в среднем 0,58, независимо от породы, возраста и других таксационных показателей древостоя.

2. Ранг дерева определяет величины редукционных чисел по основным таксационным показателям. Взаимосвязь между рангами и редукционными числами выражается уравнениями полиномов 3-й степени.

3. Распределение относительного количества деревьев по естественным ступеням толщины не зависит от породы, среднего диаметра, условий местопроизрастания, полноты и ряда других лесоводственных показателей насаждения.

Вопросы лесохозяйственной практики привели к необходимости более детального изучения зависимостей параметров рядов распределения деревьев по таксационным показателям древостоев. Исследования многих авторов (Мошка-лев и др., 1973, 1982; Митропольский, 1971; Никитин, 1966; Макаренко, 1971, 197