Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Продуктивность и структура надземной фитомассы березняков на Урале

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

Автореферат диссертации по теме "Продуктивность и структура надземной фитомассы березняков на Урале"

На правах рукописи

Сальников Александр Александрович

ПРОДУКТИВНОСТЬ И СТРУКТУРА НАДЗЕМНОЙ ФИТОМАССЫ БЕРЕЗНЯКОВ НА УРАЛЕ

Специальность 06. 03. 03 - лесоведение, лесоводство, лесные пожары

и борьба с ними

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена в Уральской академии

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

лесотехнической

доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.А. Усольцев.

доктор биологических наук, старший научный сотрудник А.К. Махнев;

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент В.А. Шаргунова.

Ведущая организация - Красноярская государственная

технологическая академия.

Защита состоится «¿3» пая 1997г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 063. 35. 01 при Уральской государственной лесотехнической академии по адресу: 620032, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан «£/ » апр е/?Я \ 997г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

С.В. Залесов

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы.

Актуальность темы. В связи с ухудшением экологической обстановки на планете в настоящее время насущной стала проблема обеспечения экологической безопасности человека. В мире разрабатывается ряд экологических программ международного уровня: Международная Геосферно-Биосферная программа, Международный Проект по Химическому Составу Атмосферы, Глобальные Изменения и Наземные Экосистемы, Биосферная Оценка и Компенсация Углерода, Межправительственный Проект по Изменению Климата, Исследовательская Программа по Мировому Климату и др. В рамках проекта «Изучение лесных экосистем» ГНТП 18 «Глобальные изменения природной среды и климата» проводятся исследования по оценке депонирования углерода в фитомассе лесных экосистем России. XIX Мировой конгресс ИЮФРО в 1990 г. инициировал разработку Основных Положений по международному мониторингу лесов, в которой приняли участие ученые более 20 стран (ЩПШ..., 1994). Первоочередное значение на всех уровнях мониторинга имеют данные о продукции фитомассы лесов. В мае 1993 г. Совещание экспертов ФАО ООН и ЕЭК по глобальной оценке лесных ресурсов специально поставило вопрос о международном мониторинге фитомассы лесов.

В связи с изложенным становится все более актуальной оценка всей фитомассы лесов и создание баз данных по углеродному циклу. Вследствие известной трудоемкости получения экспериментальных данных о фитомассе лесов необходима разработка методов ускоренной оценки биопродуктивности лесов, вертикально-фракционной структуры их фитомассы, а также экстраполяции локальных экспериментальных данных о фитомассе на лесную площадь региона.

Исследования автора осуществлялись в 1992-1996 годах в рамках научно-исследовательских работ кафедры лесной таксации и лесоустройства Уральской государственной лесотехнической академии по госбюджетной теме «Повышение продуктивности и защитных свойств, комплексное использование лесов Урала».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы явилось изучение продуктивности и структуры надземной фитомассы березы Урала в сопоставлении с прилегающими регионами Северного Казахстана.

Задачи исследойания:

1) изучить зависимости массы листвы и скелета (за вычетом листвы) отдельных ветвей 1-го порядка березы от их дендрометрических показателей на Среднем Урале;

2) изучить зависимости массы кроны березы Урала от дендрометрических показателей в сопоставлении с березой и осиной Северного Казахстана;

3) исследовать закономерности вертикально-фракционного распределения фитомассы кроны березы Среднего Урала;

4) разработать регрессионные модели и эскизы таблиц биологической продуктивности березняков Среднего Урала с использованием переводных коэффициентов «фитомасса древостоя: запас стволов»;

5) разработать метод оценки запасов фитомассы и содержащегося в ней углерода на лесопокрытых площадях березовых лесов Среднего Урала;

6) исследовать закономерности изменения предельных показателей продуктивности березовых древостоев Урало-Казахстанского региона.

Научная новизна работы определяется комплексом проблем, впервые изучаемых в условиях березовых лесов Урала: а) разработаны регрессионные модели и составлены таблицы фитомассы ветвей I порядка, что позволяет рассчитывать массу кроны без ее взвешивания; б) разработаны регрессионные модели и составлены таблицы надземной фитомассы на уровне дерева (типа объемных) и на уровне древостоя (эскизы таблиц биопродуктивности); в) выявлена инвариантность зависимости массы листвы и скелета кроны от диаметра ствола у ее основания (пайп-модель) не только в широком диапазоне лесорасти-тельных условий и видов берез, но и между березой и осиной разных регионов; г) исследованы закономерности вертикально-фракционного распределения фитомассы кроны как по градациям толщины ветвей, так и по возрастным слоям кроны; д) исследованы закономерности изменения предельных состояний биопродуктивности березовых древостоев; е) разработаны методика, алгоритмы и программное обеспечение ПЭВМ для совмещения переводных коэффициентов «углерод древостоя : запас стволов» с повыдельными лесоустроительными банками данных и предложена база данных о запасах углерода в надземной фитомассе березовых лесов на примере Невьянского лесхоза Свердловской области.

Практическая значимость работы. На основе изученных закономерностей формирования фитомассы березовых древостоев разработаны нормативные материалы, необходимые для планирования и реализации систем лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности, а также для оценки и комплексного промышленного использования ресурсов березовых лесов Урала. Разра-

ботанные нормативы используются Свердловской лесоустроительной экспедицией Поволжского лесоустроительного предприятия при устройстве березовых лесов Урала.

Обоснованность выводов и прогнозов. Использование репрезентативного и воспроизводимого обширного экспериментального материала, системный подход при содержательном анализе объектов исследования и интерпретации полученных результатов, контроль достоверности производимых прогнозов на основе соответствующих статистических критериев, рационализация ряда вопросов методики постановки опыта, подготовки экспериментальных данных и их матема-тико-статистической обработки, использование современной вычислительной техники и надежного программного обеспечения определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов и прогнозов.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на конференциях: «Проблемы восстановления лесов на Урале», Екатеринбург, 1992; «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса», Екатеринбург, 1993; Юбилейной конференции Кустанайской лесной опытной станции КазНИИЛХА «Лесные экосистемы Тургайской впадины», Кустанай, 1993; «Экосистемы Севера-. Структура, адаптация и устойчивость», Петрозаводск, 1993; конференции, посвященной 100-летию Ф.П. Моисеенко «Современные аспекты лесной таксации», Гомель, 1994; региональной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы лесоведения», Екатеринбург, 1996; молодежной конференции Института экологии растений и животных УрО РАН, Екатеринбург, 1996.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 10 печатных работах, сдано в печать - 6.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и 4 приложений. Список использованной литературы включает 259 наименований, в том числе 95 иностранных. Текст иллюстрирован 25 таблицами и 35 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Обычно при оценке лесной фитомассы анализируются и предлагаются регрессионные модели для отдельных ветвей, отдельных де-

ревьев и древостоев на отдельных пробных площадях, использующие в качестве регрессоров отдельные (часто взаимозаменяемые) переменные (Нерр, Brister, 1982; Тепикин, Усольцев, 1990). Необходимо создание системы оценочных моделей фитомассы разных уровней обобщения (ветвь, дерево, древостой) на основе концепции репрезентативного выборочного учета, что снизит объем требуемых экспериментальных работ до приемлемого уровня. Для березовых древостоев в этом плане исследования не проводились.

Связи массы кроны с диаметром (площадью сечения заболони) ствола у основания кроны и с объемным приростом ствола, выведенные порознь, у хвойных не дают устойчивых оценок фитомассы. Совмещение эффектов ксилемного и флоэмного транспорта, опосредованных наборами соответствующих дендрометрических показателей и замкнутых на массу хвои, дало для хвойных пород Урала более устойчивые оценки фитомассы крон (Усольцев и др., 1994). В березовых древостоях Урала подобные исследования не проводились.

Совмещение концепции пайп-модели с подходом Н.Г.Балыкова с соавт. (1989) в одной рекурсивной модели позволяет стратифицировать фитомассу лесного полога сосны по его возрастным слоям (Усольцев и др., 1994). В этом случае внутрикроновое кумулятивное распределение массы хвои и скелета кроны определяется пятью факторами: диаметром ствола в данном сечении кроны, возрастом кроны в этом же сечении, возрастом дерева, диаметром ствола на высоте груди и добротностью местопроизрастания. Для березы аналогичных результатов в литературе нет.

Многофакторные регрессионные модели кумулятивных распределений фитомассы крон и корневых систем по толщине фракций и вертикальному профилю (Усольцев и др., 1991; Усольцев, Крепкий, 1994) представляются перспективными и могут быть использованы при построении многоплановых биопродукционных имитационных моделей. Для березы подобных моделей в литературе нет.

Многофакторные регрессионные модели для переводных коэффициентов «фитомасса фракций: запас стволовой древесины» находят все большее применение при составлении таблиц биопродуктивности древостоев (Онучин, Борисов, 1984; Усольцев, 1988). Для березняков Урала такие таблицы пока не составлены.

В применяемых в настоящее время методах совмещения переводных коэффициентов фитомассы с лесоустроительными данными (т.е. экстраполяции данных фитомассы пробных площадей на лесопокры-тую площадь региона) основные массообразующие показатели древостоев либо игнорируются (Armentano, Ralston, 1980), либо учитываются лишь частично (Макаревский, 1991). Необходимо совершенствование

методики на основе совмещения многофакторных моделей переводных коэффициентов фитомассы с повыдельными банками данных лесоустройства лесхозов.

Предельные (максимальные) показатели фитомассы листвы (а также общей фитомассы) в лесных экосистемах связаны с уровнем ФАР, режимами температуры и влаги воздуха и почв и, следовательно, имеют региональные особенности (Waring, 1978; Gholz, 1982). В пределах же региона эти показатели определяются морфоструктурой древостоя и могут быть описаны совокупностью массообразующих таксационных показателей. Сегодня такие модели предельных показателей фитомассы предложены лишь для березняков Северного Казахстана на уровне биогрупп (как микромоделей древостоев разной густоты) (В.Усольцев, А.Усольцев, 1996). На уровне древостоев в целом подобных моделей ни для одной породы нет.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА И ОБЪЕКТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Район исследований, согласно лесорастительному районированию Б.П.Колесникова (1969), расположен в Зауральской холмисто-предгорной провинции в южной подзоне тайги (Свердловская область) и Южноуральской провинции горных южнотаежных и смешанных лесов (Челябинская область). Для выявления географических особенностей распределения фитомассы древостоев использованы предоставленные В.А.Усольцевым данные о фитомассе березы и осины юга Западной Сибири (Северо-Казахстанская область, Согровский и Подудинский лесхозы), Казахского мелкосопочника (Кокчетавская область, Опытный лесхоз КазНИИЛХА) и Тургайского прогиба (Кустанайская область, Боровской и Аракарагайский лесхозы).

В работе дано описание географического положения, климата, рельефа и почв района исследований по имеющимся литературным источникам (Берг, 1947; Перельман, 1965; Борисевич, 1968; Кувшино-ва, 1968; Погодина, Розов, 1968; Колесников, 1969; Колесников и др., 1973; Фирсова, 1977).

В Свердловской области береза занимает 33% лесопокрытой площади, в Челябинской - 51%. Общий запас лиственных в Свердловской области составляет 380 млн.м3, из них береза - 91%. В Челябинской области на березу приходится 38% общего запаса (26 млн.м3) (Колесников, 1969)Г Приведена лесорастительная характеристика березняков и осинников Северного Казахстана по В.Н.Бирюкову (1982).

Для решения задач исследования в сомкнутых березняках I-VI классов возраста I-V классов бонитета Учебно-опытного лесхоза УГЛТА и Березовского лесхоза Свердловской области было заложено 11 пробных площадей; в березняках II-VII классов возраста II-III классов бонитета Кусинского лесхоза Челябинской области - 11 пробных площадей. Всего в березняках липняковых заложено 3, злаковых - 5, травяных - 12, сфагново-хвощевых и осоковых - 2 пробные площади, на которых взято соответственно 32, 32, 89 и 24 модельных дерева (всего -177). На 16 пробных площадях срезано и взвешено 548 модельных ветвей у 133 модельных деревьев; у 102 модельных деревьев скелет кроны (без листвы) стратифицирован и взвешен с градацией толщины 2 мм.

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проведены на временных пробных площадях, заложенных по ОСТ 56-69-83 «Пробные площади лесоустроительные». Модельные деревья отбирали по ступеням толщины. Надземная фи-томасса делилась на фракции: ствол, в том числе древесина ствола; скелет кроны (ветви плюс побеги текущего года), в том числе древесина скелета; листва, которые по пробным выпилам и навескам приводились к абсолютно сухому состоянию термовесовым методом. По этим же навескам вычислялась масса коры и древесины в стволе и в скелете кроны. Древесная зелень (ДЗ), как сортимент для последующей переработки, обрезалась секаторами со всей кроны и учитывалась только в свежем состоянии.

При исследовании распределения массы кроны по ее возрастным слоям крона делилась по профилю на 6 равных частей, каждая взвешивалась с точностью до 50 г, проводилось деление на ДЗ и скелетные элементы. От каждой части отбирали навеску (1/4 - 1/6 часть по массе) для установления доли листвы в ДЗ. При исследовании вертикально-фракционного распределения массы кроны все ветви без учета их порядка, в пределах каждой секции делились по толщине с градацией 2 мм и взвешивались.

Материал обработан программой SYSTAT 5.0 для среды MS Windows на IBM-совместимом компьютере.

4. ПРОДУКТИВНОСТЬ И СТРУКТУРА ФИТОМАССЫ НА

УРОВНЕ ОТДЕЛЬНОЙ ВЕТВИ БЕРЕЗЫ

Установлено, что масса листвы и скелета ветви I порядка (P¡) определяется не только линейными размерами (диаметр у основания d0 и длина L), но и положением ветви в кроне (порядковый номер секции п) и ценотическим статусом дерева (диаметр ствола на высоте груди D):

Р;= f(dc, L, n, D). (1)

Результаты табулирования (1) показали, что в пределах одной секции масса скелета ветви и листвы повышается пропорционально увеличению обоих массообразующих показателей - диаметра и длины ветви, но при одних и тех же размерах масса ветви снижается в направлении от верхней секции к нижней вследствие ухудшения светового режима. При одинаковых значениях с!о, Ь и п масса ветви первого порядка выше у деревьев большего диаметра, занимающих лидирующее положение в пологе древостоя.

Для использования в практике лесоустройства и ведения лесного хозяйства рассчитаны регрессионные модели

где Р( - масса ьой фракции кроны (листва, скелет кроны, ДЗ) дерева (кг); А и Н - соответственно возраст (лет) и высота дерева (м).

С применением блоковых фиктивных переменных (Дрейпер, Смит, 1973), соответствующих кодам отдельных подрегионов: Средний Урал, Южный Урал, Тургайский прогиб, Казахский мелкосопоч-ник, выявлено два подрегиона, достоверно различающихся по массе крон березы - Южный Урал и Средний Урал с Северным Казахстаном (между последними двумя различия по массе кроны недостоверны). Составлены двухвходовые (диаметр - высота и диаметр - возраст) таблицы для оценки массы листвы, скелета крон и ДЗ деревьев по подре-гионам.

Изложенный методический подход требует получения большого экспериментального материала с использованием очень трудоемкой процедуры взвешивания и сушки фитомассы по каждому из выделенных подрегионов. Объем исходных экспериментальных данных по фи-томассе позволяет существенно сократить биологически обусловленная инвариантная взаимосвязь

ЬР^ао+а^пОок, (4)

где Бок - диаметр ствола у основания кроны (см), характеризующий площадь сечения водопроводящей заболони (БЬтогакл е1 а1., 1964). Характеристика (4) дана в табл. 1.

Установлено, что соотношение (4) является инвариантным не только для березы разных видов из разных подрегионов, но и для двух разных пород - березы и осины (рис.1). Названная инвариантность подтверждена статистически. Прирост площади сечения ствола на высоте груди (эффект флоэмного транспорта) при включении его в модель (4) дополнительно к Оок оказался статистически незначим.

5. ОЦЕНКА МАССЫ КРОНЫ БЕРЕЗЫ

Р,= ЩА),

(2) (3)

Диаметр ствола у основания кроны (Бок),см

Рис.1. Зависимость массы листвы в абсолютно сухом состоянии от диаметра ствола у основания кроны; 1 - береза Казахского мелкосо-почника; 2 - береза Тургайского прогиба; 3 - береза Среднего Урала; 4 - береза Южного Урала; 5 - осина Казахского мелкосопочника; 6 - береза трех популяций Японии (ЗЫпогак! е1 а1., 1964); 7 и 8 - линии регрессии соответственно для осины и березы Поволжья (Рождественский и др., 1991); А - обобщенная регрессия.

Таблица 1.

Характеристика уравнения (4) для различных фракций фитомассы

крон березы и осины Урало-Казахстанского региона_

Фракции фитомассы Константы Ошибка уравнения БЕ

а« а,

Листва -4,1532 2,1031 0,942 0,372

Скелет кроны -4,0529 2,6838 0,970 0,334

ДЗ -2,6907 2,0480 0,948 0,348

Поскольку непосредственный замер диаметра Бок у растущих деревьев затруднен, для его расчета выведено уравнение (5), инвариантное для Урало-Казахстанского региона (различия между видами из различных подрегионов недостоверны):

1п Бок = -0,0767 + 1,12131гЮ - 0,33151пЬ; (5)

Я2 = 0,971 ; БЕ = 0,121, где Ь - расстояние от основания ствола до основания кроны (м).

Трудоемкость создания банка экспериментальных данных о фи-томассе березняков может быть также снижена путем оптимизации объема экспериментальных данных, по которым рассчитываются уравнения (4). С этой целью из исходного массива данных с помощью генератора случайных чисел набраны в 20-кратной повторности для каждой фракции выборки объемом 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 и 200 деревьев. По каждой выведены уравнения, аналогичные (4), и после табулирования каждого по исходному массиву рассчитаны ошибки вЕ, для чего была составлена специальная программа. Установлено, что при расчете уравнения (4) взятие числа деревьев свыше 30-70 теряет практический смысл, поскольку при дальнейшем увеличении выборки точность уравнения не повышается.

6. ВЕРТИКАЛЬНО-ФРАКЦИОННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФИТОМАССЫ КРОН БЕРЕЗЫ

Теория пайп-модели обеспечивает один из подходов к весовой стратификации кроны дерева, или к описанию внутрикронового распределения ее фитомассы, на основе соотношения:

ЬР^ао + а.Ы);, (6)

где Р; - кумулятивная масса .¡-ой секции кроны; Ц - диаметр ствола в нижней части .¡-ой секции. Оказалось, тем не менее, что кумулятивная фитомасса Р| определяется не только диаметром Ор а также возрастом кроны на ]-ом ее уровне А;, диаметром ствола Б и возрастом дерева А: Р} = Щ, А., О, А). (7)

Уравнение (7) рассчитано для каждой фракции фитомассы кроны с коэффициентами детерминации Л2 = 0,87-0,92 и ошибками БЕ = 0,49-0,52. Задавая для любого растущего дерева величины В, А и А} и зная величину Ц для .¡-ой секции кроны, или .¡-го возрастного слоя, получили распределение фитомассы по возрастным слоям. Для расчета величины Ц предложено уравнение вида

Ц=Щ,В,А) (8)

с показателями Я2 = 0,90 и БЕ = 0,24. Установлено, что фитонасыщен-ность, например, 10-летнего возрастного слоя в пределах древостоя у деревьев-лидеров по отношению к угнетенным деревьям выше в 4-48 раз. В пределах одного возрастного слоя кроны ее масса у деревьев одного диаметра, но разного возраста повышается с увеличением возраста дерева.

Вертикально-фракционное распределение фитомассы лесного полога представляет собой важную биопродукционную характеристику лесного сообщества. Поскольку не только различные фракции фитомассы (листва, скелет кроны), но и компоненты скелета с разной толщиной среза ветвей участвуют в круговороте веществ с разной скоростью, или интенсивностью, представляет интерес математическая модель распределения массы скелета не только по вертикальному профилю, но и по градациям толщины среза ветвей. За основу такой модели была взята двумерная зависимость

Рз^ОДсП), " (9)

где Р5кк - кумулятивная масса скелета ветвей к-ой градации толщины; ёк - диаметр нижнего среза ветвей всех порядков; п - порядковый номер секции в направлении от вершины к основанию кроны. Поскольку константы уравнения (9) изменяются в зависимости от диаметра ствола Б и возраста А, выведена обобщенная регрессионная модель вида

Р** = Б, А) (10)

с показателями Я2 = 0,87 и БЕ = 0,76.

Анализ двумерных распределений массы ветвей после табулирования уравнения (10) и преобразования кумулятивных значений в исходные показал, что в возрастном диапазоне от 10 до 90 лет при фиксированных возрасте и диаметре ствола масса ветвей в каждой секции кроны закономерно возрастает с увеличением толщины ветвей. Вертикальное распределение массы кроны по трем секциям неравномерное и имеет различный характер для листвы и скелета кроны.

7. МОДЕЛИ ПЕРЕВОДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

ФИТОМАССЫ БЕРЕЗОВЫХ ДРЕВОСТОЕВ УРАЛА И ИХ

ПРИМЕНЕНИЕ

Переводной коэффициент, представляющий отношение массы фракции (листва, ветви, корни, вся надземная, общая фитомасса) к запасу стволовой древесины, впервые был предложен Ф.Флури (Flury, 1892). В работе показаны возможности оценки переводного коэффициента фитомассы березы на основе многофакторного регрессионного анализа и применения полученных моделей в решении трех актуальных проблем лесоводства и лесной экологии.

7.1. Динамика биологической продуктивности березняков Среднего

Урала

Исследование возрастной динамики биологической продуктивности березняков Урала выполнено путем совмещения регрессионных оценочных моделей для переводных коэффициентов с имеющимися местными таблицами хода роста (ТХР) древостоев, составленными по хозяйственным группам типов леса (Луганский, Лысов, 1991).

Рассчитаны регрессионные модели вида

P/M-SA.Hm.D.N) (11)

с показателями R2 = 0,91 - 0,68 и SE = 0,05 - 0,21, где Pi - фитомасса i-ой фракции в абсолютно сухом состоянии, т/га; М - запас стволовой древесины, м3/га; А - возраст древостоя, лет; Изо - класс бонитета, выраженный средней высотой древостоя (м) в базовом возрасте 50 лет по бонитетной шкале М.М.Орлова; D - средний диаметр, см; N - число деревьев, тыс. экз./га.

Установлено, что характеристики модели (11) достоверно различны для трех подрегионов: Среднего Урала, Южного Урала и Северного Казахстана, Путем табулирования модели (И) для Среднего Урала по показателям М, А, Н50, D и N, взятым из ТХР, составлен эскиз таблицы биологической продуктивности березняков (табл.2).

7.2. Новый метод оценки запасов органического углерода на лесо-покрытых площадях

Оценка углеродного пула в лесных экосистемах представляет собой, прежде всего, оценку фитомассы древостоев. Если первые попытки таких обобщений выполнялись путем простой экстраполяции данных фитомассы отдельных пробных площадей на крупные лесные регионы или на биомы, обычно с существенным завышением результата (Родин, Базилевич, 1965; Базилевич, 1993; Olson etal., 1983; Kolchugina, Vinson, 1993a, б), то, сегодня единственно приемлемым признается метод совмещения 'переводных коэффициентов с банками лесоустрои-

Таблица 2

Эскиз таблицы биологической продуктивности березняков Среднего Урала, совмещенной с ТХР Л.А. Лысова (Луганский, Лысов, 1991) по некоторым хозяйственным группам типов леса.

А, лет Н, м V, см N. м, Н50,м Надземная фнтомасса в абсолютно сухом состоянии Древесная

тыс. мЗ/га зелень в

экз./га свежем со-

стволы, т/га скелет крон, т/га листва, % листвы %кроны в стоянии,

т/га в кроне надземной т/га

всего коры всего | коры фитомассе

Липняковая группа

20 12,3 9,0 3,12 134 26,1 66,7 13,1 8,0 3,9 2,00 20,0 13,0 9,9

40 19,6 16,0 1,28 245 24,1 124,8 20,6 12,3 4,8 2,10 14,6 10,3 10,4

60 23,4 20,6 1,87 320 21,4 156,2 23,3 15,5 5,4 2,19 12,4 10,2 10,6

80 25,8 24,7 0,65 370 19,6 170,6 23,8 18,0 5,8 2,23 1,0 10,6 10,5

100 27,2 28,1 0,52 402 18,2 173,8 23,2 19,7 6,0 2,25 10,2 11,2 10,3

120 28,0 31,0 0,44 420 17,3 170,2 > 22,1 20,7 6,0 2,22 9,7 11,9 9,9

Травяно-зеленомошная группа

20 7,9 6,0 4,61 62 18,1 30,0 6,5 4,3 2,3 1,35 24,1 15,7 6,4

40 14,2 11,5 1,89 142 17,0 73,1 13,2 8,0 3,5 1,67 17,3 11,6 8,0

60 18,3 16,3 1,14 204 15,8 104,2 16,8 11,3 4,4 1,84 14,0 11,2 8,7

80 20,6 19,7 0,85 244 14,5 119,8 17,8 13,4 4,9 1,93 12,6 11,4 8,9

100 22,3 22,4 0,69 267 13,9 125,5 17,7 14,2 4,9 1,90 11,8 И,4 8,6

120 23,0 24,0 0,62 279 13,0 127,2 17,3 14,3 4,7 1,85 11,5 11,3 8,2

Сфагновая и травяно-болотная группы

20 3,6 2,8 8,28 12 10,0 7,2 1,8 1,0 0,5 0,48 32,8 16,9 2,1

40 7,8 6,3 3,65 44 9,2 21,9 4,7 3,0 1,5 0,86 22,3 15,0 . 4,0

60 11,6 10,3 1,92 89 9,2 42,3 8,0 6,0 2,7 1,26 17,3 14,7 5,7

80 13,8 13,3 1,29 114 8,7 52,2 9,3 7,9 3,3 1,42 15,3 15,1 6,3

100 14,8 10,1 1,06 127 8,0 56,2 9,6 8,8 3,5 1,46 14,3 15,4 6,3

120 15,3 16,3 0,93 142 7,3 61,8 10,2 9,6 3,8 1,55 13,9 15,3 6,6

тельных данных (Макаревский, 1991; Исаев и др., 1993; Алексеев, Бер-дси, 1994). При этом можно выделить несколько уровней приближения к реальности.

Первый уровень приближения. Метод основан на расчете среднего значения переводного коэффициента для той или иной породы или группы пород. Умножением названного коэффициента на запас стволовой древесины, полученный при лесоинвентаризации того или иного региона, получают значения фитомассы на всей или какой-то части его лесопокрытой площади (Armentano, Ralston, 1980; Delcourt et al., 1981; Birdsey, 1992; Sampson, 1992; Kolchugina, Vinson, 1993 6).

Второй уровень приближения. Метод включает расчет среднестатистического переводного коэффициента, дифференцированного по породам и возрастным группам (Макаревский, 1991; Исаев и др., 1993; Алексеев, Бердси, 1994). Значения фитомассы для того или иного региона получают путем взвешивания среднестатистического переводного коэффициента по породам, лесопокрытым площадям и запасам стволовой древесины в соответствии с распределением последних по возрастным группам.

Третий уровень приближения. Метод предполагает более точную оценку общей фитомассы по сравнению с предыдущим, поскольку переводной коэффициент взвешивается по удельной площади и запасам стволовой древесины, распределенным не по одному, как в предыдущем варианте, а по двум определяющим факторам одновременно -возрасту и классу бонитета (Penner, 1997).

Четвертый Г предлагаемый) уровень приближения предполагает в соответствии с моделью (11) учет не только возраста и класса бонитета, но и плотности древостоя.

. В соответствии с четырьмя уровнями приближения экспериментальные данные переводных коэффициентов углерода систематизировались и обрабатывались по четырем вариантам (рис.2). Содержание углерода в сухой массе стволов и ветвей принято 50%, а в листве - 45% (Кобак, 1988). Наш подход к экстраполяции данных фитомассы и содержащегося в ней углерода, полученных на пробных площадях, на лесопокрытую площадь лесхоза или региона реализован на примере березовой хозсекцщгНевьянского лесхоза Свердловской области. Общая площадь хозсекции - 33,4 тыс.га, общий запас - 2986 тыс.м3, средняя площадь выдела - 2,0 га, средний запас на выделе - 90 м3/га.

Разработано специальное программное обеспечение для экспорта данных из исходных бинарных файлов (повыдельные таксационные описания на магнитных носителях) с использованием формата СУБД PARADOX версии 4.5 для DOS. Получение переводных коэффициентов запаса углерода для четвертого уровня приближения (модель 11) требует наличия показателя густоты древостоя N. В банках лесоустроительных данных отсутствует показатель густоты N, но есть данные средних диаметра D и высоты Н и относительной полноты ОП. Для обеспечения стыковки модели (11) с лесоустроительными данными в программу сортировки повыдельного банка данных вводится вспомогательный блок (см. рис.2), включающий расчетный алгоритм

G„ = f(H) -> G = G„ ОП -> N = 1.274G/D2 , (12)

где первое звено представляет аналитическое выражение для нормальной абсолютной полноты Gn (м2/га) как функции средней высоты древостоя (стандартная таблица сумм площадей сечений). Весь диапазон ОП разделен на три группы (0,4; 0,7 и 1,0), каждая из которых характеризовалась согласно (12) специфичными значениями D и N. В результате совмещения переводных коэффициентов углерода с матрицами распределения площадей и запасов выделов (см. рис.2) получены средневзвешенные значения запасов углерода по фракциям (табл. 3).

Таблица 3.

Запасы углерода (т/га) на лесопокрытых площадях березовой хозсек-

ции Невьянского лесхоза, рассчитанные разными методами

Фракции фитомассы Варианты

I II III IV

т/га % к IV т/га % к IV т/га % к IV т/га

Ствол 24,7 108 22,3 97 23,5 103 22,9

Ветви 3,2 94 2,5 73 3,0 88 3,4

Листва 0,7 142 0,3 58 0,6 117 0,5

Итого 28,6 107 25,1 94 27,1 101 26,8

Структурированный повыдельный банк данных лесоустройства дает возможность рассчитать не только общий запас углерода на данной территории, но и систематические ошибки оценок запаса углерода, как общие, так и дифференцированные по площадям. Отклонения значений запасов углерода в тоннах и процентах рассчитаны отдельно для первого, второго и третьего уровней приближения относительно четвертого (базового) варианта (рис.2). Расчет смещений показал, что

Рис.2. Блок-схема четырех вариантов совмещения банка лесоустроительных данных с переводными

коэффициентами запасов углерода

по запасу углерода, например, в листве I вариант завышает оценку на 20, 40, 60 и 80% на площадях, составляющих соответственно 15, 44, 17 и 9% к общей, II вариант занижает на 20 и 40% на площадях, составляющих 16 и 79% к общей и III вариант завышает на 20 и 40% на площадях, составляющих 28 и 42% к общей лесопокрытой (рис.Зв).

По-видимому, приведенные цифровые показатели смещений в оценках запаса углерода обусловлены некорректными существующими методами расчета переводных коэффициентов и могут иметь место на лесопокрытых площадях не только в пределах лесхоза, но и на территории крупных регионов.

7.3. Моделирование предельных показателей фитомассы березовых древостоев

В качестве основной в системе рекурсивных уравнений предельных (максимальных) показателей фитомассы березняков рассчитана зависимость

где У - запас стволовой древесины, м3/га, а также переводные коэффициенты углерода Р;/М в фитомассе стволов, ветвей и листвы, т/м3; Н -средняя высота древостоя. В качестве вспомогательных рассчитаны траектории изменения максимальных значений среднего диаметра Омакс и средней высоты Нмакс древостоев:

Последовательным табулированием уравнений (14), (15) и (13) по задаваемым значениям А и N получены колоколообразные зависимо-" сти фитомассы от густоты по классам возраста (рис.4). Правые ветви таких кривых пересекаются, образуя линию самоизреживания древостоев.

1. Предложены регрессионные модели массы листвы и скелета ветви I порядка, учитывающие диаметр и длину ветви, а также положение ветви по вертикальному профилю кроны и ценотическое положение дерева в пологе, и объясняющие 76-85% общей изменчивости массы листвы и скелета ветви. Модели и составленные на их основе таблицы дают возможность ускоренного расчетного определения массы

Y = f(A, N, D, Н),

(13)

DMaKC=f(A,N), H„aKC=f(A,N,D).

(14)

(15)

ВЫВОДЫ

а

И

п „rIl.IV.rtb., ,--,.. ,п_

|Ш2 ¡03

о о О О О о «о со ^ с^ оооооооо м -V ю во о га чг 6

9

И

.. - гП П Ип Пл ^ _ . п

-100 -80 -60 -20 оооооооо О! Ю <Я О см гг В

■ а,

В2

------ --------- ----------------

_ .л 1, £.пЛ,; , П П . П г.

□ 1; а 2

□ з:

Отклонения, %

Рис.3. Распределение лесопокрытой площади березовой хозсекции Не-вьянского лесхоза по величине систематической ошибки при оценке запасов углерода в фитомассе стволов (а), ветвей (б) и листвы (в), получаемой при использовании переводных коэффициентов различных уровней приближения (1,2 или 3).

фракций кроны дерева, минуя трудоемкую операцию взвешивания и сушки фитомассы.

2. При одинаковых линейных размерах и возрасте дерева масса листвы березы Южного Урала превышает таковую на Среднем Урале и в Северном Казахстане в 2-5 раз. Тем не менее, на уровне пайп-модели, отражающей зависимость массы листвы и скелета кроны от диаметра ствола у ее основания (т.е. от площади водопроводящей заболони), между названными регионами достоверного различия нет, как их не выявлено и между березой и осиной. Следовательно, названную зависимость можно считать обобщенной видовой биологической характеристикой березы и осины.

Полученная зависимость в сочетании с уравнением, определяющим диаметр у основания кроны по диаметру на высоте груди и высоте крепления кроны, дает возможность существенно снизить трудоемкость создания банка данных о фитомассе березняков. Для получения названного инвариантного соотношения достаточно взять 30-70 модельных деревьев; дальнейшее увеличение их числа не повышает точности оценки.

3. Однако зависимость фитомассы отдельных секций (возрастных слоев) кроны от диаметра ствола у их основания не является инвариантной, а достоверно определяется четырьмя факторами: диаметром ствола у основания секции, возрастом кроны в том же сечении, возрастом дерева и диаметром на высоте груди.

4. Предложенная модель двумерного распределения массы скелета кроны по вертикальному профилю и градациям толщин ветвей разных порядков, в отличие от обычно публикуемых фактических одномерных распределений либо по первому, либо по второму из названных факторов, представляет собой специфическую биопродукционную характеристику лесной экосистемы, необходимую при создании многоплановых эколого-экономических моделей.

5. Составленные впервые для Урала эскизы таблиц биологической продуктивности березняков имеют отличительные особенности. Во-первых, регрессионные модели переводных коэффициентов, лежащие в их основе, включают четыре основных массообразующих показателя -возраст, добротность местопроизрастания, средний диаметр и густоту древостоев. Во-вторых, эти модели корректно совмещаются по названным показателям с соответствующими ТХР. Предложенные моде-

Количество стзолов дрезостоя, тыс. экз./га

Рис.4. Колоколообразные густотные кривые запаса стволовой древесины (а), массы стволов (б), массы листвы (в) и массы скелета кроны (г) березняков в абсолютно сухом состоянии для различных возрастов (показаны цифрами), полученные последовательным табулированием рекурсивной системы уравнений (14), (15) и (13). А - огибающие, или линии самоизреживания.

ли и таблицы дают возможность оценивать не только валовые показатели фитомассы, но и их текущие приросты или изменения запасов за определенные временные периоды. Следовательно, они представляют основу для оценки роли лесов в компенсации выброса углеродсодер-жащих газов в атмосферу, т.е. для оценки биосферной роли лесных экосистем.

6. Разработан новый метод оценки запасов органического углерода в лесных экосистемах, включающий алгоритм экстраполяции данных о запасах углерода, полученных на пробных площадях, на лесопокры-тую площадь лесхоза или региона. Алгоритм и соответствующая программа, составленная на основе СУБД PARADOX, позволяют совмещать многофакторные регрессионные модели переводных коэффициентов углерода с повыдельным банком лесоустроительных данных. Особенность метода состоит в том, что оценочные модели углерода включают в качестве регрессоров те же четыре массоопределяющих фактора (возраст, добротность местопроизрастания, средний диаметр и густота), по которым сортируются в банке лесоустроительных данных повыдельные запасы стволовой древесины.

7. На основе разработанной программы на примере березовой хоз-секции Невьянского лесхоза Свердловской области показаны систематические ошибки существующих методов оценки углерода в лесных экосистемах. Они достигают, например, по массе листвы 40-80% на площадях, составляющих 20-40% к общей лесопокрытой площади. Такие смещения влекут за собой и ошибки в оценке возможностей депонирования углерода лесными экосистемами, поскольку последние в значительной степени определяются массой ассимиляционного аппарата или листовым индексом.

8. Выявленные систематические ошибки в оценке запасов углерода в различных фракциях фитомассы, по-видимому, обусловлены тем, что в существующих методах оценки либо игнорируются, либо учитываются лишь частично основные массообразующие показатели древо-стоев. В результате экспериментальные данные переводных коэффициентов получают на пробных площадях с одним набором массообра-зующих таксационных показателей, а экстраполируют их на лесопо-крытые площади, характеризуемые другим набором названных показателей.

9. На каждом возрастном этапе древостоя имеется некоторый биологический предел густоты, выше которого древостой существовать не может вследствие самоизреживания. Использование рекурсивной системы регрессионных уравнений позволило описать траектории предельных показателей надземной фитомассы березняков Урало-Казахстанского региона, представляющие собой линии самоизреживания по различным фракциям фитомассы и характеризующие возможные пределы депонирования углерода в лесных экосистемах.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Зависимость массы крон от возраста и диаметра ствола в березняках Южного Урала И Проблемы восстановления лесов на Урале. -Екатеринбург: Наука. Урал.отд-ние, 1992. -С.16-18. (соавтор В.М.Ваганов).

2. Инвариантные продукционно-морфологические связи крон березы Среднего Урала // Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса: Тез.докл. -Екатеринбург: УЛТИ, 1993. -С.56-57. (соавтор В.А.Усольцев).

3. Фитомасса крон березы Урало-Казахстанского региона: Принципы составления нормативов Н Лесные экосистемы Тургайской впадины: Тез.докл. -Кустанай: Печатный двор, 1993. -С.18-20. (соавтор В.А.Усольцев).

4. Применение биологически обусловленных взаимосвязей при формировании банка данных фитомассы лесов // Современные аспекты лесной таксации: Сб. научных тр., вып.38. -Гомель: Ин-т леса АН Белоруссии, 1994. -С.226-228. (соавторы В.А.Усольцев, С.В.Тепикин, И.В.Мельникова, В.В.Кириллова).

5. Биологически обусловленные взаимосвязи для оценки массы крон пяти лесообразующих пород // Лесная таксация и лесоустройство: Межвуз. сб. научн. тр. -Красноярск: КГТА, 1994. -С.56-68 + при-лож. (соавторы В.А.Усольцев, С.В.Тепикин, И.В.Мельникова,

B.В.Кириллова, Н.Н.Чернов).

6. Оценка массы крон деревьев: физиологические аспекты. Матер. Общероссийск. совещ. 26-28 октября 1993г. в Петрозаводске. Экосистемы Севера: структура, адаптация, устойчивость. М.: 1995. -С.230-242. (соавторы В.А.Усольцев, И.В.Мельникова, З.Я.Нагимов,

C.В.Тепикин, В.В.Кириллова).

7. Принципы формирования баз данных по фитомассе лесов России и Швейцарии // Леса Урала и хоз-во в них. -Вып. 18. -Екатеринбург: УГЛТА, 1995. -С.198-227. (соавторы В.А.Усольцев, С.А.Горбунова, З.Я.Нагимов).

8. Модель внутрикронового распределения фитомассы в березняках Среднего Урала // Актуальные проблемы лесоведения: Тез. докл. -Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 1996. -С. 59-61. (соавтор В.А.Усольцев).

9. Региональные и видовые особенности зависимости массы древесной зелени березы и осины от диаметра, высоты и возраста дерева // Изв. вузов. Лесной журн., 1996. №4-5. С.22-30. (соавторы В.А.Усольцев, В.В.Кириллова).

10. Распределение массы ветвей березы Среднего Урала по толщине и вертикальному профилю кроны: Тез. докл. -Молодежная конфер.: «Проблемы общей и прикладной экологии». - Екатеринбург: Ин-т экологии растений и животных. -1996. -С.211-213. (соавтор В.А.Усольцев).

11. Оценка предельных запасов фитомассы березовых древостоев с учетом их горизонтальной структуры II Матер, научных чтений, посвященных памяти Б.П.Колесникова. -Екатеринбург: Ин-т леса УрО РАН (в печати).

12. Зависимость массы ветвей I порядка от их дендрометрических показателей у сосны и березы Урала // Леса Урала и хоз-во в них. -Вып. 19. -Екатеринбург: УГЛТА (в печати).

13. Ход роста надземной фитомассы березняков Среднего Урала // Там же. (в печати).

14. Новый метод экстраполяции фитомассы древостоев пробных площадей на лесопокрытую площадь лесхоза и систематические ошибки существующих методов II Там же. (в печати).

15. Регрессионная модель предельных показателей фитомассы березовых древостоев // Изв. вузов. Лесной журн. (в печати).

16. Новый метод расчета запасов органического углерода в лесных экосистемах И Экология (в печати).