Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ РОСТА, СТРОЕНИЯ И ПРОДУКТИВНОСТИ ДРЕВОСТОЕВ НА ПРИМЕРЕ БЕРЕЗНЯКОВ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "СИСТЕМАТИЗАЦИЯ РОСТА, СТРОЕНИЯ И ПРОДУКТИВНОСТИ ДРЕВОСТОЕВ НА ПРИМЕРЕ БЕРЕЗНЯКОВ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ"

На правах рукописи

ХЛЮСТОВ ДМИТРИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ РОСТА, СТРОЕНИЯ И ПРОДУКТИВНОСТИ ДРЕВОСТОЕВ НА ПРИМЕРЕ БЕРЕЗНЯКОВ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

06.03.02 — Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

■ \

Москва-2004

Работа выполнена в Московском государственном университете леса

Научный руководитель

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Харин Олег Александрович.

Официальные оппоненты:

- доктор сельскохозяйственных наук, профессор Сухих Василий Иванович

- кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Автухович Евгений Васильевич

Ведущая организация

— ФГУП Поволжское лесоустроительное предприятие «Поволжский лес проект»

Защита диссертации состоится « 29_» д^дбря 2004 г. в 10ч. 30 мцц. часов на заседании диссертационного совета Д.212.146.02 при Московском государствен ном университете леса по адресу: 141005, Московская область, г. Мытищи-5, ул. 1 -я Институтская, Московский государственный университет леса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ■кат-государственного университета леса

Автореферат разослан « 2? » ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных

наук,доцент Ф.Л.1;ич пи;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований следует из того, что возрастная динамика роста, строения и продуктивности древостоев является основой лесоустроительного проектирования и ведения лесохозяйствениой деятельности. Исследования закономерностей хода роста и динамики таксационного строения березовых древостое в Среднего Поволжья до настоящего времени носили фрагментарный характер, а составленные Поволжским лесоустроительным предприятием эскизы таблиц хода роста нуждались в существенной доработке и детализации. Отсутствие четко выраженных территориальных границ (районов) использования ранее выявленных частных закономерностей возрастной динамики требовало проведения системных исследований. При переходе лесного сектора экономики на рыночные условия, в которых осуществляется ориентация на целевое лесопользование, назрела необходимость в разработке единых системных нормативов, сочетающих в себе возрастную динамику роста, строения продуктивности и товарной структуры древостоев.

Цель работы и задачи исследований. Систематизировать на примере березняков Среднего Поволжья многообразие таксационного строения древостоев. Выявить закономерности возрастной динамики роста, строения и продуктивности растущей части древостоев, В соответствии с этим были поставлены следующие основные задачи исследований:

- уточнить общую закономерность текущего радиального прироста деревьев и на ее основе разработать способ прогнозирования динамики строения древостоев;

- разработать методику расчета теоретических частот эмпирического вариационного ряда непараметрическим методом;

- дать комплексную классификацию таксационному строению древостоев по статистическим показателям формы и масштаба рядов распределения;

- разработать статистическую модель таксационного строения древостоев по квантилям вариационного ряда;

- разработать модели возрастной динамики роста, строения и продуктивности древостоев.

Научные положения, выносимые на защиту, н их новизна.

Уточнена общая закономерность изменения радиального прироста, выраженного в долях прироста, соответствующего среднему дереву древостоя от редукционных чисел диаметра. Она зависит только от возраста древостоев. Полученная на ее основе модель может быть использована при прогнозировании динамики строения древостоев.

Разработана методика расчета теоретических частот эмпирического ряда непараметрическим методом, описывающая кривые распределения от джей-образных кривых до кривой нормального распределения.

Проведена многомерная классификашся кривых распределения деревьев по диаметру по статистическим показателям масштаба и формы, позволившая уложить все многообразиЕПфИВШГЬ 6 - у классов,

ЦНБ МСХА фонд кстанОу ЛНТО£

Ю-

Разработаны модели динамики строеная древостоев по квантилям вариационного ряда.

Уточнены закономерности динамики роста и продуктивности растущей части древостоев Среднего Поволжья.

Достоверность выводов н результатов исследований обеспечивается использованием большого по объему экспериментального материала, применением многомерных статистических методов анализа данных и проверкой результатов исследований в различных лесорастнтельных районах Среднего Поволжья.

Практическая ценность и реализация работы.

Разработана новая сиравочно-нормативная база возрастной динамики роста, строения и продуктивности березняков Среднего Поволжья. Результаты исследований в виде справочника «Ход роста и строение сомкнутых березовых древостоев Среднего Поволжья (с графическим приложением)» (2004) включаются в «Основные положения организации и ведения лесного хозяйства субъектов Приволжского Федерального Округа» и рекомендованы к использованию в лесоустроительном проектировании при обосновании режимов лесопользования (акт о внедрении Ведущей организацией ФГУП «Поволжский леспроект» к диссертационному исследованию прилагается).

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских и международных научных конференциях: «200- летне Лесного Департамента России» (НГСХА, Н.Новгород, 2000); Студенческая научная конференция (НГСХА, Н.Новгород, 2001); «Актуальные проблемы лесного хозяйства и рациональное использование природных ресурсов Нижегородской области» (НГСХА, Н.Новгород, 2002); «Леса Евразии в XXI веке: Восток — Запад» (МГУЛ, Москва, 2002); «Проблемы экологии и охраны природы. Пути их решения» (УлГУ, Ульяновск, 2003); «Динамика научных достижений — 2004» (Днепропетровск, 2004).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 9 печатных работах и лесотаксацнонном справочнике «Ход роста и строение сомкнутых березовых древостоев Среднего Поволжья (с графическим приложением)».

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и предложений, списка использованной литературы из 155 наименований, в том числе 15 на иностранных языках. Работа содержит 184 страницы машинописного текста, 28 таблиц, 91 рисунок и 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В краткой форме обосновывается актуальность темы диссертации, изложены цель и задачи исследований, сформулированы научные положения, выносимые на защиту и их новизна, отражена практическая значимость работы и ее внедрение в производство.

1. Состояние вопроса. В настоящее время отечественное лесоустройство располагает значительной теоретической базой в в пае справочных лесотаксашюнных нормативов, разработанных для всех лесорастительных районов Российской федерации и стран СНГ. Примером выполнения этого колоссального труда является лзданле справочника «Общесоюзные Нормативы для таксации лесов».

Особая роль в теоретических основах лесоустройства и древесного лесопользования отводится лесогаксационным нормативам. Хронологня исследований в этом направлении получила свое начало еще в середине XIX века и продолжалась в трудах русских ученых лесоводов Варгаса де Бедемара, М.М.Орлова, Д.И.Товстолеса, Л.И.Тарашкевича, Н.В.Третьякова, Ф.П.Мопсеенко, И.М.Науменко, МЛ .Дворецкого, В.К.Захарова, Д.П.Столярова, В.С.Моисеева, А.Г.Мошкалева, П.М. Верху нова, В.В.Загреева и многих других. Широкую тпестность в научном мире получили труды зарубежных ученых Т.Гартига, Р.Гартига, М.Гейера, Л.Шваппаха, Е.Видемана, Е.Ассманна, И.Пльвесалло и др.

Таблицы хода роста разделяют на местные и общие. Млея теоретического обобщения лесотаксашюнных нормативов развивалась В.ВеЙзе, Р.Всбером, А.Шифелем, А.Фрике, Л.В.Тюртшм, В.В.Загреевым, Н.Н.Сваловым и др.

В последние десятилетия заслуживают особого внимания исследования по возрастной динамике древостоев, основанные на многомерных методах анализа опытных данных с использованием ПК (Кузьмичев, 1977; Филиппов и др., 1980; Лиепа, 1980; Макаренко, 1987; Лтрощенко, 1988; Кивисте, 1988; Кулешие, 1989; Воронков и др., 1990; Меньшиков, 1990; Черных, 2002 и др.).

Методические приемы исследования строения древостоев в научной литературе освящены довольно подробно, в лесотаксашюнных справочниках ряды распределения по ступеням толщины в древостоях с различным средним диаметром представлены Л.В .Тюриным, В.С. Моисеевым, Л.Г.Мошкалевым, В. Ф. Баги неким, Л.З.Шпиделко, Г. С. Вой новым, Л.Л.Макаренко, Н.Т. Смирновым, В.Л. Черных и др.

Возрастная динамика естественного и искусственного формирования оптимальной товарной структуры древостоев напрямую связана с динамикой строения древостоев. Эти задачи решались в двух направлениях: на основе моделирования статистических показателей рядов распределения от ряда таксационных признаков (Кузьмичев, 1977; Макаренко, 1987) и на выявлении закономерностей динамики квантилей вариационного ряда (Хлюстов, 1992),

Рассмотренные проблемные вопросы предопределили основные направления, цель и задачи исследований.

2. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ

Согласно целевой направленности работы, исследования проводились по следующим программным вопросам:

1) дать статистическую оценку моделям строения древостоев, построенным на основе параметрических и непараметрических методов;

2) разработать новы tî способ моделирования строения древостое в непараметрическим методом;

3) разработать способ прогнозирования возрастной динамики строения древостое в по величине текущего прироста;

4) дать комплексную классификацию строения древостоев и построить модели статистических показателей масштаба и формы рядов распределения;

5) выявить закономерности и построить модели строения древостое в по квантилям вариационного ряда;

6) разработать способ классификации многообразия форм строения древостоев;

7) выявить закономерности и построить модели возрастной динамики роста и строения растущей части древостоев.

Исследования проводились с учетом общепринятых методических руководств (Сукачев, Зонн, Мотовилов, 1957; Захаров, 1961; Молчанов, Смирнов, 1967;3агреев, Швиденко,1973; Лнучин, 1982).

Закладка пробных площадей проводилась в пределах типа леса, в одновозрастных древостоях березовой хозеекции. При наличии в составе древостоя примеси других пород таксация пробных площадей велась по элементам леса. Количество деревьев на пробных площадях соответствовало требованиям ОСТ 56-69-83 «Пробные плошали лесоустроительные. Метод закладки». В соответствии со стандартом заложено 19 пробных площадей.

Экспериментальный материал был дополнен пробными площадями, заложенными Поволжским лесоустроительным предприятием в различных лесораститсльных районах Среднего Поволжья, Территория, определяемая как Среднее Поволжье, включает в себя Республики Марий Эл. Татарстан, Удмуртия, Чувашскую и Мордовскую республики, Кировскую, Костромскую, Нижегородскую, Пензенскую, Пермскую, Самарскую и Ульяновскую области. По принятому в лесной таксации районированию Среднее Поволжье относится к Центральному району европейской части России («Общесоюзные нормативы для таксации лесов»).

Опытными данными были охвачены древостой от Ш до I* классов бонитета с I по XII классы возраста. Всего для анализа возрастной динамики таксационных показателей использовано 27 пробных площадей со сплошным перечетом деревьев, а также данные 104 выделов, с проведенной на них прицельно-измерительной таксацией древостоев, на которых, согласно программе исследований, проведен весь комплекс измерений.

Кроме того, о диссертации использовались данные о строении древостоев по диаметру, полученные разными авторами в различных лесорасштельных районах с диапазоном средних диаметров от 2-х до 64-х см. Всего в работе использовано 120 вариационных рядов распределения деревьев л о диаметру.

Обработка опытного материала осуществлялась в соответствии с методическими разработками по ходу роста древостоев, по теории

распределения случайных величин, по текущему приросту деревьев и древостоев (Верхунов, 1979; Антанайтнс, Загреев 1981; Бредихин М.А, 19В5; Антанайтис, 1986; Богачев, 1991, Баги некий, 1996;), с применением статистических методов анализа (Урбах, 1964; МитропольскиП, 1969; Никитин, Швиденко, 1978; Герасимов, Хлюстов, 2001) по стандартным и разработанным диссертантом программам,

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОЕНИЯ ДРЕВОСТОЕВ ПО ДИАМЕТРУ И РАДИАЛЬНОМУ ТЕКУЩЕМУ ПРИРОСТУ ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ И НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

В главе представлены результаты статистического анализа параметров кривых распределения деревьев по толщине и радиальному текущему приросту за последние 5 лет. Показана достоверность определения средней арифметической величины, стандартного отклонения, асимметрии и эксцесса. При аппроксимации эмпирических распределений 24-х вариационных рядов, охватывающих березняки от молодняков до спелых древостоев, испытаны кривые распределения Джонсона, основанные на использовании квартилей рядов распределения и наиболее совершенные четырехпараметрнческие кривые К.Пирсона по разработанным автором программам.

Наряду с указанными моделями аппроксимации эмпирических распределений, подробно изложен новый способ расчета теоретических частот эмпирического ряда лепараметр|р(еским методом. Он основан на пошаговом теоретическом распределении накопленного процентного ряда ог медианы в начало (I класс) и конец (X класс) ряда. При наличии джей-образной кривой алгоритмом предусмотрен пошаговый расчет накопленного распределения частот от 1-го класса к Х-му, так как модальное значение соответствует 1-му классу ряда распределения. Предложена система теоретических кривых (25 типов), основанная на расчете коэффициента р по данным процента накопленных частот, соответствующих квантилям ряда, размещенным в границах V и VI классов ряда распределения (рис 1).

о г 1 14447« » -*0 и

Классовый ттроиежуюк Рпс. 1. Номограмма теоретического изменения показателя р ло классам ряда распределения

Статистическое сравнение эмпирических и теоретических распределений но критерию хг-Пирсона позволило оценить рассмотренные кривые как равнозначные, адекватно описывающие распределение деревьев по диаметру и радиальному приросту (табл.1).

Таблица К

Сравнительная оценка надежности теоретических распределении,

предложенных разными авторами

Наименование распределения —I X, Ха Достоверность различий по 1-критерию Стьюдснта

Джонсона Пирсона по нашей модели

По радиальному приросту

Джонсона 8,90 ±1,44 12.6 - 1,613 1 2,205

Пирсона 5,71 ±1,36 11,1 - 1 0.33

по нашей модели 5.18 ±0,89 12.6 - i

По диаметру

Джонсона 7,71 +1,62 1 12,6 - 2,249 i 2,075

Пирсона 3,70 ±0,75 ) 11.1 - - 0,172

по нашей модели 3,89 ±0,87 1 12,6 - i i

toi = 2,07 при числе степеней свободы v =(n]+ nj)-2 ~ 22

Предложенный алгоритм расчета теоретических частот позволяет рассматривать строение древостоев, укладывая их в общую систему изменений коэффициента р и 10-ти классовых промежутках.

Детально рассматривается способ прогнозирования строения древостоев на основе закономерностей текущего прироста. Так как изменение с возрастом масштаба и формы ряда распределения древостоя тесно связано с приростом составляющих его деревьев, то была поставлена задача выявить статистически обоснованную форму взаимосвязи прироста от размера деревьев, а также описать его изменение от возраста и уровня производительности древостоев.

Обнаружение указанных закономерностей потребовало наличия статистических доказательств с выполнением следующих процедур:

- дать оценку сходства формы рядов распределения деревьев по толщине и радиальному приросту;

выявить статистически значимое наличие или отсутствие криволинейности взаимосвязей радиального прироста с диаметром деревьев по И-критерию линейности корреляции;

- определить форму и структуру модели взаимосвязи радиального прироста с диаметром и возрастом древостоев при разных уровнях производительности;

- провести статистическое сравнение линий регрессии с целью выявления общей закономерности изменения радиального прироста от диаметра деревьев.

Решение этих задач позволило получить модель (1),

гг = ехр(11,875 - 7,199 -1пЛ + 0,852

(1)

На основе полученной модели рассматривается возможность прогнозирования возрастной динамики строения от исходного ряда распределения с использованием модели прироста. В результате пошагового накопления прироста по среднему диаметру древостоя и по модели радиального прироста (1) получены теоретические кривые изменения масштаба и формы рядов распределения с возрастом древостоя (рис. 2 и 3).

о

I 5 Ё

i

X

Диаметр, см

Рис. 2. Прогнозирование динамики изменения диаметра деревьев но заданным рангам по модели (1) от накопленного рила распределении в начальном возрасте древостоя

10 15 гэ !$ эо

Диаметр, см

Рис. 3. Прогнозирование распределения числа деревьев по диаметру от условного ряда распределение в начальном возраст« древостоя

4. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ СТРОЕНИЯ ДРЕВОСГОЕВ ПО ДИАМЕТРУ

Глава посвящена классификации рядов распределения по статистическим показателям масштаба. При решении этой задачи было задействовано 120 рядов распределения деревьев в древостоях, произрастающих в различных лесорзстптельных районах. Из общего количества рядов 93 ряда представлено теоретическими кривыми, относящимися к лесорастительным районам Северо-Запада, Северо-Востока РФ, Белоруссии, Украины, Молдавии, Уральскому региону, южной части Западной Сибири.

В качестве исходных переменных были приняты показатели масштаба: диаметр минимальный^,„), диаметр максимальный (<1„„), диаметр средний арифметический (Р), спнцартное отклонение (о), медиана ряда распределения (Мс), малая (с]2}ч) и большая (<1?;ч) квартили.

Факторный анализ рядов распределения позволил выявить две главные компоненты (<10,п) и О, о, Ме, , (¡75%). Дендрограмма кластеризации рядов распределения по ближайшему соседу и Уорду позволила выявить 8 классов рядов по показателям масштаба. Достоверность классификации была подтверждена критериально д искрим и нантным анализом. Суммарное межкластерное расстояние Мзхаланобисз равно 62,48 при значимости менее 5%-ого уровня при отсутствии статистически значимых различий рядов в пределах классов. Большинство рядов - 84% имеет вероятность принадлежности к классу на уровне 80-100% н 16% в диапазоне 50-80%.

Проведенная классификация рядов распределения позволила получить 8 усредненных исходных переменных и выявить закономерности изменения статистических показателей масштаба рядов распределения от среднего диаметра древостоя. Коэффициенты детерминации алло метрических уравнений связи находятся в границах от Я2= 0,995 до Я1*-0,999, что указывает на высокую тесноту взаимосвязей между переменными, подтверждая их статистическую достоверность.

Также рассмотрено решение классификационной задачи распределения вариационных рядов по форме, характеризуемой скошенностью ряда - асимметрией и крутизной — эксцессом. Наличие двух исходных переменных позволило построить денлрограмму кластеризации по стратегиям ближайшего соседа и У орда. В результате кластеризации выявлено 9 классов рядов. Достоверность классификации подтверждена критериально. Суммарное межкластерное расстояние Махаланобиса равно 104,2 при значимости менее 5?4-ого уровня (Р<0,05),

Рассматривается также н взаимосвязь усредненных по классам показателей эксцесса от асимметрии, которая статистически довольно точно аппроксимируется уравнением параболы второго порядка:

Б = 0,7905 Аз1 + 0,6793 Аз + 2,7015 (2)

И1 =0,974

и

Графическая интерпретация этой взаимосвязи (рис. 4) позволяет отметить наличие среди 9-ти классов рядов распределения группы из 3-х классов, близких к кривой нормального распределения. В остальной совокупности классов проявляется восходящее параболическое увеличение эксцесса от асимметрии, достигающее максимального значения Е = 8,57 при Аз = 2,35

о

-о.з

00

0.5

1.5

2.0

I

_! 2.3

1.0

Асимметрия

Рис. 4. Взанмосвазь эксцесса с асимметрией рядов распределения

Детально освящается комплексная классификация строения древостоев по всему комплексу статистических показателей масштаба и формы. Так, при решении классификационной задачи было предусмотрено проведение факторизации с выделением главных компонент. В результате из всей совокупности исходных переменных было выделено 3 собственных значения факторов. Первую главную компоненту представили А$ и Е, вторую — ¿тт.^к, о, третью - переменные, близкие к средней арифметической величине ряда распределения - И, Ме, , йт^.

_г»—1»■ 1

га пэм п-н .-г*

I I и Л

Зг^^Гг

-гтптпг

> 1Г Ч 4!

-Г Л К >1 В И

II М 'I I) I» •* Ч

Номер ряда распределения Рис* 5* Дсндрограмма кпятршцин рядо& распределения по стратегии У орда

Дендрограыма кластеризации в системе главных компонент позволила выделить 8 групп рядов распределения (рис. 5). Достоверность результатов классификации критериально оценена по суммарному межкластерному расстоянию Махаланобиса, равному 141,7 при Р<0,05

На рисунке б представлено распределение вероятностных характеристик при соответствующем расстоянии ряда распределения до центра кластера. Практически во всех случаях, кроме двух (ряды 14 и 58), значимость расстояния до центра кластера больше 5%-ого уровня, что свидетельствует о достоверном отнесении конкретного ряда к соответствующему классу. .... —

I "

& оа

i 05

Г1А

i 02 г 00,

г1

в 1а

• Значимость расстояния до центра класса

О Вероятность принадлежности ряда к классу

Расстояние до центра класса (Б ) Рис. 6. Распределение показателей вероятности принадлежности рядов распределения к конкретным классу

Наглядно закономерности изменения показателей масштаба и формы от среднего диаметра представлены на рисунках 7 и 8.

к §

1 о

° Диаметр иинимальный

■ Диаметр максимальный

* Стандартное отклонение

х Медиана

о Квартиль 25%

• Квартиль 75%

го м зо » до Средний диаметр, см

Рис. 7. Взаимосвязь усредненных показателей масштаба вариационных рядов со средним диаметром древостоя после проведенной классификации

Статистические параметры аллометрических уравнений связи (табл.2) указывают на высокую тесноту взаимосвязей между переменными, подтверждая их статистическую достоверность.

Таблица 2.

Статистические параметры уравнений регрессии показателей масштаба и формы_

Переменная Константа начального роста (а> Аллометрическая постоянная (В) Коэффициент детерминации CR2»

tinin 0,2344 1,1400 0,981

^niy 4,0648 0,7495 0,995

£ 0,8845 0,6650 0,990

Me 0,7900 1,0729 0,999

Хг>ч 0,469 1,1559 0,999

1,2572 0,9849 0,999

As 2.8455 -0,7254 0,885

E 5,2396 -0.1834 0,895

4.5 -.....— 40 •Д 2 « g " Б г.е Ё i.s ¡г . | " ^ Й 05 ° 'S-- £__о ^ • Асимметрия оЭкеце«

__• » — *-*--

о t ю (s ад « за м ¿о

Средний диаметр, см

Рис, 8. Зависимость статистических показателей формы вариационных родов от среднего диаметра древостоя после комплексной классификации

Закономерности изменения асимметрии и эксцесса рядов распределения были рассмотрены во взаимосвязи с показателями, характеризующими основные элементы масштаба (dmm, dm«, D, а).

В результате статистического моделирования получены уравнения регрессии вида:

(As + 1) = <ир{-0,08б - 0,953/«о + 0,08IJiAU,+

+ 0,363/n5dmli - 0,357/rD + 0,063/лМ (3)

R2 = 0,922 l = 11,2; 8,3; 7,6; 16,5; 24,5; 2,0 |

üm <l(r,n= 0,5-24см Hm dm„-4,5-72cM lim D= 1,3-44,1см lim с=0,97-П,13см

Е =ехр{1,255 + 0,257- 1,476/nD - 0,114/пХ.л ^

-г 0,38/nldrala - 0,073/»'D - 0,425/«2ст} (4)

R2 = 0,895 t= | 9,8;3,4; 10,8;4,9; 19,4; 2,4; 9,91 Hm <lnv,n= 0,5-24см lim dmt^4,5-72cM üm D= 1,3-44,1см lim o=0,97-11,13см Ошибки и погрешности полученных уравнений представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Функционалы, ошибки и погрешности уравнений взаимосвязи

показателей масштаба и формы

Статистический показатель Функционал Номер уравнения Ошибки и почетности уравнений

¿о I Ор,% i ±Оа,%

AS + 1 dm... D„, С) 4.5.1 0,119 7.955 i 0,317 1 7,948

Е fTd„,;-. d™. D». о) 4.5.2 0.282 7.710 j 0.307 1 7.704

Е fiAs) 4.5J 0.303 8,396 0,624 1 8.373

Е Wimm о. As) 4.5.4 0.148 3,636 | 0.066 i 3,635

±о — абсолютная погрешность уравнения; ±Д, % - относительная погрешность уравнения; Ор, % - систематическая ошибка; *Оо, % —случайная ошибка

На основе этих уравнений составлена таблица изменения параметров рядов распределения от среднего диаметра древостоев в диапазоне от 2 до 70 см.

В главе также рассматривается вопрос о выявлении обшей закономерности строения древостоев по квантилям вариационного ряда. Результаты моделирования взаимосвязи диаметров деревьев по рангам со средним диаметром древостоев позволяют претендовать на утверждение того, что обнаруженная закономерность является таковой, так как наряду с нашими данными, относящимися к молоднякам, средневозрастным, приспеваюшим и спелым древостоям, были использованы ряды распределения, охватывающие строение молодняков, средневозрастных, приспевающих и спелых древостоев Северо-Залааа и Северо-Востока РФ (Л. Г. Мо шкал ев, B.C. Моисеев, Г. С. В ой нов), средневозрастных, приспевающих И спелых древостоев Белоруссии, Украины, Молдавии, Урала, юга Западной Сибири (Л.З. Ш виден ко, В.Ф. Багинский, В.Л. Черных, Л.Д. Макаренко, Н.Т. Смирнов). Диапазон средних диаметров древостоев составил от 1 до 44 см.

Использование регрессии аллометрической функции у - ахр позволило получить для заданного ранга деревьев модель с численными коэффициентами а (константой начального роста) и р (аллометрической постоянной).

Статистические показатели тесноты взаимосвязей диаметров деревьев по рангам со средним диаметром древостоев, погрешности и ошибки уравнений представлены в таблице 4.

Таблица 4

Показатели точности моделей по рангам деревьев

Показатель точности Значения показателей по рангам деревьев

5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95

R2 ¡0,962 0,982 0,991 0,995 0,996 0.997 0.997 0,998 0,997 0.995 0,983

io, см I 0,96 0.83 0,73 0,66 0,60 0,57 0,51 0.54 0,69 1.02 1.56

±Д, % 119.81 11.83 7,28 5,26 4,42 3.60 3.59 2.65 3,18 4,15 6,67

Op. % 1 1,52 0,63 0,25 10.14 10,11 0,07 0,04 0,03 0,05 0,08 0.03

±Оо,% 13 9,76 11,81 7,27 ! 5,25 4,42 | 3,59 3,59 2.65 3.18 4,15 1 6,67

R* - коэффициент детерминации

Высокие показатели тесноты рассматриваемой взаимосвязи и точности уравнений регрессии дали основание для построения моделей изменения численных коэффициентов — константы начального роста и аллометрической постоянной от ранга деревьев. Графическая интерпретация моделей представлена на рисунке 9.

а

2.S.

Ь

i 1

X

i ,я

3

5 1

4>

й

~ 0-5

О

о гг 40 so w wo

Ранг, %

Рис 9. Изменение численных коэффициентов уравнения у"«*' от ранга деревьев

В окончательном виде модель диаметра деревьев по рангам от среднего диаметра древостоя представлена уравнением общего вида:

J'-SM'-i^)2" (5)

где: dR-диаметр при заданном ранге, см;

- численные коэффициенты полинома; R - ранг деревьев по диаметру, %;

i - показатель степени полинома; D^ — средний диаметр древостоя, см

а » »S-06R1 - O.OOOffi* + 0 03S6S - 0 OUi ' R' • 0 SS23

6» .1E-K.R'» О-СОКр'-О-СибП'» 1.376S R* ■ 0 »ИЗ

* a•«онстэнта начала ото роста

* в - аллоиетрическэя постоянная

Пределы работы модели 5 ограничены рангом деревьев от 5 % до 95%. Моделирование крайних значений накопленного ряда распределения за указанные пределы частот до ранга 0% и ранга 100% осуществлено по уравнениям множественной регрессии вида;

1,3585 - 0,4128ДР + 1,1926^. (6)

Я2 = 0,870 I = I 3,5; 6,1; 11,5| 1нпО = 2-64см

<5й,оо% = 0,7348-0,5153Др + 1,6088<1К95г. (7)

К1 = 0,978 1-11,0;2.6; 11,01 ИшО = 2-64см Полученная точность уравнений 6 и 7 вполне достаточна для определения размаха варьирования диаметров по каждому ряду распределения.

Наглядно вся система кривых накопленного распределения частот представлена на рисунке 10.

Диаметр, см

Рис. 10, Обобщенные ролы накоплен нога распределения частит по диаметру

Таким образом, были получены обобщенные ряды распределения деревьев но диаметру, охватывающие различные географические районы произрастания березняков.

В главе подробно рассматривается моделирование взаимосвязи редукционных чисел диаметра деревьев по рангам со средним диаметром древостоя. Рассмотрение этих закономерностей во всем диапазоне средних диаметров от молодняков до спелых древостоев позволил проследить четко выраженное пропорциональное изменение редукционных чисел в пределах ранга с очень высокой степенью точности, описываемое уравнением аллометрической функции с коэффициентом детерминации Я =0,835 для ранга 0% и К2-0,999 для всех остальных рангов. Наглядно выявленные закономерности представлены на рисунке 11.

12 И 20 I* £9

омдвымеомев

Рис.

Средний диаметр, см 11. Изменение редукционных чисел от среднего диаметра по рай гам деревьев

В древостоях со средним диаметром от 2 до 12 см, соответствующих молоднякам, веер кривых свидетельствует о ярко выраженной положительной асимметрии и положительном эксцессе. Далее, с увеличением среднего диаметра, а соответственно и возраста кривые распределения приближаются к кривой нормального распределения,

В результате анализа широкого многообразия форм кривых распределения был предложен новый способ классификации строения древостоев по форме вариационных рядов. Основу способа составляют данные накопленных частот рядов распределения, соответствующие верхним границам классов от I до IX, так как начало I класса соответствует 0, а верхняя граница X класса — 100%. Девять исходных переменных в виде накопленных частот по каждому эмпирическому ряду подлежали факторному, кластерному и д искри ми нантному анализам.

11

1 О [□□ □ НПО

л • _

е- -- —■ ••

• • Значимость

1

Ж

§

£ К

i

е

о.е - - ■

о

о

расстояния до центра класса

С Вероятность принадлежности ряда к классу

Расстояние до центра класса (О1)

Рис. 12. Распределение вероятностных характеристик принадлежности формы рядов распределение к конкретному классу

Достоверность классификации подтверждена критериально суммарным межкластерным расстоянием Махаланобиса, равным 5780 при значимости Р<0,05. Наглядно распределение вероятностных характеристик принадлежности рядов распределения к отдельным классам представлено на рисунке 12.

—>—1 класс -о—2 класс -*-3 класс -»-4 класс —'—б класс класс —7 «ласе

^ -*— 8 класс

а

Порядковый номер классового промежутка Рис. 13. Изменение формы аккумулированных рядов распределения деревьев по толщине в 10 классовых промежутках после проведенной классификации

«Г

Порядковый номер классового промежутка Рис. 14. Изменение формы кривых распределения деревьев по тол шине в 10 классовых промежутках после проведенной классификации

Вся совокупность рядов распределения по форме была разделена на 8 классов. Наглядно это представлено на рисунках 13 и 14.

Наличие представленных форм рядов распределения в сочетании с выявленными закономерностями масштаба позволяет получить достоверные теоретические распределения березовых древостоев по диаметру. Таким образом, изложенные в главе 4 результаты исследований позволили осуществить систематизацию строения древостоев и предложить новые пути решения поставленных задач.

5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗРАСТНОЙ ДИНАМИКИ РОСТА, СТРОЕНИЯ И ПРОДУКТИВНОСТИ ДРЕВОСТОЕВ

Глава посвящена исследованию возрастной динамики средней высоты древостоев. При решении поставленной задачи была проведена систематизация опытных материалов, представленных пробными площадями и данными при цельно-измерительной таксации средних показателей березовых древостоев различного возраста, уровня продуктивности и типов леса.

После проведения компоновки древостоев, отображающей естественный ряд развития, Было проведено статистическое моделирование изменения показателей роста с использованием ростовых функций. В отличие от существующих методических приемов, анализ роста по уровням продуктивности (бонитетам) и типам кривых дал возможность получить модели динамики средней высоты древостоев по 1-метровым ступеням пысот в 100-летнем возрасте.

В результате была получена модель вида:

Нд^Нюоехр {-5,1146+ 1,78761п(А/100)-0.1470 1пг(Л/100» (8) R1 = 0,995 t» | 24,2; 37,2; 19,7) lim А = 10-100 лет ПшБон. 1'-Ш

Наряду со средними высотами, проведено моделирование возрастной динамики запаса сомкнутых березовых древостоев с относительной полнотой 1,0. В результате получено уравнение регрессии вида: М = ехр{0,2330 + 2,3080 InA - 0,2655 1п*Л- 1,0511 1пНА| + 0,3801 1п3НАг} (9) R2 - 0,996 t = | 8,1; 11,0; 9,7; 5,9; 11,7 | Um Л = 10-100 лет

Система регрессий возрастной динамики средних высот и запасов подлежала сравнению с разработанными Поволжским лесоустрои1сльным предприятием эскизами таблиц хода роста березняков четырех лесорастительных районов Нижегородской области, а также с составленными графическим способом таблицами хода роста березовых древостоев Пермской области. Отсутствие ярко выраженных систематических отклонений в линиях возрастном динамики таксационных показателей позволяет рекомендовать полученные модели для разработки таблиц хода роста березняков Среднего Поволжья, фрагмент которых представлен в таблице 5.

Таблица 5

Сравнение средних высот in таблиц хода роста, составленных для

разных районов с данными, полученными по модели №8

Район Соелняя высота, м Отклонение, %

Возраст

20 | 30 I 40 | 50 | 60 | 70 | 80

Бон 1 пет I

по нашим данным 10,9 15,3 19,0 22 1 24,7 26.9 1 28,8

Приволжский сосковый район Нижегородской об л, 10.5 -3,5 15.5 1,0 ш 1,0 22Л 2,4 24.6 -0.3 26.9 27.1 -3.4 -6,0

Продолжение таблицы 5

Приветлужский елово-пихтовый район Нижегородской обл. 10.3 -5,3 15.7 2,3 т 3,6 22,5 1,9 24.2 -1,9

Сосновый широколист-венный район Нижегородской обл. 10.5 -3.5 14.8 -3.5 -3,2 21Л -2,6 24.1 -2.3 — —

Широколиственный район Нижегородской обл. 10.6 -2,6 15,1 -1.6 19,0 -0.1 22,2 0.6 24.5 -0.7 26.0 -3.4

Пермская обл. — 16,6 8,2 14,8 4,2 22,3 1,0 24,4 -М 26,1 -3,0 27,4 -5,0

Бонитет II

по нашим данным 9,5 13,4 16,6 19,3 21.6 23,5 25.2

Приволжский сосновый район Нижегородской обл. 8,8 -7.6 т -5,4 163 -2.0 19,0 -Кб 21.4 -0.9 23 2 -1.5 —

Приветлужский елово-пихтовый район Нижегородской обл. м -32,8 ш. -6,1 16,2 -2,6 19,1 -1,1 Ш. -2.3 22.5 -4,4 ш -7.7

Широколиственный район Нижегородской обл. -0.2 0,6 17.0 — ч- 19.8 2,5 ^2,0 1,9 23.4 -0,6 24.1 -4,5

Пермская обл. — 14.0 4.3 17.0 1М 0,4 21.5 -0.4 23.0 -23 24,0 -4.9

Бонитет III

по нашим данным 7.8 11.0 13,7 15.9 17.7 193 20.7

Пермская обл. 11,5 14,0 2,5 16,0 0,8 17.8 0,4 0.8 20,6 -0,6

Производными от возрастной динамики запаса наличного древостоя являются среднее и текущее изменение запаса. На рисунке 15 показано изменение с возрастом этих показателей, что позволяет в первом приближении рассмотреть вопрос о возрасте их совпадения, соответствующем возрасту количественной спелости, который уменьшается по мере снижения уровня продуктивности.

и о го 49 во во 1 со КЗ

Возраст, лет

Рис. 15. Возрастная динамика среднего и текущего изменения запасов сомкнутых березовых дреаостоев по !• метровым ступеням высот в 100-летнем возрасте

Изложенные фрагменты возрастной динамики древостоев следует рассматривать в сочетании друг с другом в разрезе уровней продуктивности, что соответствует требованиям составления стандартных таблиц сомкнутых древостоев с полнотой 1,0.

На рисунке 16 показана взаимосвязь между этими показателями по уровням продуктивности. Сопоставление ее с усредненной линией регрессии, используемой при таксации запасов сомкнутых березовых древостоев, указывает на более детальное рассмотрение в проведенных нами исследованиях закономерностей продуктивности древостоев.

Так, установлена закономерность, что при более высоком уровне продуктивности кривая изменения запасов от средней высоты более вогнута по сравнению с уровнями более низкой продуктивности, что не отображают действующие в Среднем Поволжье лесотаксапионные нормативы.

700 — —- — ■ ----------- - ____ „

- ПОД

Средняя высота, м

Рис. 16. Сравнение взаимосвязей запаса сомкнутых березняков со средней высотой но классам средней высоты древостоев в 100-летмеч возрасте с данными Поволжского лесоустроительного предприятия

Также подробно рассмотрен вопрос о возрастной динамике строения древостоев по диаметру. Решение этой задачи напрямую связано с результатами проведенных изысканий, изложенных в главе 3.

Располагая моделью изменения диаметра по рангам деревьев от среднего арифметического диаметра были произведены расчеты

величин <1 для заданного ранга и построены накопленные ряды распределения частот в динамике по десятилетиям для различных уравнений продуктивности древостоев Ним = 37 м, Ню» = 33 м, Нц» - 29 м, Ни» 25 м, Н|оо = 21 м. Во всех случаях проявляется закономерное изменение с возрастом как формы накопленного процентного ряда распределения, так и размаха варьирования от минимального до максимального диаметра деревьев.

Важным в динамике строения древостоев является вопрос об изменении с возрастом места среднего дерева в ряду распределения. Следует

отметить его изменение с возрастом в древостоях при изменении средней высоты древостоев в 100-летнем возрасте. Наличие этой взаимосвязи подчиняется уравнению регрессии вида:

ЛЛ,=ехр{3,9533+0,08)2.1п^+0,0769.1пЯ|ж-0.042.1пЛ.1пЯ|м} (10) Я1 = 0,999 1 = 1101,8; 7,5; 6,5; 12,8] Нт Л = 10-100 лет 1ип Бон. 14II Возрастная динамика ранга среднего дерева находится в диапазоне от 58,5-59,3% до 50-53%, подчиняясь вогнутой кривой, наиболее круто проявляясь при увеличении средних высот в 100-летнем возрасте (рис. 17).

е-

í &

« г

0

1 &

м Р-

Н100 = 37 и Н100 = 21 и

Возраст, лет

Рис. 17. Возрастная динамика ранга среднего дерева березовых древостоев по ступеням высот через I метр в 100-летнем возрасте

Эта закономерность указывает на то, что в лучших условиях (в высоко продуктивных древостоях) кривая распределения деревьев быстрее приобретает форму, близкую к нормальному распределению.

основные: выводы и предложения

1. Взаимосвязь текущего радиального прироста с диаметром деревьев имеет в мол о дня кал слегка выгнутое изменение, приближаясь я приспевающих и спелых древостоях к прямой линии,

2. Модель взаимосвязи радиального прироста с диаметром и возрастом деревьев позволяет сделать прогио! строения древостоя от исходного ряда распреде ле| I ия.

3. Предложена система расчета кривых распределения теоретических частот ло квантилям вариационного ряда нспарамстричсскнм методом.

4. Строение древостоев по всему комплексу статистических показателей масштаба и формы критериально укладывается в 8 классов,

5. Асимметрия и эксцесс рядов распределения деревьев но диаметру тесно взаимосвязаны с показателями масштаба.

6. Накопленный ряд распределения частот вариационного ряда достоверно прогнозируется моделью динамики квантилей по заданным значениям ранга деревьев.

7. Редукционные числа ряда распределения имеют пропорциональное (аллометрпческое) изменение от среднего диаметра древостоя по заданным рангам деревьев.

8. Все многообразие кривых распределения деревьев по диаметру по форме ряда укладывается в 8 критериально подтвержденных классов.

9. Существующая ло настоящего времени неполная нормативная лссотаксационпая база в виде эскизов таблиц хода роста укладывается н рекомендуемые для Среднего Поволжья нормативы с достаточно высокой точностью — до + 5%.

10.Взаимосвязь запаса древостоев от средней высоты в сомкнутых древостоях с полнотой 1,0, дифференцированы по уровням продуктивности. Данные Поволжского лесоустроительного предприятия укладываются в общую систему кривых.

11.В динамике таксационного строения древостое» место среднего дерева в рядах распределения изменяется в диапазоне от 58,5 : 59,3% до 50 : 53%.

12.Улучшение условий роста древостоев (повышение уровня продуктивности) раньше формирует древостой с распределением, близким к нормальному.

13.Рекомендованы к использованию при лесоустроительном проектировании для обоснования режимов лесопользования новые лесотаксашюнные нормативы возрастной динамики роста, строения и продуктивности березняков Среднего Поволжья.

14. Предложенные в исследовании новые методические приемы систематизации возрастной динамики роста, строения и продуктивности древостоев могут быть использован!л в учебном процессе и при проведении научных исследований в более широких масштабах.

основное содержание диссертации опубликовано

в сборниках научных трудов и других изданиях:

1. Хлюстов Д.В. Изменение фюомассы по длине ствола деревьев разного размера н возраста// Лесное хозяйство Нижегородской области/ сб. науч. тр. -Н.Новгород, 2000, -с. 92-94.(Соавторы: Хлюстов В.К., Зыков A.B.).

2. Хлюстов Д.В. Зависимость массы хвои от размера деревьев// Лесное хозяйство Нижегородской области/ сб. науч. тр. -Н.Новгород, 2000. — с. 9496. (Соавторы: Хлюстов В.К., Зыков A.B.).

3. ¿постов Д.В, О систематизации кривых непрерывного распределения случайных величин // Актуальные проблемы лесного хозяйства и рациональное использование природных ресурсов Нижегородской области/ сб. науч. тр. -Н.Новгород:НГСХА.2002,- с. 260-264. (Соавторы: Хлюстов В.К.).

4. Хлюстов Д.В. Прогнозирование роста и самоизреживапия березовых дрсвостоев // Актуальные проблемы лесного хозяйства и рациональное использование природных ресурсов Нижегородской области/ сб, науч, тр. -Н.Новгород: НГСХА. 2002. - с. 264-267.

5. Хлюстов Д.В. Статистическая оценка взаимосвязи текущего прироста с размерами деревьев // Актуальные проблемы лесного хозяйства и рациональное использование природных ресурсов Нижегородской области/ сб. науч. тр. -Н.Новгород; НГСХА. 2002. - с. 267-271.

6. Хлюстов Д.В. Классификация разнообразия рядов распределения саксаула черного по величине крон // Актуальные проблемы лесного хозяйства и рациональное использование природных ресурсов Нижегородской области/ сб. на)"!, тр. -Н.Новгород: НГСХА. 2002. - с. 277252. (Соавторы: Хностов В.К., Азенов М.Х.).

7. Хлюстов Д.В. Прогнозирование роста и самоизреживапия березняков Евразии / Mar. II Междундр. конфер. молод уч.,посв. лроф И.К.Пачорскому «Леса Евразии в XXI веке: Восток - Запад », 1-5 окт. ~М.: МГУЛ, 2002. — с.81-83. (Соавторы: Харин O.A.).

8. Хлюстов Д.В. Применение многомерных статистических методов при классификации строения березовых древостоев различных лесорастительных регионов' Маг. Всероссийской, науч.-практ. конфер. «Проблемы экологии и охраны природы. Пути их решения», 18-19 нояб. Т. 31, «Биологические науки». -Ульяновск: УлГУ, 2003. - с. 143-146. (Соавторы: Харин O.A., Хлюстов В,К.).

9. Хлюстов Д.В. Статистическое моделирование формы рядов распределения деревьев по толщине в березовых древостоях ресурсов / Мат. III Международ, науч.-практ. конфер. «Динамика научных достижений -2004», 21-30 июня. Т. 31. «Биологические науки».-Днепропетровск: «Наука I ocsiTa», 2004. - с.45-48.

10. Хлюстов Д.В. Ход роста и строение сомкнутых березовых древостоев Среднего Поволжья (с графическим приложением). Справочник. -Н.Новгород: ФГУП «Поволжкий леепроскт», 2004. - 101 с. (Соавторы: Хтюстов В,К., Харин O.A.).

Отпечатано с готового оригинала Лицензия ПД № 00326 от 14,02 Л ООО г.

Подписано к печати ы. ¿Y. Формат 60x88/16

Бумага 30 r/м2 "Снегурочка" Рнзография

Объем У»« л-_Тираж 100 экз._Заказ № У fМ_

Издательство Московского государственного университета леса. 141005. Мытиши-5, Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ. Телефоны: (095) 588-57-62,588-53-48,588-54-15. Факс: 588-51-09. E-mail: i2dat@mgul.ac.ru

МО 1ЛСЧ1

оЮ