Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Структура и географические закономерности распределения фитомассы кедровых сосен в Азии

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Структура и географические закономерности распределения фитомассы кедровых сосен в Азии"

На правах рукописи

ообоь-ЮН* . Л •

'У/и

Крудышев Владимир Валерьевич

Структура и географические закономерности распределения фитомассы кедровых сосен в Азии

06.03.02 - лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

11 АПР 2013

Екатеринбург - 2013

005051842

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Усольцев Владимир Андреевич;

Официальные оппоненты: Аткина Людмила Ивановна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», кафедра ландшафтного строительства, заведующая;

Галако Вадим Александрович, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, ФГБУ науки «Ботанический сад» УрО РАН, лаборатория экспериментальной экологии и акклиматизации растений, старший научный сотрудник;

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет», г. Барнаул

Защита состоится 12 апреля 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.01 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, ауд. 401.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан б марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного г\Л/г>,Р^

совета ^ 7 Магасумова Альфия Гаптрауфовна

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В основе функционирования биосферы лежит продуцирование и потребление органического вещества, и жизнь человека и всех гетеротрофных организмов зависит от биологической продуктивности биосферы. По мнению П. Дювиньо и М. Танга (1968), "леса представляют собой наиболее надежный источник пропитания все возрастающего населения" (с. 110). Биологическая продуктивность является также одной из специфических характеристик древесной породы, и ее оценка составляет приоритетную задачу лесоведения'. Для обоснования актуальности постановки проблемы исследования представляется ключевым утверждение Д. М. Вудвелла и Р. Э. Хафтона (1997): «Самая большая неопределенность существует в отношении запасов углерода на суше, особенно в северных лесах и их почвах» (с. 40). Изучение биологической. продуктивности и угледородепонирующей способности лесов в географическом аспекте является одним из наиболее приоритетных направлений. Реализации подобной задачи на примере кедровых сосен, произрастающих на азиатском материке, посвящено настоящее исследование. Оно выполнялось в 2009-2013 гг. (грант РФФИ № 09-05-00508).

Степень разработанности темы исследования. Диссертация является законченным научным исследованием.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучение структуры фитомассы кедровых сосен на двух уровнях — локальном и глобальном. В первом случае исследуется фракционная структура фитомассы деревьев и древостоев естественных кедровников в условиях темно-хвойной средней тайги Урала, а во втором - на основе сформированной базы данных о фитомассе кедровых сосен - кедра сибирского (Pinns sibirica Du Tour), корейского (P. koraiensis S. et Z.) и кедрового стланика (P. pumila (Pall.) Regel) в Азии - разрабатывается система регрессионных моделей и устанавливаются географические закономерности распределения фитомассы названных древесных пород.

В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования

были:

• изучить особенности фракционной структуры надземной фитомассы деревьев кедра сибирского и других пород (кг) в условиях темнохвойной средней тайги Урала и составить справочно-нормативные таблицы для ее оценки;

• определить фракционную структуру надземной фитомассы (т/га) темнохвойньгс насаждений с преобладанием или участием кедра сибирского в условиях средней тайги Урала;

сформировать базу данных о фитомассе (т/га) кедров сибирского, корейского и кедрового стланика, произрастающих на азиатской террито-

рии России, на юге Корейского полуострова, Японских островах и северо-востоке Китая;

• исследовать межвидовые различия в структуре фитомассы (т/га) кедров сибирского и корейского;

построить систему многофакторных регрессионных моделей, отражающих взаимосвязь фракционной структуры фитомассы кедров сибирского и корейского, а также кедрового стланика (т/га) с морфоструктурой древостоев на территории Азии;

• по материалам сформированной базы данных составить таблицы возрастной динамики фитомассы (т/га) кедровых сосен на территории Азии;

• исследовать географические закономерности распределения фитомассы кедров сибирского и корейского, а также кедрового стланика (т/га) на территории Азии;

составить таблицы биологической продуктивности (ТБП) насаждений кедровых' сосен, совмещенные с традиционными таблицами хода роста (ТХР) древостоев, и проанализировать ее географию.

Научная новизна. Впервые изучены особенности структуры надземной фитомассы деревьев и древостоев темнохвойной тайги Урала с преобладанием или участием кедра сибирского. Собрана наиболее полная коллекция экспериментальных данных о фитомассе насаждений кедровых сосен, существенно превышающая объем известных сводок подобных данных. Это позволило впервые для кедровых сосен разработать систему региональных моделей динамики фитомассы и проанализировать на их основе географические закономерности распределения ее показателей: а) полученных непосредственно по материалам пробных площадей и б) взятых из составленных таблиц биопродуктивности, совмещенных с традиционными ТХР.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке нормативных материалов, необходимых при реализации систем лесоводственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексное освоение кедровых лесов в Азии. Результаты работы могут быть использованы при разработке лесного кадастра, осуществлении лесного мониторинга и экологических программ разного уровня, а также при расчетах углеродного бюджета лесных экосистем Азии.

Методология и методы исследования. В основу исследования положен метод пробных площадей и модельных деревьев. Пробные площади заложены' с учетом ОСТ 56-69-83 «Площади пробные лесоустроительные. Методы закладки». Для определения фитомассы деревьев и древостоев взяты модельные деревья. После рубки измерялись длина дерева, ствол делили на 10 секций, на середине каждой секции и на расстоянии 1,3 м от комля выпиливали диски и определяли диаметры ствола в коре и без коры. По этим замерам рассчитывали объем древесины и коры дерева. На относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты дерева у дисков опреде-

лена масса с точностью до 0,1 г и объем древесины и коры. Определена плотность каждой фракции в свежем состоянии, а также термовесовым способом содержание сухого вещества (ССВ).

Фитомасса крон и их структурных частей определялась после деления крон на три одинаковые по длине секции. После взвешивания каждой секции кроны с точностью до 50 г производилось деление их на охвоенные и неохвоенные ветви. Из охвоенной части каждой секции отбиралась проба (около 1 кг) для установления соотношения хвои и скелетной части. Хвоя отделялась от ветвей и взвешивалась масса тех и других компонентов с точностью до 1 г. Взяты навески хвои и скелета ветвей для определения ССВ термовесовым методом (Усольцев, 2007). По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу хвои и ветвей дерева.

Положения, выносимые на защиту:

• закономерности изменения квалиметрических и количественных показателей фитомассы деревьев кедра сибирского, ели сибирской, пихты сибирской, сосны обыкновенной и березы пушистой по определяющим показателям;

• таблицы для оценки квалиметрических и количественных показателей фитомассы деревьев кедра сибирского, ели сибирской, пихты сибирской, сосны обыкновенной и березы пушистой по определяющим показателям;

• система многофакторных регрессионных моделей, отражающих взаимосвязь фракционной структуры фитомассы кедров сибирского и корейского, а также кедрового стланика с морфоструктурой древостоев на территории Азии;

• географические закономерности распределения фитомассы кедров сибирского и корейского, а также кедрового стланика (т/га) на территории Азии;

• таблицы биологической продуктивности насаждений кедровых сосен, совмещенные с традиционными ТХР древостоев, и их география.

Степень достоверности и апробация результатов. Использование обширного экспериментального материала и современных методов статистического анализа, системный подход при содержательном анализе и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне многофакторных регрессионных моделей определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов и предложений.

Все виды работ по теме диссертации от сбора экспериментального материала до обработки и анализа полученных результатов выполнены автором или при его участии.

Основные результаты исследований доложены на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2011); II научно-технической конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2011); международном научно-практическом семинаре «Лесные экосисте-

станционный мониторинг» (Йошкар-Ола, 2011); международной конференции «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны» (Сыктывкар, 2011); VIII и IX всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2012, 2013); международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2012); IX международной научно-технической конференции «Лесные технопарки - дорожная карта инновационного лесного комплекса: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2013).

Основное содержание диссертации изложено в 15 печатных работах, в том числе 3 опубликованы в рецензируемых журналах (список ВАК).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 185 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения и б приложений. Список использованной литературы включает 297 наименований, в том числе 50 иностранных. Текст иллюстрирован 28 таблицами и 47 рисунками.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Дано описание биологических особенностей, экологии и географических аспектов продуктивности насаждений кедровых сосен (Кеппен, 1885; Литвинов, 1913; Нат, 1915; Городков, 1916; Барышевцев, 1917; Сочава, 1927; Самбук, 1932; Овсянников, 1934; Сукачев, 1938; Дылис, 1946; Тихомиров, 1949; Петров, 1949; Ткаченко, 1955; Григорьев, Будыко, 1956; Гор-чаковский, 1956; Васильев, 1964; Луганский, 1964; Базилевич, Родин, 1967; Назимова и др., 1969; Семечкин, 1971; Мишуков, 1971; Некрасова, 1971; Котляров, 1973; Курнаев, 1973; Непомилуева, 1974; Моложников, 1975; Кирсанов, 1975; Бобров, 1978; Таланцев и др., 1978; Крылов и др., 1983; Ирошников, 1985; Воробьев, 1983; Ишатенко, 1988; Смолоногов, 1990; Назимова, 1995; Усольцев, 1998; Уткин и др., 2001; Смолоногов, Залесов, 2002; Матвеева и др., 2003; Бех и др., 2004; Титов, 2007).

ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА И ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование выполнено в темнохвойных насаждениях на территории Новолялинского- лесничества Свердловской области, которые отнесены к Западно-Сибирской равнинной лесной области (С), Зауральской холмисто-предгорной провинции (VI), среднетаежному округу (б) (Колесников и др., 1973). В диссертации рассмотрены природные условия и растительный покров. Кедр сибирский на Среднем Урале встречается во всех типах темнохвойных лесов, и кедровники составляют в лесопокрытой

тельный покров. Кедр сибирский на Среднем Урале встречается во всех типах темнохвойных лесов, и кедровники составляют в лесопокрытой площади лесничества около 6% (Ильин, 1936; Игошина, 1943, 1961; Гор-чаковский, 1958,1961; Колесников, 1969; Проект организации..., 1989).

На заложенных 14 пробных площадях в естественных кедровниках в возрасте от 70 до 118 лет (таблица 1) взято более 70 модельных деревьев (14-15 модельных деревьев по каждой породе, участвующей в составе дре-востоев). Из крон модельных деревьев взято 248 навесок, в том числе 44 — кедра сибирского, 52 - ели, 50 - пихты, 60 - сосны и 42 - березы. Общее количество выпилов из стволов модельных деревьев — 295, в том числе кедра сибирского - 33, ели - 50, пихты - 50, сосны - 75 и березы - 87.

С целью исследования межвидовых и региональных (географических) особенностей распределения фитомассы кедровых сосен в пределах их ареалов нами сформирована база данных из 194 определений фракционного состава фитомассы насаждений. В нее включены наши 14 пробных площадей, а также взятые из 60 литературных источников данные 98 пробных площадей, заложенных в древостоях кедра сибирского (Урал, Западная Сибирь, Средняя Сибирь, Алтай и Забайкалье), 47 пробных площадей, заложенных в древостоях кедра корейского (Дальний Восток России, Северо-Восточный Китай и Южная Корея) и 35 пробных площадей для кедрового стланика (Дальний Восток, Забайкалье и Япония). В базу данных включены показатели фитомассы не только древостоя, но и нижнего яруса как совокупности подлеска, подроста и напочвенного покрова.

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ФИТОМАССЫ ДЕРЕВЬЕВ ЛЕСООБРА-ЗУЮЩИХ ПОРОД В ТЕМНОХВОЙНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ СРЕДНЕГО УРАЛА С УЧАСТИЕМ КЕДРА СИБИРСКОГО: АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И СОСТАВЛЕНИЕ ТАКСАЦИОННЫХ ТАБЛИЦ

Квалиметрические показатели деревьев (ССВ и плотность в свежем состоянии), рассчитанные путем обмеров, взвешивания и сушки образцов фитомассы основных фракций деревьев кедра сибирского, ели, пихты, сосны и березы, характеризуется определенной изменчивостью. Для ССВ фракций кроны она в большинстве случаев объясняется ценотическим положением- дерева в пологе древостоя и описывается зависимостью от диаметра ствола. ССВ и плотность древесины и коры ствола зависят не только от диаметра строла, но от относительной высоты сечения ствола, выраженной в долях от общей высоты дерева Н. Для . их оценки по каждой породе составлены двухвходовые таблицы. Для предварительных расчетов получены средние значения названных показателей.

Регрессионным анализом наших фактических данных фитомассы (кг) деревьев кедра сибирского, ели, пихты, сосны и березы установлено,

что основная доля ее изменчивости объясняется линейным размером дерева - диаметром на высоте груди, и рассчитаны аллометрические уравнения

\nPi = ао + ai lnD, " (1)

где Pi — масса г-ой фракции (хвоя или листва, ветви, ствол) в абсолютно сухом состоянии, кг; D — диаметр ствола на высоте груди, см. Коэффициенты детерминации в уравнениях (1) во всех случаях превышают 90%, за исключением массы кроны кедра (около 70%). На основе уравнений (1) составлена справочно-нормативная таблица, которую можно использовать при оценке фитомассы древостоев в темнохвойных лесах Урала с предварительным перечетом деревьев по ступеням толщины.

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА И ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФИТОМАССЫ НАСАЖДЕНИЙ КЕДРОВ СИБИРСКОГО И КОРЕЙСКОГО

Структура надземной фитомассы древостоев кедра ■ сибирского на Среднем Урале. По рассчитанным уравнениям (1) и данным перечета деревьев по породному составу и ступеням толщины получены фактические значения надземной фитомассы кедровников на пробных площадях Новолялинского лесничества (таблица). Установлено, что в Новолялин-ском лесничестве в приспевающих и спелых древостоях с преобладанием кедра сибирского в возрастном диапазоне от 70 до 118 лет продукционные показатели находятся в довольно широких пределах: запасы стволовой древесины 107-567 м3/га, масса хвои и листвы 2,7-14,3, ветвей 6-25, стволов 47-195 и вся надземная 56-229 т/га. Доля хвои и листвы в надземной фитомассе древостоев изменяется в пределах от 4,2 до 6,7%, а доля стволов - от 82 до 87%.

Исследование межвидовых различий в структуре фитомассы древостоев кедров сибирского и корейского. Поскольку кедры сибирский и корейский, с одной стороны, близки по своей морфоструктуре, а с другой — произрастают в разных природных зонах и имеют отдельные, взаимно не перекрывающиеся ареалы, мы поставили задачу выяснить, есть ли различия в структуре фитомассы кедров сибирского и корейского, экспериментально оцененной на заложенных пробных площадях. Для этого использована сформированная нами база данных.

Учитывая, что совокупность показателей биопродуктивности в пределах региона сильно варьирует в связи с различиями возраста, добротности произрастания и морфологии полога, для обеспечения корректности сопоставлений анализируются не обезличенные совокупности наблюдений, а многофакторные уравнения, объясняющие изменчивость переводных коэффициентов фитомассы (JPi/M) в пределах региона посредством включенных в них переменных:

In (Pi/M) =/(1пД 1пД 1пЦ InN). . (2)

Таблица 1

Таксационные показатели и фитомасса кедровников, полученные на __пробных площадях*_

№ Породный А, iV, тыс. экз /га А я, М, Фитомасса P¡, т/га

состав лет см м м3/га Ps Рв Pf Всего

1 ЗК2С2П2Б10с 70 IV 0,558 16,5 12,9 107 47,0 5,95 2,66 55,6

2 7К2П1Б+Е 107 III 1,471 20,4 21,2 567 1.95,0 22,6 11,5 229,1

3 6КЗП1Б+С+Е 118 ш 0,916 20,3 24,4 313 111,1 14,9 8,23 134,2

4 8К1П1С+Е+Б 90 III 1,121 22,2 17,7 430 151,5 16,8 9,05 177,4

5 6К2П1С1Б+Е 99 III 0,282 42,7 20,2 473 170,6 19,5 9,43 199,5

6 6К2С2Б+П 82 IV 1,257 18,0 15,8 297 174,1 25,0 14,3 213,4

7 8К2Б+П 87 IV 0,678 20,0 16,9 243 87,5 9,67 4,61 101,8

8 7К2П1Б+С+Е 103 III 1,045 20,6 21,1 400 141,5 16,3 8,30 166,1

9 6К2П1С10с 109 I 0,875 24,0 29,6 482 165,8 19,3 10,1 195,2

10 7К2П1Б+ЕС 93 ш 1,483 19,4 21,3 548 188,1 20,9 9,89 218,9

11 6К2П2Б+Е 103 II 0,967 22,3 23,3 449 165,1 19,8 8,87 193,7

12 5КЗБ2П+Е 87 III 1,083 21,6 17,7 478 179,2 22,3 9,74 211,2

13 8К1ШБ+Е 101 IV 1,358 18,5 16,8 506 164,4 17,0 7,90 189,3

14 7К2П1Б+Е+С 90 III 1,258 18,6 19,8 394 139,7 15,8 7,85 163,3

*3десь и далее: A, N, D, Н и М — соответственно возраст, густота, средний диаметр, средняя высота и запас стволовой древесины; Рц, Рв, Pf - масса стволов, ветаей, хвои; **Б-класс бонитета.

Для выявления межвидовых различий в фитомассе кедров сибирского и корейского мы модифицировали уравнение (2) путем введения бинарной переменной X, представляющей простейшую модификацию фиктивной переменной (Дрейпер, Смит, 1973):

\n(P¡/M) =fi\nA, lntf, 1пД 1пД X). (3)

В уравнении (3) бинарная переменная X = 0 для кедра сибирского и Х=1 -для кедра корейского; R2 варьирует от 0,70 до 0,91. Их константы здесь и далее значимы на уровне t0s и выше. Реализован рекурсивный принцип, согласно которому уравнение (3) совмещается с возрастными трендами мас-сообразующих показателей и запаса древостоя:

1пЯ = f(liíA, X )-»lnD = f(la4,lntf, X)H>lmV=f (InA, lnff, InD, X)

lnM= f(ln#, InD, 1шЧ X ), (4)

в которьпс R2 превышал 0,95, за исключением уравнения для N (0,47).'.Рекурсивный принцип и блоковые фиктивные перёменные обеспечили последовательное накопление региональных различий в возрастной динамике массойбразующих показателей и запасов стволовой древесины по цепочке взаимозависимых уравнений. Путем табулирования уравнений (4) и затем - (3) составлена таблица возрастной динамики морфометрических показателей и фитомассы кедров сибирского и корейского. Установлено, что различие показателей как надземной, так и общей фитомассы древо-стоев кедров сибирского и корейского, полученной на пробных площадях

в пределах их ареалов, статистически не достоверно, но в соотношениях ее фракций расхождения между двумя породами существенные.

Изменение фитомассы древостоев кедров сибирского и корейского по зональному и провинциальному градиентам. Хотя по общим совокупностям данных о фитомассе кедров сибирского и корейского достоверного различия по общей фитомассе не выявлено, мы попытались выяснить, будут ли иметь место различия, если данные по обеим породам стратифицировать в географическом аспекте. Экспериментальные данные после нанесения на схему зонально-провинциального деления территории Азии нами распределены по 8 экорегионам, закодированным соответствующими блоковыми фиктивными переменными (таблица 2). Каждый блок переменных (Х0,..., Х7), представляет группу пробных площадей, приходящуюся на данный экорегион.

Таблица 2

Схема кодирования блоковыми переменными региональных масси-

вов данных о фитомассе кедров сибирского и корейского

Экорегион* X, х2 Хз Х4 Х5 хб X

УРср (Ргим5 лгЬг'ггса) 0 0 0 0 0 0 0

ЗСюж (Р. ягЫпса) 1 0 0 0 0 0 0

ССср (Р. йШпса) 0 1 0 0 0 0 0

АСюж (Р. вгЫпса) 0 0 1 0 0 0 0

ЗБюж (Р. хАтса) 0 0 0 1 0 0 0

ДВхш (Р. кога1етО) 0 0 0 0 1 0 0

Кит (Р. ¿огагедай) 0 0 0 0 0 1 0

ЮК (Р. когыетЬ) 0 0 0 0 0 0 1

♦Обозначения экорегионов в таблице 2: УРср - Уральская провинция, средняя тайга; ЗСюж - Западно-Сибирская равнинная провинция, южная тайга; ССср - СреднеСибирская плоскогорная провинция, средняя тайга; АСюж - Алтае-Саянская горная провинция, южная тайга; ЗБюж - Забайкальская провинция, южная тайга; ДВхш -Дальний Восток, хвойно-широколиственные леса; Кит - Северо-Восточный Китай; ЮК - Южная Корея.

Выделенные регионы, закодированные блоковыми фиктивными переменными Хо,..., Х7 (Дрейпер, Смит, 1973), включены в уравнения (2) с целью установления степени отличия показателей фитомассы каждого региона от базового, соответствующего насаждениям кедра сибирского подзоны средней тайги на Урале:

1п (Р,/КО = ДХ0,... ,Х7,1пА, 1пН, 1пД 1пА0- (5)

Полученная расчетом характеристика уравнений (5) подтверждает их достаточную адекватность фактическим данным (Я2 = 0,82-0,89). Уравнения (5), как и полученные выше (3), «работают» по принципу "Что будет, если...?" и обеспечивают сопоставимость фракционного состава фитомассы разных регионов, если в эти уравнения подставить соответствующие характеристики насаждений: А, Н, Д N и М, определяемые рекурсивной цепочкой взаимозависимых уравнений:

1п#=£(Х0,..., Х7,1пА, (1гь4)2)—> ]пО={(Х0,..., Х7) 1 пА, 1пН)-> -> 1пЛИ:(Хо,...,Х7, Ш, 1пЯ, 1п/Э)^1пМ=Г(Хо,..., Х7,1п#,1пД (6) Последовательным табулированием систем уравнений (6) и (5) по задаваемым значениям возраста получены возрастные тренды всех массо-образующих показателей и запасов фитомассы кедровников по каждому экорегиону. Анализ фитомассы кедровников подтверждает наличие профиля продуктивности по зональному градиенту. Запасы фитомассы кедров сибирского и корейского в возрасте 100 лет закономерно возрастают в направлении от Сибири до Корейского полуострова, составляя в средней тайге 78, в южной тайге Западной Сибири и Забайкалья 110-176, в хвойно-широколиственных лесах Приморья 137-197 и в широколиственных лесах Южной Кореи 537 т/га. По провинциальному градиенту (в направлении с запада на восток) названный показатель последовательно снижается от 207 т/га на Урале до 78 т/га в Средней Сибири, а затем возрастает с 110 т/га в Забайкалье до 137 т/га в Приморье.

Путем наложения расчетных данных фитомассы кедровников с.известными координатами на схемы изоконт (по А.А. Борисову, 1967) и изотерм (ТиЬкапеп, 1984) составлена двухвходовая таблица, в которой входами служат значения индекса континентальности климата (1С) и среднемесячной суммы эффективных температур (7), и по данным этой таблицы рассчитаны уравнения

Ь РаЬо = 6,704 - 1,791(1п/С) +1,453(1п7), Я2= 0,684; 5!Е = 0,46; (7) 1п Рш = 10,574 - 2,259(1п/С) +1,028(1п7), Я2 = 0,761; БЕ = 0,34; (8) где Раьо и Рш~ расчетные значения соответственно надземной и общей фитомассы кедровников в возрасте 100 лет, т/га. Установлена статистически достоверная закономерность снижения фитомассы кедровников в направлении с юга на север (зональный градиент) и от Урала и тихоокеанского побережья — к полюсу континентальности в центре Сибири (провинциальный градиент). Отношение подземной фитомассы к общей существенно снижается по мере увеличения индекса континентальности от 50 до 90%: например, при Т= 50°С названное отношение изменяется с 26 до 16%.

Географические закономерности распределения фитомассы насаждений кедрового стланика. Исследование региональных различий фитомассы кедрового стланика выполнено на основе сформированной для этого базы данных, включающей 35 определений, в том числе 12 - для северной тайги Дальнего Востока, 9 - для южной тайги в подгольцовом поясе Забайкалья и 14 - для хвойно-широколиственных лесов в подгольцовом поясе Японии. Для выявления региональных различий фитомассы кедрового стланика упомянутые три региона закодированы блоковыми фиктивными переменными (Хь Х2) и рассчитаны уравнения

1аР,- = { (Хь Х2,1п#, 1пМ), (9)

где Н— средняя высота, м; М- запас стволовой древесины, м3/га. Уравнения (9) объясняют от 92 до 99,9% изменчивости надземной и подземной фито-

массы кедровостлаников и 79% изменчивости фитомассы нижнего яруса. Уравнение (9) совмещено с возрастными трендами средней высоты и запаса стволовой древесины кедровостлаников согласно уравнений (10):

1пЯ=Г (Хь Х2, ЬлА) —»1пМ=£ (Хь Х2,1пА,1пН). (10) Последовательным табулированием рекурсивных систем уравнений (10) и (9) по задаваемым значениям возраста кедрового стланика получены возрастные тренды показателей фитомассы по каждому региону. Запасы общей фитомассы закономерно возрастают по зональному градиенту в последовательности: северная тайга Дальнего Востока, южная тайга Забайкалья, субтропики Японии, составляя соответственно 32, 38 и 145 т/га.

Поскольку определение возраста кедровостланика, как уже упоминалось, связано с некоторыми трудностями, рассчитано упрощенное вспомогательное уравнение, в котором возраст стланика не участвует в качестве независимой переменной:

\пМ= 3,1192 -0,1875 Хг1-1,4447 Х2+1,1826 1пЯ; В2=0,633; Ж= 0,56. (11) Табулированием уравнений (11) и (9) по задаваемым значениям средней высоты кедрового стланика составлены справочно-нормативные таблицы для каждого из трех экорегионов.

ГЛАВА 5. ТАБЛИЦЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ НАСАЖДЕНИЙ КЕДРОВЫХ СОСЕН СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ И ИХ ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Составление таблиц биологической продуктивности насаждений кедровых сосен. При составлении пакета нормативов для оценки фитомассы кедровых сосен, или таблиц биологической продуктивности (ТБП) в азиатских ареалах их произрастания за основу взяты традиционные ТХР древостоев, дополненные показателями фитомассы путем совмещения ТХР с регрессионными моделями (2). Это совмещение выполнено путем табулирования моделей (2) по значениям А, Н, Д N и М традиционных ТХР при соответствующих значениях блоковых фиктивных переменных (см. таблицу 2). В результате получены 25 ТБП, которые подразделены на два уровня: сравнительно лучших (I) и сравнительно худших (II) условий произрастания.

Географические закономерности распределения нормативных показателей фитомассы кедровых сосен. Для географического анализа фитомассы кедровых сосен из полученных ТБП взяты показатели подземной (РгооЬ т/га) и общей (Р,оЬ т/га) фитомассы насаждений в возрасте 100 лет и проанализированы в связи со среднемесячными показателями суммы эффективных температур (Т), снятыми со схемы изотерм (ТиЫсапеп, 1984) и с индексами континентальности климата (1С), снятыми со схемы изоконт (Борисов, 1967). Получены уравнения:

1пРа4о =4,6334-1,2771 (In/С) +1,3057(1п7)+0,9809 X; R2 =0,637; SE= 0,38 (12) lnPto, =5,9004-1,6055(ln/C) +1,3883(1п7)+1,0631 X; R2 =0,659; SE = 0,37, (13) где Раьо - надземная фитомасса как разность (Рщ - Prooi)> X — бинарная переменная, принятая равной 1 для древостоев лучших условий произрастания и равной 0 — для худших. Уравнения (12) и (13) действительны при 1С от 50 до 80% и при Гот 30 до 70°С.

В результате установлено, что нормативные (согласно ТБП) показатели надземной и общей фитомассы кедровых сосен в возрасте 100 лет по мере увеличения индекса континентальности (по Ценкеру) с 50 до 80% существенно снижаются. Это снижение составило как в лучших, так и в худших условиях произрастания по надземной фитомассе 45% и по общей 53%. Однако по абсолютному значению надземная и общая фитомасса (т/га) в худших условиях произрастания по сравнению с лучшими ниже соответственно на 62 и 65%. По мере снижения Г с 70 до 30°С в направлении с юга на север происходит существенное снижение нормативных показателей надземной и общей фитомассы как в лучших, так и в худших условиях произрастания - в среднем на 70%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кедровники, составляющие в лесопокрытой площади Среднего Урала около 6%, представлены смешанными древостоями с участием ели, пихты, сосны и березы. Поэтому для определения их фитомассы (т/га) исследованы на уровне деревьев квалиметрические и количественные показатели надземной фитомассы пяти лесообразующих древесных пород. Составлены справочно-нормативные таблицы для оценки плотности и содержания сухого вещества в фракциях фитомассы и для оценки фитомассы стволов, хвои .(листвы) и ветвей по диаметру ствола дерева.

На их основе впервые на 14 пробных площадях выполнены определения структуры фитомассы произрастающих на Урале древостоев кедра сибирского с долей кедра в породном составе от 30 до 80%. Древостой представлены широким диапазоном лесорастительных условий в возрасте от 70 до 118 лет. Масса хвои (листвы) составила 2,7-14,3, ветвей 6-25, стволов 47-195 и вся надземная 56-229 т/га. Доля хвои (листвы) в надземной фитомассе древостоев изменяется в пределах от 4,2 до 6,7%, а доля стволов - от 82 до 87%.

Сравнительный анализ структуры фитомассы кедров сибирского и корейского, отраженной в сформированной базе данных из 159 определений и представленной в виде многофакторных зависимостей от основных массообразующих показателей древостоев, показал, что различие как надземной, так и общей фитомассы древостоев кедров сибирского и корейского, полученных на пробных площадях в пределах их ареалов, статистиче-

чески не достовернно, но в соотношениях ее фракций расхождения между двумя породами существенные.

Географический анализ фитомассы древостоев кедров сибирского и корейского, выполненный на основе стратифицированных по восьми эко-регионам данных, показал наличие профиля продуктивности по зональному и провинциальному градиентам: фитомасса кедровников снижается в направлении с юга на север и от Урала и тихоокеанского побережья - к полюсу континентальности в центре Сибири.

В возрасте 100 лет общая фитомасса (т/га) кедрового стланика возрастает по зональному градиенту в последовательности: северная тайга Дальнего Востока, южная тайга Забайкалья, субтропики Японии, составляя соответственно 32, 38 и 145 т/га. Для оценки фитомассы кедровостлаников для каждого из трех экорегионов составлены справочно-нормативные таблицы двух типов: по известному возрасту и по известной средней высоте.

Надземная и общая фитомасса составленных 25 таблиц биологической продуктивности (ТБП) для 100-летних древостоев подразделена на два уровня - соответственно высокой и низкой продуктивности. Нормативные показатели надземной и общей фитомассы (т/га) кедровых сосен в возрасте 100 лет по мере увеличения индекса континентальности с 50 до 80% снижаются как в лучших, так и в худших условиях произрастания. По мере снижения среднемесячной суммы эффективных температур с 70 до 30 С в направлении с юга на север происходит 70%-ное снижение нормативных показателей надземной и общей фитомассы как в лучших, так и в худших условиях произрастания.

Закономерности изменения фитомассы кедровых сосен по зональному (в связи с величиной Т) и провинциальному (в связи с индексом 1С) градиентам примерно одинаковые при расчете фитомассы как по данным пробных площадей, так по традиционным ТХР.

Комплект из 25 составленных ТБП кедровников служит исходной основой при разработке различного рода экологических региональных и глобальных проектов. Они дают основу для расчета углеродного баланса по наиболее доступному сегодня «бухгалтерскому» методу (Швиденко, Нильссон, 1997): при известных количествах углерода в основных его пулах на начало и конец некоторого периода разница между ними дает результат «углерододепонирующей работы» лесного покрова за упомянутый период.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

По списку ВАК

1. Крудышев, В.В, Таблицы биопродуктивности кедров сибирского и корейского и их география / В.В. Крудышев, В.А. Сопига // Естественные и технические науки. - 2011. - № 2. - С. 65-66.

2. Усольцев, В.А. О возможности использования унифицированных аллометрических уравнений фитомассы деревьев / ВЛ.Усольцев, А.Т. Мезенцев, Е.В. Кох, В.В. Крудышев, И.С. Лазарев // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2012. - № 3(89). - С. 37-40.

3. Усольцев, В.А. Межвидовые и региональные особенности фитомассы пятихвойных сосен на востоке Евразии / В.А. Усольцев, В.В. Крудышев, И.С. Лазарев // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2013. - № 1(99). - С. 57-60.

В прочих изданиях

4. Усольцев, В.А. Изменение фитомассы и ее прироста у деревьев ле-сообразующих пород вблизи Карабашского медеплавильного комбината / В.А. Усольцев, A.B. Борников, A.C. Жанабаева, A.B. Бачурина, Е.В. Кох, А.Т. Мезенцев, В.В. Крудышев, И.С. Лазарев // Леса России и хоз-во в них.-2011.-№4(41).-С. 12-21.

5. Усольцев, В.А. Реакция биопродуктивности насаждений на загрязнения от Карабашского медеплавильного комбината / В.А. Усольцев, Е.Л. Воробейчик, A.B. Борников, A.C. Жанабаева, A.B. Бачурина, Е.В. Кох, А.Т. Мезенцев, В.В. Крудышев, И.С. Лазарев // Леса России и хозяйство в них. - 2011. - № 3 (40). - С. 33-44.

6. Усольцев, В.А. Об экологии и географии кедра сибирского / В.А. Усольцев, В.В. Крудышев // Актуальные проблемы лесного комплекса. -2011.-Вып. 28.-С. 147-153.

7. Усольцев, В.А. Количественная и квалиметрическая составляющие биологической продуктивности кедровников Урала / В.А. Усольцев, И.С. Лазарев, В.В. Крудышев, Н.В. Сенчило // Сборник научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. Вып. 3. -Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - С. 261-270.

8. Усольцев, В.А. Совмещение баз данных лесоинвентаризации и первичной продукции лесов на основе статистических моделей и картирование результатов / В.А. Усольцев, М.П. Воронов, Е.В. Кох, И.Е. Бергман,

A.Ф. Уразова, A.B. Борников, A.C. Жанабаева, А.Т. Мезенцев, В.В. Крудышев // Математическое моделирование в экологии: Материалы Второй национальной конференции с международным участием, 23 - 27 мая 2011 г. - Пущино: ИФХиБПП РАН, 2011. - С. 275-277.

9. Усольцев, В.А. Неопределенности при оценке углерододепони-рующей способности лесов и перспективы их устранения / В.А. Усольцев, М.П. Воронов, Е.В. Кох, A.B. Борников, A.C. Жанабаева, А.Т. Мезенцев,

B.В. Крудышев, И.С. Лазарев // Материалы Междунар. конфер. «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны». - Сыктывкар: Ин-т биологии Коми НЦ УрО РАН, 2011. - С. 111-113.

10. Воронов, М.П. Оценка и картирование биологической продуктивности лесного покрова в среде Natural (на примере Уральского региона) / М.П. Воронов, В.А. Усольцев, Е.В. Кох, А.Т. Мезенцев, В.В. Крудышев,

И.С. Лазарев, Д.В. Чендарев, Н.В. Сенчило // Лесные экосистемы в условиях изменения климата: Биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг. Материалы международного научно-практического семинара. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 109-114.

11. Усольцев, В.А. Первичная продукция кедровников на Урале / В.А. Усольцев, В.В. Крудышев, И.С. Лазарев // Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы. Сб. науч. трудов. Ч. 2. - Тамбов: «Бизнес-Наука-Общество», 2012. - С. 142-143.

12. Крудышев, В.В. Плотность и содержание сухого вещества в фракциях надземной фитомассы кедра сибирского на Урале / В.В. Крудышев, И.С. Лазарев, В.А. Усольцев // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России. Матер. VIII всерос. н.-т. конф. Ч. 2. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - С. 91-93.

13. Лазарев, И.С. Кедровники Новолялинского лесничества: таксационная характеристика и фитомасса древостоев / И.С. Лазарев, В.В. Крудышев, В.А. Усольцев // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России. Матер. VIII всерос. н.-т. конф. Ч. 2. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - С. 101-103.

14. Усольцев, В.А. Межвидовые различия фитомассы кедров сибирского и корейского в Евразии / В.А. Усольцев, А.Т. Мезенцев, В.В. Крудышев, И.С. Лазарев, Н.В. Сенчило, В.В. Терентьев, Г.Г. Терехов // Леса России и хоз-во в них. - 2013. - № 2 (45). - С. 94-97.

15. Крудышев, В.В. Региональные различия фитомассы кедрового стланика на Дальнем Востоке / В.В. Крудышев, И.С. Лазарев, А.Т. Мезенцев, Н.В. Сенчило, В.А. Усольцев // Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России». - Екатеринбург: УГЛТУ, 2013. -С. 98-102.

Отзывы на автореферат просим направлять в трех экземплярах по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, УГЛТУ, ученому секретарю Магасумовой А.Г. Факс: (343) 262-96-38; e-mail: dissovet. usfeu@mail. ru.

Подписано в печать 01.03.2013. Объем 1,0 п. л. Заказ № Тираж 100. 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37. УГЛТУ. Отдел оперативной полиграфии.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Крудышев, Владимир Валерьевич, Екатеринбург

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

На правах рукописи

Крудышев Владимир Валерьевич

Структура и географические закономерности распределения фитомассы кедровых сосен в Азии

Специальность 06.03.02 -лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени

со

кандидата сельскохозяйственных наук

00

Ю со

"Л £

со 8

ю

^^ Научный руководитель

см я Усольцев Владимир Андреевич, »

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Екатеринбург-2013

Оглавление

Введение. Общая характеристика работы.............................................4

Глава 1. Состояние проблемы.............................................................12

1.1. Особенности территориального распределения, экология и географические аспекты продуктивности насаждений кедровых сосен (подрод Нар1оху1оп)........12

1.2. О географической и климатической ординации лесного покрова..............49

1.3. Регрессионное моделирование структуры и динамики фитомассы лесов.....63

1.3.1. Многофакторный анализ фитомассы насаждений.............................63

1.3.2. Методы составления таблиц биологической продуктивности древостоев 69 Глава 2. Общая характеристика района и объектов исследования.............76

2.1. Природные условия Новолялинского лесничества Свердловской области ..77

2.2. Характеристика объектов исследования и объем выполненных работ........88

2.3. Характеристика базы данных о фитомассе кедровых сосен в Азии.............91

Глава 3. Структура фитомассы деревьев лесообразующих пород в темно-хвойных насаждениях Среднего Урала с участием кедра сибирского: анализ закономерностей и составление таксационных таблиц............................98

3.1. Содержание сухого вещества в фитомассе крон деревьев: анализ закономерностей и составление справочно-нормативных таблиц.................................98

3.2. Плотность и содержание сухого вещества в фитомассе стволов деревьев: анализ закономерностей и составление справочно-нормативных таблиц.............100

3.3. Средние значения квалиметрических показателей кроны и ствола для лесообразующих пород Среднего Урала...........................................................104

3.4. Регрессионные зависимости и таблицы для оценки фитомассы деревьев.....106

Глава 4. Структура и географические закономерности распределения фитомассы насаждений кедров сибирского и корейского..............................110

4.1. Структура надземной фитомассы древостоев кедра сибирского на Среднем Урале.............................................................................................110

4.2. Исследование межвидовых различий в структуре фитомассы древостоев кедров сибирского и корейского.................................................................111

4.3. Изменение фитомассы древостоев кедров сибирского и корейского по зональному и провинциальному градиентам.....................................................121

4.4. Географические закономерности распределения фитомассы насаждений кедрового стланика................................................................................139

Глава 5. Таблицы биологической продуктивности насаждений кедровых сосен Северной Евразии и их географический анализ...............................147

5.1. Составление таблиц биологической продуктивности (ТБП) насаждений кедровых сосен.....................................................................................147

5.2. Географические закономерности распределения нормативных показателей

фитомассы кедровых сосен..................................................................149

Заключение.....................................................................................159

Список использованной литературы...................................................163

Приложения....................................................................................186

Приложение 1. Фактические данные модельных деревьев, полученные на пробных площадях....................................................................................191

Приложение 2. Квалиметрические показатели хвои (листвы) и ветвей (скелета

кроны), полученные при взятии модельных деревьев..................................194

Приложение 3. Квалиметрические показатели древесины и коры, полученные по

выпилам (дискам) ствола при взятии модельных деревьев............................201

Приложение 4. Данные пробных площадей о фитомассе в абсолютно сухом состоянии насаждений кедровых сосен на территории

Азии...............................................................................................210

Приложение 5. Расчетные возрастные тренды массобразующих показателей и фитомассы насаждений кедроы сибирского и корейского на территории Азии (по

материалам базы данных)....................................................................220

Приложение 6. Таблицы биологической продуктивности кедровых сосен {Pinus sibirica, Р. koraiensis, Р. pumila) для территории России..............................227

Лес есть явление географическое.

Г.Ф.Морозов

Введение. Общая характеристика работы.

Актуальность темы исследования. Основой функционирования биосферы является ее биологическая продуктивность, и жизнь человека и всех гетеротрофных организмов зависит от первичной продукции биосферы. Кроме того, биологическая продуктивность является одной из специфических характеристик той или иной древесной породы, и ее оценка составляет приоритетную задачу лесоведения. Нынешнее активное обсуждение проблемы нарушенного глобального углеродного баланса биосферы и возможности его восстановление путем тотального облесения планеты переходит в русло общей парадигмы устойчивого развития (sustainable development), когда на первый план выступает биосферостабилизи-рующая функция лесов, а ресурсное лесопользование рассматривается как подчиненная задача (Уткин А.И. Углеродный цикл и лесоводство // Лесоведение. 1995. № 5. С. 3-20; Нильссон С. Естественные леса мира - вызов третьему тысячелетию // Девственные леса мира и их роль в глобальных процессах. Тез. конфер. Хабаровск: ДальНИИЛХ, 1999. С. 32-33). Названная парадигма органично вмещает в себя также традиционно обсуждаемые проблемы: концепцию поддержания санитарно-гигиенической и средообразующей роли лесов, проблему замены ископаемого топлива альтернативными источниками, в том числе возобновляемой лесной органикой, и проблему будущего обеспечения человека белком - пищей растительного и животного происхождения. По мнению П. Дювиньо и М. Танга (Биосфера и место в ней человека. М.: Прогресс, 1968. 255 е.), "леса представляют собой наиболее надежный источник пропитания все возрастающего населения" (с. 110).

Для обеспечения коэволюции человека и биосферы необходим переход к качественно новой и более эффективной стратегии потребления природных ресурсов в рамках международных "институтов согласия", которые представляли

бы собой совокупность национальных лабораторий, работающих по единой программе и формирующих единую базу экологических данных - базу, доступную для всех участников подобной исследовательской кооперации (Моисеев H.H. Экология человечества глазами математика (человек, природа и будущее цивилизации). М.: Молодая гвардия, 1988. 254 е.).

Для обоснования актуальности постановки проблемы исследования представляется ключевой констатация Д. М. Вудвеллом и Р. Э. Хафтоном (Тайна великого северного леса // Устойчивое развитие бореальных лесов: Тр. VII ежегодной конфер. МАИБЛ. М.: Федеральная служба лесн. хоз-ва РФ, 1997. С. 39-46) следующего факта: «Самая большая неопределенность существует в отношении запасов углерода на суше, особенно в северных лесах и их почвах» (с. 40).

Поэтому для мирового научного сообщества изучение биологической продуктивности и угледородепонирующей способности лесов в географическом аспекте является одним из наиболее приоритетных направлений. Реализации подобной задачи на примере кедровых сосен, произрастающих на азиатском материке, посвящено настоящее исследование.

Исследования автора проводились в 2009-2013 гг. согласно гранту РФФИ № 09-05-00508.

Степень разработанности темы исследования. Диссертация является законченным научным исследованием.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучение структуры фитомассы кедровых сосен на двух уровнях - локальном и глобальном. В первом случае исследуется фракционная структура фитомассы деревьев и дре-востоев естественных кедровников в условиях темнохвойной средней тайги Урала, а во втором - на основе сформированной базы данных о фитомассе кедровых сосен - кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), корейского {P. koraiensis S. et Z.) и кедрового стланика (P. pumila (Pall.) Regel) Азии - разрабатывается система регрессионных моделей и устанавливаются географические закономерности распределения фитомассы названных древесных пород.

В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования были:

• изучить особенности фракционной структуры надземной фитомассы деревьев кедра сибирского и других пород (кг) в условиях темнохвойной средней тайги Урала и составить справочно-нормативные таблицы для ее оценки;

• определить фракционную структуру надземной фитомассы (т/га) темно-хвойных насаждений с преобладанием или участием кедра сибирского в условиях средней тайги Урала;

• сформировать базу данных о фитомассе (т/га) кедров сибирского, корейского и кедрового стланика, произрастающих на азиатской территории России, на юге Корейского полуострова, на Японских островах и северо-востоке Китая;

• исследовать межвидовые различия в структуре фитомассы (т/га) кедров сибирского и корейского;

• построить систему многофакторных регрессионных моделей, отражающих взаимосвязь фракционной структуры фитомассы кедров сибирского и корейского, а также кедрового стланика (т/га) с морфоструктурой древостоев на территории Азии;

• исследовать географические закономерности распределения фитомассы кедров сибирского и корейского, а также кедрового стланика (т/га) на территории Азии;

• по материалам сформированной базы данных составить таблицы для оценки фитомассы (т/га) кедровых сосен на территории Азии;

• составить таблицы биологической продуктивности (ТБП) насаждений кедровых сосен, совмещенные с традиционными таблицами хода роста (ТХР) древостоев, и проанализировать ее географию.

Научная новизна. Впервые изучены особенности структуры надземной фитомассы деревьев и древостоев темнохвойной тайги Урала с преобладанием или участием кедра сибирского. Собрана наиболее полная коллекция экспериментальных данных о фитомассе насаждений кедровых сосен, существенно превышающая объем известных сводок подобных данных. Это позволило впервые для кедровых сосен разработать систему региональных моделей динамики фитомассы и проанализировать на их основе географические закономерности распределения

ее показателей: а) полученных непосредственно по материалам пробных площадей и б) взятых из составленных таблиц биопродуктивности, совмещенных с традиционными ТХР.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке нормативных материалов, необходимых при реализации систем лесоводственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения кедровых лесов Северной Евразии. Результаты работы могут быть использованы при разработке лесного кадастра, осуществлении лесного мониторинга и экологических программ разного уровня, а также при расчетах углеродного бюджета лесных экосистем Северной Евразии.

Методология и методы исследования. В основу исследования положен метод пробных площадей и модельных деревьев. Пробные площади заложены с учетом ОСТ 56-69-83 «Площади пробные лесоустроительные. Методы закладки. М.: ЦБНТИлесхоз, 1983. 31 с.» в основных типах леса (классах бонитета). Для закладки пробных площадей выбраны насаждения, однородные по горизонтальной и вертикальной структуре, по таксационным показателям и условиям местопроизрастания. На пробных площадях выполняли сплошной перечет деревьев по элементам леса и ступеням толщины без выделения подчиненной части. Сухостойные деревья учитывались отдельно. При среднем диаметре древостоя до 10 см ступени принимались равными 1 см, от 10 до 20 см - 2 см и выше 20 см - 4 см. В этом случае общее число ступеней, как правило, колеблется в пределах 8-12.

После перечета для элементов леса, представленных в составе тремя единицами и более при помощи высотомера измеряли высоты у 15-20 растущих деревьев. При этом деревья отбирались механическим путем. Для элементов леса с меньшими коэффициентами состава ограничивались измерением высот у трех деревьев из центральной ступени толщины. У деревьев, отобранных для измерения высот, определяли также диаметры с точностью до одного миллиметра. По этим данным строили графики высот деревьев в зависимости от диаметров, которые использовались для определения средней высоты древостоя. Типы леса определяли по типологии Б.П. Колесникова с соавторами (Лесорастительные условия и ти-

пы лесов Свердловской области. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1973. 176 е.). Почва описывалась по генетическим горизонтам согласно методическим указаниям лаборатории почвоведения кафедры лесоводства УГЛТУ.

Для определения фитомассы деревьев и древостоев взяты модельные деревья. Систематическую выборку их формировали в соответствии с рядами распределения деревьев по диаметру. Работа выполнялась в августе месяце после полного формирования хвои текущего года. После рубки измерялись длина дерева, протяженность бессучковой части, диаметр ствола у основания кроны. Ствол делили на 10 секций, на середине каждой секции и на расстоянии 1,3 м от комля выпиливали диски и определяли диаметры ствола в коре и без коры. По этим замерам рассчитывали объем древесины и коры дерева. У стволов взяты выпилы в виде дисков на относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты дерева и выполнены у каждого замеры массы с точностью до 0,1 г и объема древесины и коры. Определена плотность каждой фракции в свежем состоянии, а также термовесовым способом - содержание сухого вещества.

Фитомасса крон и их структурных частей определялась после деления крон на три одинаковые по длине секции. Это вызвано тем, что кроны деревьев в вертикальном направлении неоднородны по возрасту и толщине ветвей, охвоенности побегов и качественному составу хвои. После взвешивания каждой секции кроны с точностью до 50 г (рисунок 1) производилось деление их на охвоенные и неох-военные ветви. Масса неохвоенных и охвоенных ветвей взвешивалась с точностью до 50 г. Затем из охвоенной части каждой секции отбиралась проба (около 1,0 кг) для установления соотношения хвои и скелетных частей. Хвоя в ней отделялась от ветвей и взвешивалась масса тех и других компонентов с точностью до 1 г. Взяты навески хвои и скелета ветвей для определения содержания сухого вещества термовесовым методом. По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу хвои ветвей дерева. Сушка древесины и коры дисков, а также навесок хвои и ветвей производилась до постоянной массы в термостатах при температуре 100-105°С. Фитомасса осины и ольхи в древесном ярусе определены

Степень достоверности и апробация результатов. Использование обширного экспериментального материала и современных методов автоматизированного статистического анализа, системный подход при содержательном анализе объектов исследования и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне многофакторных регрессионных моделей, использование современной вычислительной техники и адекватных компьютерных программ определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов и предложений.

Все виды работ по теме диссертации от сбора экспериментального материала до обработки и анализа полученных результатов выполнены автором или при его участии.

Основные результаты исследований доложены на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2011); II научно-технической конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2011); международном научно-практическом семинаре «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг» (Йошкар-Ола, 2011); международной конференции «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны» (Сыктывкар, 2011); VIII всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2012); международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2012); IX международной научно-технической конференции «Лесные технопарки - дорожная карта инновационного лесного комплекса: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2013); IX Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2013). Основное содержание диссертации изложено в 15 печатных работах, в том числе 3 - в рецензируемых журналах (список ВАК).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит �