Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Структура первичной и удельной первичной продукции кедровых сосен с элементами географии

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Структура первичной и удельной первичной продукции кедровых сосен с элементами географии"

На правахпувяписи

Лазарев Иван Сергеевич

Структура первичной и удельной первичной продукции кедровых сосен с элементами географии

06.03.02 - лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005061333

!:'АМ 2013

Екатеринбург — 2 013

005061333

Работа выполнена на кафедре менеджмента и внешнеэкономической деятельности предприятия ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Усольцев Владимир Андреевич;

Официальные оппоненты: Соловьев Виктор Михайлович, доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», кафедра лесной таксации и лесоустройства, профессор;

Марущак Валерий Николаевич, кандидат сельскохозяйственных наук, ФГБУ науки «Ботанический сад» УрО РАН, лаборатория экспериментальной экологии и акклиматизации растений, научный сотрудник;

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет», г. Оренбург.

Защита состоится 25 июня 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 17 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. с.-х. наук, доцен!

Магасумова Альфия Гаптрауфовна

:ЕГ /

Введение. Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Чистая первичная продукция (ЧПП), выражаемая количеством фитомассы, производимой на 1 га лесного насаждения в течение года, является одной из важнейших характеристик лесных экосистем. Она лежит в основе их функционирования и используется в целях оценки биопродуктивности, углерододепонирующей емкости лесов, экологического мониторинга, устойчивого ведения лесного хозяйства, моделирования продуктивности лесов с учетом глобальных изменений, изучения структуры и биоразнообразия лесного покрова (Jiang et al., 1999; Fowler et al., 2002; Roxburgh et al., 2005).

Не менее важной биопродукционной характеристикой лесных экосистем является удельная чистая первичная продукция (УдЧПП) как отношение годичной ЧПП к величине фитомассы, выражаемое в относительных единицах или в процентах (Уткин и др., 2004; Гульбе и др., 2010). Если известно отношение ЧПП к величине фитомассы, то можно получить не только значение ЧПП древостоя по известной его фитомассе, но и одну из важнейших характеристик функционирования лесных экосистем, поскольку УдЧПП характеризует скорость обновления органического вещества фитомассы (Базилевич и др.,1986). Если ЧПП характеризует интенсивность фотосинтеза и депонирования углерода, то УдЧПП показывает удельную скорость процесса: как быстро «работает» или «превращается» один грамм вещества. Обратная величина - отношение фитомассы к ЧПП - показывает, за какое время поток ЧПП создает наличный запас фитомассы (Базилевич, Титлянова, 2008).

Изучению ЧПП и УдЧПП насаждений на примере кедровых сосен, произрастающих на азиатском материке, посвящено настоящее исследование, которое выполнялось в 2010-2013 гг. (грант РФФИ № 09-05-00508).

Степень разработанности темы исследования. Диссертация является законченным научным исследованием.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучение структуры ЧПП и УдЧПП кедровых сосен на двух уровнях - региона и ареала. В первом случае исследуется фракционная структура ЧПП и УдЧПП деревьев и древостоев естественных кедровников в условиях средней тайги Урала, а во втором на основе сформированной базы данных о фитомассе и ЧПП 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 анализируются межвидовые и региональные различия ЧПП и УдЧПП названных древесных пород в пределах их ареалов.

В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования: изучить особенности фракционной структуры надземной ЧПП (кг) и УдЧПП (кг/кг) деревьев кедра сибирского и других пород в условиях темнохвойной тайги Урала и составить справочно-нормативные таблицы;

определить фракционную структуру надземной годичной ЧПП (т/га) и УдЧПП (%) кедровых насаждений в условиях средней тайги Урала;

сформировать базу данных о фитомассе и годичной ЧПП (т/га) кедров сибирского, корейского и кедрового стланика, произрастающих на азиатской территории России, северо-востоке Китая и в Японии;

по материалам сформированной базы данных составить таблицы для оценки годичной ЧПП и УдЧПП кедровых сосен и исследовать межвидовые и региональные различия в структуре названных показателей; • составить таблицы хода роста кедра сибирского по ЧПП, совмещенные с традиционными таблицами хода роста (ТХР) древостоев Урала и

Сибири. ^^

Научная новизна. Впервые изучена структура надземной ЧПП и УдЧПП деревьев и древостоев кедра сибирского на Урале. Сформирована база экспериментальных данных о фитомассе и ЧПП насаждений кедровых сосен и впервые для кедровых сосен разработана система региональных моделей ЧПП и УдЧПП. На их основе составлены таблицы возрастного изменения названных показателей и исследованы межвидовые и региональные различия в их структуре. Путем совмещения фактических данных о ЧПП насаждений кедра сибирского с традиционными ТХР впервые составлены 22 таблицы хода роста кедровников по ЧПП.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в оценке ЧПП и УдЧПП кедровых сосен как их важнейших количественных видовых характеристик, в разработке нормативных материалов, необходимых при реализации систем лесоводственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения кедровых лесов. Результаты работы могут быть использованы при осуществлении лесного мониторинга и экологических программ, а также при оценке углерододе-понирующей и кислородопродуцирующей функций лесных экосистем.

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». Для определения фитомассы и ЧПП деревьев и древостоев взяты модельные деревья. После рубки ствол делили на 10 секций, на середине каждой 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. Прирост древесины ствола определен путем "расчехления" ствола по 10 отрезкам и определения годичного радиального и объемного прироста, среднего за последние 5 лет, с последующим пересчетом объема и объемного прироста на единицы массы в абсолютно сухом состоянии по базисной плотности, определенной по дискам. Прирост коры рассчитан по приросту древесины и соотношению массы древесины и коры ствола. У дисков, взятых на относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты дерева, отделяли кору, взвешивали отдельно древесину и кору с точностью

до 0,1 г, сушили и термовесовым методом рассчитывали абсолютно сухую фитомассу древесины и коры ствола (Усольцев, 2007). Фитомасса структурных частей кроны определялась после ее деления на три одинаковые по длине секции. После взвешивания каждой секции кроны с точностью до 50 г производилось деление их на охвоенные и неохвоенные ветви и последние взвешивались. Затем из охвоенной части каждой секции отбиралась проба (около 0,5 кг), взвешивалась с точностью до 1 г, затем от нее отделялась вручную хвоя, в том числе хвоя текущего года, которые взвешивались отдельно. Для определения содержания сухого вещества (ССВ) в массе хвои (листвы) и ветвей из каждой части кроны взяты их образцы, которые взвешивали с точностью до 0,01 г и сушили. По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу хвои (листвы) и ветвей дерева. ЧПП ветвей определена методом, предложенным А.И. Русаленко и Е.Г. Петровым (1975).

Положения, выносимые на защиту: ^^ ^^

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

система многофакторных регрессионных моделей, отражающих взаимосвязь фракционной структуры ЧПП и УдЧПП кедров сибирского и корейского с морфоструктурой древостоев на территории Азии;

межвидовые и региональные закономерности изменения структуры ЧПП и УдЧПП кедровых сосен на территории Азии; ^^

таблицы хода роста древостоев кедра сибирского по ЧПП, совмещенные с традиционными ТХР древостоев.

Степень достоверности и апробация результатов. Системный подход при содержательном анализе объектов исследования и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне многофакторных регрессионных моделей, использование 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 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 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 16 печатных работах, в том числе 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и 7 приложений. Список использованной литературы включает 253 наименования, в том числе 103 иностранных. Текст иллюстрирован 22 таблицами и 45 рисунками.

Глава 1. Оценка чистой первичной продукции (ЧПП) и удельной чистой первичной продукции (УдЧПП) лесных насаждений: состояние проблемы и методические неопределенности

Дается определение структурных составляющих биопродукции лесных экосистем, анализируются методические подходы к оценке ЧПП (Уткин, 1975; Satoo, Madgwick, 1982; Gower et al., 1997; Clark et al., 2001) и удельной продукции, исследуемой в традиционной таксации в виде процента текущего прироста по запасу стволов (Турский, 1925; Орлов, 1928; Науменко, 1946; Prodan, 1951; Анучин, 1952; Кайрюкштис, 1969; Wenk, 1973а,б; Антанайтис, Загреев, 1981; Хлюстов, Макаренко, 1983; Бузыкин и др., 1991), а в последние годы - в терминах ЧПП и фитомассы насаждений - УдЧПП (Уткин и др., 2004; Гульбе и др., 2010). Показаны неопределенности при описании взаимосвязи ЧПП и УдЧПП лесных экосистем (O'Neill, DeAngelis, 1981; Fang et al., 1996; Уткин и др., 2004; Keeling, Phillips, 2007). Дан анализ современного состояния оценки ЧПП лесных территорий, описаны биоэкологические особенности кедровых сосен.

Глава 2. Общая характеристика района и объектов исследования

Исследование выполнено в темнохвойных насаждениях, в равнинно-предгорной их части на территории Новолялинского лесничества Свердловской области, которые Б.П. Колесниковым с соавторами (1973) отнесены к Западно-Сибирской равнинной лесной области, Зауральской холмисто-предгорной провинции, среднетаежному округу. В диссертации рассмотрены природные условия, растительный покров. Кедр сибирский обычно встречается во всех типах леса. Кедровники составляют в лесопо-крытой площади около 6% (Ильин, 1936; Игошина, 1943, 1961; Горчаков-ский, 1958, 1961; Колесников, 1969). На заложенных 13 пробных площадях в кедровниках в возрасте от 82 до 118 лет (таблица 1) с долей кедра в составе от 50 до 80% взято более 70 модельных деревьев. Для перевода фракций фитомассы в абсолютно сухое состояние взято 248 проб хвои (ли-

ствы) и ветвей, а также 295 выпилов из стволов. Сформирована база данных из 50 определений фракционного состава фитомассы и 41111 насаждений. В нее включены наши 13 пробных площадей, а также взятые из литературных источников данные 24 пробных площадей, заложенных в древо-стоях кедра сибирского в Сибири и кедра корейского в Китае, и 13 пробных площадей - в кедровостланиках на Колыме и в Японии.

Глава 3. Структура ЧПП деревьев лесообразующих пород в естественных темнохвойных насаждениях кедра сибирского на Среднем Урале: анализ закономерностей и составление таксационных таблиц

Для практических целей необходимы регрессионные уравнения и составленные на их основе таблицы ЧПП деревьев по образцу традиционных объемных или сортиментных таблиц с двумя входами - диаметром и высотой дерева (Токмурзин, Байзаков, 1970; Усольцев, Усольцева, 1977; Се-мечкина, 1978; Уткин, 1982; Baker et al., 1984). Регрессионным анализом наших фактических данных ЧПП деревьев установлено, что высота дерева статистически не значима, и расчеты выполнены согласно уравнению

lnZz = а0 + ai 1пД (1)

где Zi - годичный прирост (ЧПП) z-ой фракции (хвоя или листва, ветви, ствол) в абсолютно сухом состоянии, кг; D - диаметр ствола на высоте груди, см. Доля изменчивости ЧПП деревьев, объясняемой уравнением (1), составляет около 80% (для кедра сибирского 67-73%). Чтобы объяснить остаточную изменчивость ЧПП, нами рассчитаны уравнения

InZ, = а0 + a, laD + а2 InZR, (2)

где ZR - годичный радиальный прирост древесины ствола на высоте груди (мм), средний за последние 5 лет. Оказалось, что вклад ZR в объяснение изменчивости надземной ЧПП (наибольший у кедра - 50% и наименьший -у березы -14%, в среднем 27%) связан с разностью между максимальным и минимальным значениями возраста деревьев (г = 0,858). Таким образом, если в одновозрастном древостое для определения ЧПП дерева достаточно измерения лишь одного параметра Д то в разновозрастном древостое для этого необходимо измерение второго параметра - ZR. Табулированием уравнений (2) получена справочно-нормативная таблица, полезная при оценке ЧПП древостоев в темнохвойных лесах Среднего Урала.

Глава 4. Структура удельной чистой первичной продукции (УдЧПП) деревьев лесообразующих пород в естественных темнохвойных насаждениях кедра сибирского на Среднем Урале: анализ закономерностей и составление таксационных таблиц

Оценка годичной УдЧПП деревьев (кг/кг) согласно уравнению

InZnl = ао + a! InD, (3)

(где Zrei - УдЧПП z'-ой фракции фитомассы), показала, что коэффициенты детерминации R2 в уравнениях (3) вдвое ниже, чем в (1), а в двух случаях статистически не значимы. Видимо, диаметр ствола, характеризующий це-нотическое положение дерева в пологе древостоя, для объяснения изменчивости УдЧПП является недостаточным фактором-регрессором. Расчет уравнения

In Zrei = ао + ai lnD + а2 InZR (4)

показал, что Д2 повысился на 32% по сравнеию с (3), а вклад ZR в объяснение изменчивости УдЧПП составил 40%. Выявлено отсутствие связи вклада ZR в объяснение изменчивости УдЧПП деревьев со степенью разновозрастное™ древостоев. Табулированием уравнений (4) по задаваемым значениям DyiZR получена справочно-нормативная таблица, которую можно использовать при оценке УдЧПП древостоев в темнохвойных лесах Урала.

Глава 5. Структура и сравнительный анализ ЧПП и УдЧПП насаждений кедров сибирского и корейского

По рассчитанным регрессионным уравнениям и данным перечета деревьев по породному составу и ступеням толщины получены фактические значения надземной фитомассы и ЧПП кедровников Новолялинского лесничества (таблица 1). Данные таблицы 1 подтверждают отмеченную В.А. Усольцевым (2007) некорректность определения фракционного состава ЧПП по известному долевому фракционному составу фитомассы древостоев: соотношение хвои, ветвей и стволов в ЧПП наших кедровников составляет 13, 40 и 47%, а в фитомассе оно совсем иное, соответственно 5, 10 и 85%. УдЧПП стволов варьирует от 1,2 до 2,0%, ветвей - от 2,8 до 4,2%, хвои - от 20 до 27% и всей надземной - от 2,2 до 3,4%. Для лесов Башкирии УдЧПП составила 4-7%, в лесах Свердловской области 6%, в Бурятии 1%, а в Китае 12% (Норицина, 2009). Это означает, что относительная стабильность УдЧПП исследованных нами кедровников (от 2,2 до 3,4%) имеет локальный характер, и данный показатель должен исследоваться в географическом аспекте. Поскольку кедры сибирский и корейский близки по морфоструктуре, но имеют раздельные ареалы в разных природных зонах, необходимо на основе сформированной базы данных выяснить, есть ли различия двух пород по структуре ЧПП и УдЧПП.

Для этого мы включили в регрессионные уравнения бинарную переменную X (Дрейпер, Смит, 1973), кодирующую видовую принадлежность насаждений пробных площадей: X = 0 для кедра сибирского и Х=1 - для кедра корейского. Рассчитаны системы связанных уравнений для ЧПП: InM=/(InA, X) -» ln(Z,/M) =/(Ш, X) (5)

и для УдЧПП:

InM =/(1пА, X) ln(Z/P,) =/(Ш, X), (6)

Таблица 1 - Таксационные показатели, фитомасса, ЧПП и УдЧПП кедровников по данным пробных площадей

Новолялинского лесничества*

№ А, лет N, тыс. шт/га А см я, м м, м3/га Фитомасса, т/га ЧПП, т/га УдЧПП, %

Стволы Ветви Хвоя Всего Стволы Ветви Хвоя Всего Стволы Ветви Хвоя Общая

1 107 1,471 20,4 21,2 567 193,2 22,6 11,2 226,9 3,05 0,87 2,74 6,66 1,6 3,8 24,5 2,9

2 118 0,916 20,3 24,4 313 110,6 14,5 7,80 132,9 1,94 0,54 1,73 4,21 1,8 3,7 22,2 3,2

3 90 1,121 22,2 17,7 430 150,0 16,7 9,11 175,8 2,51 0,64 1,83 4,98 1,7 3,8 20,1 2,8

4 99 0,282 42,7 20,2 472 170,3 19,4 9,41 199,2 2,55 0,72 2,25 5,53 1,5 3,7 23,9 2,8

5 82 1,257 18,0 15,8 297 177,1 24,7 14,0 215,8 3,50 0,92 2,92 7,33 2,0 3,7 20,8 3,4

6 87 0,678 20,0 16,9 243 86,5 9,7 4,63 100,7 1,48 0,41 1,26 ЗД4 1,7 4,2 27,2 3,1

7 103 1,045 20,6 21,1 400 140,8 16,1 8,15 165,0 2,17 0,60 1,84 4,61 1,5 3,7 22,6 2,8

8 109 0,875 24,0 19,8 482 164,5 19Д 9,94 193,5 2,32 0,63 2,01 4,96 1,4 з,з 20,2 2,6

9 93 1,483 19,4 16,7 548 186,7 21,1 9,75 217,6 2,54 0,73 2,32 5,59 1,4 3,5 23,8 2,6

10 103 0,966 22,3 18,7 449 164,8 19,7 8,77 193,3 2,17 0,62 2,02 4,81 1,3 3,1 23,0 2,5

11 87 1,083 21,6 17,7 478 179,8 22,2 9,60 211,6 2,20 0,63 2,16 4,99 1,2 2,8 22,5 2,4

12 101 1,358 18,5 16,8 506 161,3 16,7 7,57 185,6 1,91 0,54 1,62 4,07 1,2 3,2 21,4 2,2

13 90 1,258 18,6 19,8 394 139,2 15,5 7,60 162,4 1,98 0,55 1,59 4,11 1,4 3,5 20,9 2,5

* А - возраст древостоя; N - густота древостоя; В и Н-соответственно средние диаметр на высоте груди и вы-

сота древостоя; М-запас стволовой древесины.

где Р,- и Д - соответственно фитомасса и годичная ЧПП стволов с корой, хвои, скелета ветвей, корней, нижнего яруса, т/га; Z¡/Pi - УдЧПП, т/т. Коэффициенты В2 варьируют от 0,70 до 0,96. Составленные по уравнениям (5) и (6) таблицы возрастной динамики ЧПП и УдЧПП показали, что ЧПП кедра корейского статистически значимо превышает ЧПП кедра сибирского: по стволам, хвое, ветвям и общей ЧПП соответственно на 64, 28, 10 и 27%. Фракционные соотношения ЧПП двух пород составляют: у кедра сибирского ЧПП стволов, хвои, ветвей и корней соотносятся как 34, 30, 9 и 27, а у кедра корейского как 44, 30, 8 и 18%, т.е. у кедра корейского по сравнению с сибирским в общей ЧПП больше доля стволов, но меньше -корней. УдЧПП кедра корейского превышает таковую кедра сибирского в большей степени, чем ЧПП: по стволам, хвое, надземной и общей соответственно в 2,2; 2,0; 1,4 и 1,8 раза.

Глава 6. Изменение ЧПП и УдЧПП насаяедений кедровых сосен по

экорегионам Азии ^^

Исходные данные фитомассы и годичной ЧПП кедров сибирского и корейского (т/га) мы расчленили по экорегионам с соответствующими сдвигами благодаря блоковым переменным, показанным в таблице 2.

Таблица 2 - Схема кодирования блоковыми переменными региональных массивов данньрс о фитомассе и ЧШ1 кедровников .

Экорегион* X, х2 Хз

УРср (Ргиш ¡гЫггса) 0 0 0

ЗСюж (Р. ¡¡Ыпса) 1 0 0

КИТюж (Р. кога1еп51£) 0 1 0

КИТхш (Р. когтет1з) 0 0 1

УРср - Уральская провинция, средняя тайга; ЗСюж - Западносибирская провинция, южная тайга; КИТюж - северо-восток Китая, южная тайга; КИТхш - то же, хвойно-широколиственные леса.

Для ЧПП кедровников рассчитана система связанных уравнений 1пМ=/(Хо, Хь Х2, Х3, Ш) — 1п(Д/М) =ДХо, Хь Х2, Х3, Ш). (7)

Поскольку при расчете аналогичных уравнений для УдЧПП запас М

статистически незначим, первое звено в системе (7) исключено, и расчет

выполнен по уравнению, имеющему общий вид

1п (Д/Р,) =ЛХо, Хь Х2, Х3,1гь4)- (В)

Коэффициенты Я2 для фракций фитомассы древостоев варьируют в

(7) от 0,81 до 0,93 и в (8) - от 0,78 до 0,97. Табулированием уравнений (7) и

(8) по задаваемым значениям возраста получены возрастные тренды ЧПП и УдЧПП кедровников по каждому экорегиону. На рисунке показаны их соотношения для возраста 100 лет. На левом рисунке снижение показателей ЧПП кедровников в направлении от Уральской к Западносибирской провинции с 7,9 до 6,3 т/га объясняется увеличением индекса континен-тальности климата (Борисов, 1967), а увеличение ее в северо-восточном Китае в направлении от южной тайги к хвойно-широколиственным лесам с 7,8 до 11,1 т/га происходит под влиянием повышения среднемесячной

суммы эффективных температур выше +5°С за вегетационный период (ТиЬкапеп, 1984).

с

С 3

>. 2 1

—2-89--------

КИТгож КИТХ1

ЗС КЗГТюж КИТып

Рисунок. Региональные изменения структуры ЧПП (а) и общей УдЧПП (б) в 100-летних насаждениях кедра сибирского и корейского.

На правом рисунке показано последовательное увеличение УдЧПП кедра сибирского в направлении от средней тайги Урала (2,9%) к южной тайге Западной Сибири (3,1%) и затем в Китае (кедр корейский) - от южной тайги (5,4%) к хвойно-широколиственным лесам (5,8%). Таким образом, в направлении от Урала до Китая происходит удвоение УдЧПП кедровников. По фракционному составу наибольшая скорость обновления органического вещества в фитомассе и, следовательно, скорость «работы» вещества, у кедра сибирского в возрасте 100 лет свойственна хвое (2122%). Существенно ниже (3,0-4,3%) она по ветвям и корням и наименьшая - по стволам (1,5-1,8%). Аналогичные показатели у кедра корейского составляют соответственно 27-48%; 3,2-3,5% и 3,3-3,4%.

Выполненные два исследования ЧПП и фитомассы в кедровостлани-ках: одно в России Т.М. Панченко (1985) и одно в Японии (Картою, 1996) дают возможность в первом приближении сравнить ЧПП и УдЧПП кедрового стланика с кедрами сибирским и корейским. Эти соотношения видос-пецифичны в зависимости от рассматриваемого показателя. Так, в 100-летнем возрасте общая ЧПП насаждений кедра сибирского и корейского больше, чем кедровостлаников на Колыме в 1,3-1,7 раза. По показателю УдЧПП закономерность меняется на противоположную: УдЧПП по общей фитомассе в кедровостланике на Колыме в 3,5 раза превышает аналогичный показатель у кедра сибирского и вдвое - у кедра корейского. В 200-летнем возрасте превышение по ЧПП древостоев кедра сибирского и корейского над кедровостланиками на Колыме примерно 2-кратное, а по УдЧПП закономерность меняется на противоположную: превышение вторых над первыми по данному показателю варьирует от 2- до 3-кратного.

При приблизительном равенстве как общей фитомассы, так и общей ЧПП, кедровостлаников на плакорах Колымы и на горе Кинпу в Японии, их фракционная структура существенно различается: если по массе и ЧПП

хвои вторые превышают первые соответственно в 4 и 6 раз, то по скелетной надземной части, напротив, первые превышают вторые соответственно в 2 и 7 раз. УдЧПП хвои и общая УдЧПП в кедровостланиках Японии превышают таковые Колымы в 1,6 раза. При одинаковом возрасте (40 лет) кедровостлаников под пологом лиственницы на Колыме и на верхней границе леса в Японии их фракционная структура также существенно различается: по массе хвои и общей вторые превосходят первые соответственно в 24 и 2,2 раза. По ЧПП расхождения значительнее: вторые превышают первые по ЧПП скелетной части в 8 раз и хвои - в 41 раз. Общая УдЧПП кедровостлаников Японии превышает таковую кедровостлаников под пологом лиственницы на Колыме в 18 раз.

Глава 7. Составление таблиц хода роста по ЧПП кедра сибирского для Урало-Сибирского региона

Полученные в предыдущей главе возрастные тренды ЧПП кедровых насаждений имеют в своей основе только модифицированные данные пробных площадей, а репрезентативность последних при их закладке обычно не оценивалась. В настоящей главе при составлении нормативов для оценки ЧПП кедра сибирского в пределах его ареала произрастания за основу взяты традиционные таблицы хода роста (ТХР) нормальных (сомкнутых) и модальных древостоев, дополненные показателями ЧПП путем совмещения ТХР с регрессионными моделями 41111 кедровников. Составленные 22 таблицы хода роста кедровников по ЧПП отражают региональные особенности продуцирования их фитомассы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для определения ЧПП (т/га) и УдЧПП (%) смешанных по составу кедровников Урала исследованы зависимости ЧПП (кг) и УдЧПП (%) деревьев пяти лесообразующих древесных пород от диаметра ствола и его радиального прироста. Установлено, что чем больше возрастной диапазон деревьев, тем больше вклад радиального прироста в объяснение изменчивости ЧПП дерева. Вклад радиального прироста в объяснение изменчивости ЧПП составляет 27% и УдЧПП - 40%, причем в последнем случае он не зависит от степени разновозрастности деревьев в древостое.

На 13 пробных площадях, заложенных в кедровниках Среднего Урала с долей кедра в породном составе от 50 до 80%, установлены средние значения надземной фитомассы 183 т/га, надземной годичной 41111 5,0 с отклонениями от 3,1 до 7,3 т/га и надземной УдЧПП 2,75%. УдЧПП стволов варьирует от 1,2 до 2,0%, ветвей - от 2,8 до 4,2%, хвои - от 20 до 27% и всей надземной - от 2,2 до 3,4%.

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, выполнен сравнительный анализ структуры как ЧПП, так и УдЧПП, двух древесных пород на основе сформированной базы данных из 50 определений и представленной в виде регрессионных зависимостей названных показателей от основных массообразующих характеристик древостоев.

Установлено, что ЧПП хвои, корней и общая ЧПП увеличиваются до 40-60 лет, а затем последовательно снижаются с возрастом у обеих древесных пород. Величина ЧПП кедра корейского превышает таковую у кедра сибирского, и это превышение статистически значимо, несмотря на то, что по запасу стволовой древесины соотношение двух пород прямо противоположное. Названное превышение составляет по стволам, хвое, ветвям и общей ЧПП соответственно 64, 28, 10 и 27%. Фракционные соотношения ЧПП двух пород составляют: у кедра сибирского ЧПП стволов, хвои, ветвей и корней соотносятся как 34, 30, 9 и 27, а у кедра корейского как 44, 30, 8 и 18%, т.е. у кедра корейского по сравнению с сибирским в общей ЧПП больше доля стволов, но меньше - корней.

УдЧПП кедра корейского превышает таковую кедра сибирского в еще большей степени, чем ЧПП, а именно, по стволам, хвое, надземной и общей УдЧПП превышает соответственно в 2,2; 2,0; 1,4 и 1,8 раза. Это означает, что скорость обновления органического вещества в фитомассе и, следовательно, скорость «работы» веществ, у кедра корейского значительно выше по сравнению с кедром сибирским .....

Более корректный и детальный географический анализ ЧПП древостоев кедров сибирского и корейского, выполненный на основе фактических данных, стратифицированных по четырем экорегионам с кодировкой блоковыми фиктивными переменными в регрессионных моделях ЧПП и УдЧПП, показал снижение общей ЧПП в направлении от Урала к Западной Сибири и затем - увеличение в направлении от южной тайги к подзоне хвойно-широколиственных лесов в Китае. Для 100-летних кедровников названный показатель имеет значения соответственно 7,9 (Урал); 6,3 (Западная Сибирь); 7,8 (южная тайга Китая) и 11,1 (хвойно-широколиственные леса Китая) т/га в год. Снижение показателей ЧПП кедровников в направлении от Уральской к Западносибирской провинции объясняется увеличением индекса континентальности климата, а увеличение ее в северовосточном Китае в направлении от южной тайги к хвойно-широколиственным лесам происходит под влиянием повышения суммы эффективных температур выше +5°С за вегетационный период. ^^

Региональный анализ показал последовательное увеличение УдЧПП в направлении от средней тайги Урала (2,9%) к южной тайге Западной Сибири (3,1%) (кедр сибирский) и далее - к южной тайге (5,4%) и затем к

хвойно-широколиственным лесам (5,8%) Китая (кедр корейский), т.е. в направлении от Урала до Китая происходит удвоение УдЧПП кедровников.

На основании имеющихся немногочисленных фактических данных о фитомассе и ЧПП кедровостлаников можно сделать предварительные выводы о соотношении биопродукционных показателей древостоев кедрового стланика, кедров сибирского и корейского. В частности, в 100-летнем возрасте общая ЧПП насаждений кедра сибирского и корейского больше, чем кедровостлаников на Колыме в 1,3-1,7 раза. По показателю УдЧПП закономерность меняется на противоположную: УдЧПП по общей фитомассе в кедровостланике на Колыме в 3,5 раза превышает аналогичный показатель у кедра сибирского и вдвое - у кедра корейского. В 200-летнем возрасте превышение по ЧПП древостоев кедра сибирского и корейского над кедровостланиками на Колыме примерно 2-кратное, а по УдЧПП закономерность меняется на противоположную: превышение вторых над первыми по данному показателю варьирует от 2- до 3-кратного.

Таким образом, в 100-200-летнем возрасте кедровостланики Колымы по скорости обновления органического вещества превышают древостой кедров сибирского и корейского в 2-3 раза. В возрасте 40 лет кедровостланики Японии по данному показателю превышают древостой кедров сибирского и корейского в том же возрасте соответственно в 2,5 и 1,4 раза.

Сформированная база данных о фитомассе и ЧПП кедровников в количестве 50 пробных площадей не отражает всего многообразия лесорас-тительных условий на территории от таежного Урала до хвойно-широколиственных лесов юго-востока Азии. Наиболее корректное представление о биопродукционном спектре кедровников на названной территории получено на основе 22 традиционных таблиц хода роста, составленных для древостоев кедра сибирского Урала и Сибири с привлечением многих сотен пробных площадей с традиционной перечислительной таксацией древостоев и совмещенных нами с регрессионными уравнениями ЧПП кедровников, рассчитанными по материалам упомянутой базы данных. Комплект из составленных 22 таблиц хода роста кедровников по ЧПП может служить исходной основой при разработке различного рода экологических региональных и глобальных проектов и может быть использован в ресурсоведческом и лесоэкономическом аспектах, а также при разработке системы глобальных экологических услуг.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

По списку ВАК

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

2. Усольцев, В.А. Межвидовые и региональные особенности фито-массы пятихвойных сосен на востоке Евразии / В.А. Усольцев, В.В. Кру-дышев, И.С. Лазарев // Вестник Алтайского государственного аграрного

университета. - 2013. - № 1(92). - С. 57-60.

3. Воронов, М.П. Автоматизированная система определения и картирования депонируемого лесами углерода в среде СУБД ADABAS / М.П. Воронов, В.А. Усольцев, В.П. Часовских, И.С. Лазарев, Н.В. Сенчило // Лесной журнал. 2013. № 1 (331). С. 22-28.

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 насаждении на загрязнения от Карабашского медеплавильного комбината / В.А. Усольцев, Е.Л. Воробейчик, A.B. Борников, A.C. Жанабаева, A.B. Бачурина, Е.В. Кох,

A.Т. Мезенцев, В.В. Крудышев, И.С. Лазарев // Леса России и хозяйство в

них. - 2011. - № 3 (40). - С. 33-44.

6. 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 // Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны: Материалы Междунар. конфер. -Сыктывкар: Ин-т биологии Коми НЦ УрО РАН, 2011. - С. 111-113.

7. 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 междунар. научно-практического семинара. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 109-114.

8. 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. Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - Вып. 3. - С. 261-270.

9. 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. - Тамбов: «Бизнес-Наука-Общество», 2012. - Ч. 2. - С. 142-143.

10. 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. науч.-техн. конф. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - Ч. 2. - С. 91-93.

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

12. Усольцев, В.А. Межвидовые различия фитомассы кедров сибирского и корейского в Евразии / В.А. Усольцев, А.Т. Мезенцев, В.В. Кру-дышев, 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.

13. 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 // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: Матер. IX Всерос. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2013. - Ч. 2. - С. 251-253.

14. Усольцев, В.А. Структура удельной чистой первичной продукции (УдЧПП) кедра сибирского на Урале / В.А. Усольцев, И.С. Лазарев, Н.В. Сенчило, Д.С. Гаврилин // Сб. научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2013. -Вып. 4 - С. 113-123.

15. Усольцев, В.А. Структура чистой первичной продукции (ЧИП) деревьев лесообразующих пород в кедровниках Среднего. Урала / В.А. Усольцев, И.С. Лазарев, Н.В. Сенчило, Д.С. Гаврилин // Сб. научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. -Екатеринбург: УГЛТУ, 2013. - Вып. 4. - С. 124-131.

16. Усольцев, В.А. Структура и распределение чистой первичной продукции (ЧИП) кедровых сосен в азиатском регионе / В.А. Усольцев, И.С. Лазарев, Н.В. Хабибуллина, Д.С. Гаврилин // Сб. научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2013. - Вып. 4. -С. 132-142.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух 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 15.05.2013. Объем 1,0 п. л. Заказ № 115. Тираж 100. 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37. УГЛТУ. Отдел оперативной полиграфии.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Лазарев, Иван Сергеевич, Екатеринбург

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

На прайах/$укописи

04201360454

Лазарев Иван Сергеевич

Структура первичной и удельной первичной продукции кедровых сосен с элементами географии

Специальность 06.03.02 -лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель Усольцев Владимир Андреевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Екатеринбург 2013

Оглавление

Введение. Общая характеристика работы.............................................5

Глава 1. Оценка чистой первичной продукции (ЧПП) и удельной чистой первичной продукции (УдЧПП) лесных насаждений: состояние проблемы и методические неопределенности.............................................................13

1.1. Общие положения...................................................................13

1.2. Развитие методических подходов к оценке 41111 насаждений.............17

1.3. Удельная чистая первичная продукция (УдЧПП) и ее связь с определяющими факторами...........................................................................47

1.4. Современное состояние и результаты оценки ЧПП лесных территорий..................................................................................................59

1.5. Биоэкологические особенности кедровых сосен.............................72

Глава 2. Общая характеристика района и объектов исследования.............85

2.1. Природные условия Новолялинского лесничества Свердловской области ..................................................................................................85

2.2. Характеристика объектов исследования и объем выполненных работ ..91

2.3. Характеристика базы данных о фитомассе и ЧПП кедровых сосен в

Азии................................................................................................94

Глава 3. Структура ЧПП деревьев лесообразующих пород в естественных темнохвойных насаждениях кедра сибирского на Среднем Урале: анализ закономерностей и составление таксационных таблиц...............................96

3.1. Оценка ЧПП деревьев по их диаметру..........................................96

3.2. Оценка ЧПП по диаметру и радиальному приросту ствола на высоте груди...........................................................................................100

Глава 4. Структура удельной чистой первичной продукции (УдЧПП) деревьев лесообразующих пород в естественных темнохвойных насаждениях кедра сибирского на Среднем Урале: анализ закономерностей и составление

таксационных таблиц........................................................................106

4.1. Оценка УдЧПП деревьев по их диаметру....................................106

4.2. Оценка УдЧПП деревьев по диаметру и радиальному приросту ствола

на высоте груди...............................................................................110

Глава 5. Структура и сравнительный анализ ЧПП и УдЧПП насаждений кедров сибирского и корейского.........................................................115

5.1. Структура надземной ЧПП и УдЧПП древостоев кедра сибирского на Среднем Урале.................................................................................115

5.2. Исследование межвидовых различий в структуре ЧПП и УдЧПП древостоев кедровых сосен..........................................................................117

Глава 6. Изменение ЧПП и УдЧПП насаждений кедровых сосен по экоре-гионам Азии....................................................................................125

6.1. Изменение ЧПП кедровников по экорегионам..............................125

6.2. Изменение УдЧПП кедровников по экорегионам..........................136

6.3. ЧПП и УдЧПП насаждений кедрового стланика...........................140

Глава 7. Составление таблиц хода роста по ЧПП кедра сибирского для Урало-Сибирского региона.....................................................................144

Заключение.....................................................................................146

Список использованной литературы...................................................151

Приложение 1. Фактические данные модельных деревьев, полученные на пробных площадях..................................................................................177

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

кроны), полученные при взятии модельных деревьев.................................180

Приложение 3. Квалиметрические показатели древесины и коры, полученные по

выпилам (дискам) ствола при взятии модельных деревьев...........................188

Приложение 4. Данные пробных площадей о фитомассе и ЧПП в абсолютно сухом состоянии насаждений кедровых сосен на территории Азии...................197

Приложение 5. Справочно-нормативная таблица для оценки ЧПП деревьев пяти лесообразующих пород Среднего Урала по известным значениям диаметра ствола на высоте груди и радиального прироста................................................200

Приложение 6. Справочно-нормативная таблица для оценки УдЧПП деревьев пяти лесообразующих пород Среднего Урала по известным значениям диаметра

ствола на высоте груди и радиального прироста.......................................204

Приложение 7. Таблицы хода роста по ЧПП кедра сибирского для Урало-Сибирского региона..........................................................................209

Введение. Общая характеристика работы.

Актуальность темы исследования. Чистая первичная продукция (ЧПП) лесов является одной из важнейших характеристик, которая лежит в основе функционирования лесных экосистем и используется в целях оценки углерододепони-рующей емкости лесов, экологического мониторинга, устойчивого ведения лесного хозяйства, моделирования продуктивности лесов с учетом глобальных изменений, изучения структуры и биоразнообразия лесного покрова (Fowler, A. Earth observation for sustainable development: Using space-based technology for monitoring Canada's forests / A. Fowler, K. Low, J. Stone // Information Forestry. April 2002. -Canadian Forest Service. Pacific Forestry Centre. Victoria; British Columbia. P. 6-7; Roxburgh, S.H. What is NPP? Inconsistent accounting of respiratory fluxes in the definition of net primary production / S.H. Roxburgh, S.L. Berry, T.N. Buckley, B. Barnes, M.L. Roderick // Functional Ecology. 2005. Vol. 19. P. 378-382).

He менее важной биопродукционной характеристикой лесных насаждений является удельная чистая первичная продукция (УдЧПП) как отношение ЧПП к величине фитомассы, выражаемое в относительных единицах или в процентах (Уткин, А.И. Связь надземной чистой первичной продукции с фитомассой и с запасами насаждений (поиск моделей по материалам базы данных) / А.И. Уткин, Я.И. Гульбе, Т.А. Гульбе, Д.Г. Замолодчиков // Структурно-функциональная организация и динамика лесов. Материалы Всероссийской конференции. Красноярск: Ин-т леса СО РАН им. В.Н. Сукачева, 2004. С. 477-479; Гульбе, Я.И. Удельная продуктивность фитомассы древостоев основных лесообразующих пород / Я.И. Гульбе, Т.А. Гульбе, А.Я. Гульбе, JI.C. Ермолова // Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адапта-

к*

ционные технологии. Материалы международной конференции. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. С. 197-200). Если известно отношение ЧПП к величине фитомассы, то можно получить не только значение ЧПП древостоя по известной его фи-томассе, но и одну из важнейших характеристик функционирования лесных экосистем, поскольку УдЧПП характеризует скорость обновления органического ве-

щества фитомассы (Базилевич, Н.И. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем / Н.И. Базилевич, О.С. Гребенщиков, А.А.Тишков. М.: Наука, 1986. 297 е.). Если Ч1Ш характеризует интенсивность фотосинтеза и депонирования углерода, то УдЧПП показывает удельную скорость процесса: как быстро «работает» или «превращается» один грамм вещества. Обратная величина - отношение фитомассы к ЧПП - показывает, за какое время поток ЧПП создает запас фитомассы (Базилевич, Н.И. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах / Н.И. Базилевич, A.A. Титлянова. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 381 е.).

Исследования ЧПП и УдЧПП лесных экосистем являются и будут актуальнейшими до тех пор, пока требуются решения по таким проблемам, как глобальные изменения, устойчивое развитие и сохранение биоразнообразия (Jiang, H. Modelling the net primary productivity of temperate forest ecosystems in China with a GAP model / H. Jiang, C. Peng, M.J. Apps, Y. Zhang, P.M. Woodard, Z. Wang // Ecological Modelling. 1999. Vol. 122. P. 225-238). Для мирового научного сообщества изучение структуры и географии ЧПП и УдЧПП лесов является одним из наиболее приоритетных направлений. Реализации подобной задачи на примере кедровых сосен, произрастающих на азиатском материке, посвящено настоящее исследование. Исследования автора проводились в 2010-2013 гг. (грант РФФИ № 0905-00508).

Степень разработанности темы исследования. Диссертация является законченным научным исследованием.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучение структуры ЧПП и УдЧПП кедровых сосен на двух уровнях - региона и ареала. В первом случае исследуется фракционная структура ЧПП и УдЧПП деревьев и древостоев естественных кедровников в условиях темнохвойной средней тайги Урала, а во втором на основе сформированной базы данных о фитомассе и 41111 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 анализируются межвидовые и регио-

нальные различия 41111 и УдЧПП названных древесных пород в пределах их ареалов.

В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования были:

• изучить особенности фракционной структуры надземной ЧПП (кг) и УдЧПП (кг/кг) деревьев кедра сибирского и других пород в условиях темнохвой-ной средней тайги Урала и составить справочно-нормативные таблицы для их оценки;

• определить фракционную структуру надземной годичной ЧПП (т/га) и УдЧПП (%) темнохвойных насаждений с преобладанием или участием кедра сибирского в условиях средней тайги Урала;

• сформировать базу данных о фитомассе и годичной ЧПП (т/га) кедров сибирского, корейского и кедрового стланика, произрастающих на азиатской территории России, северо-востоке Китая и в Японии;

• по материалам сформированной базы данных составить таблицы для оценки годичной ЧПП и УдЧПП кедровых сосен на территории Азии и на их основе исследовать межвидовые и региональные различия в структуре названных показателей;

• составить таблицы хода роста кедра сибирского по ЧПП, совмещенные с традиционными таблицами хода роста (ТХР) древостоев Урала и Сибири.

Научная новизна. Впервые изучена структура надземной ЧПП и УдЧПП деревьев и древостоев темнохвойной тайги Урала с преобладанием или участием кедра сибирского. Сформирована база экспериментальных данных о фитомассе и ЧПП насаждений кедровых сосен и впервые для них разработана система региональных моделей и справочно-нормативных таблиц ЧПП и УдЧПП. На их основе составлены таблицы возрастного изменения названных показателей и исследованы межвидовые и региональные различия в их структуре. Путем совмещения фактических данных о ЧПП насаждений кедра сибирского с традиционными ТХР впервые составлены 22 таблицы хода роста кедровников по ЧПП.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в оценке ЧПП и УдЧПП кедровых сосен как их важнейших количественных видовых ха-

рактеристик, в разработке нормативных материалов, необходимых при реализации систем лесоводственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения кедровых лесов. Результаты работы могут быть использованы при осуществлении лесного мониторинга и экологических программ разного уровня, а также при оценке углерододепонирующей и кислоро-допродуцирующей функций лесных экосистем.

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 е.». Для определения фитомассы и ЧПП деревьев и древостоев взяты модельные деревья. После рубки ствол делили на 10 секций, на середине каждой 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 дисков, взятых на относительных высотах 20, 50 и 80 % от общей высоты дерева (рисунок 1), отделяли кору, взвешивали отдельно древесину и кору с точностью до 0,1 г, сушили в сушильном шкафу при температуре 105°С термостате до постоянной массы и использовали далее для определения содержания коры и абсолютно сухого вещества в древесине и коре. По этим значениям рассчитывали абсолютно сухую фитомассу древесины и коры ствола.

Рисунок 1. Выпилы, взятые на высоте груди и на относительных высотах 20, 50 и 80% от общей высоты ствола.

Фитомасса структурных частей кроны определялась после ее деления на три одинаковые по длине секции. После взвешивания каждой секции кроны (рисунок 2) с точностью до 50 г производилось деление их на охвоенные и неохвоенные ветви, и последние взвешивались. Затем из охвоенной части каждой секции отбиралась проба (около 0,5 кг), взвешивалась с точностью до 1 г, затем от нее отделялась вручную хвоя, и обесхвоенная скелетная часть пробы взвешивалась. По установленным на пробах соотношениям определяли фитомассу хвои (листвы) и древесных частей для каждой секции, а затем - для всей кроны. Для определения содержания сухого вещества (ССВ) в массе хвои (листвы) и ветвей из каждой части кроны взяты их образцы, которые взвешивались с точностью до 0,01 г. По полученным значениям рассчитывали абсолютно сухую массу хвои (листвы) и ветвей дерева. Сушка всех образцов производилась до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105°С (рисунок 3).

Рисунок 2. Взвешивание кроны кедра сибирского на пробной площади

Рисунок 3. Сушка образцов хвои и коры в сушильном шкафу.

На пробных площадях кроме фитомассы деревьев определяли ее годичный прирост, или ЧГТП. Прирост древесины ствола определен путем "расчехления" ствола по 10 отрезкам и определения годичного объемного прироста, среднего за последние 5 лет, с последующим пересчетом на абсолютно сухое состояние по базисной плотности, определенной по дискам. Прирост коры рассчитан по приросту древесины и соотношению массы древесины и коры ствола. Прирост хвои определяли по тем же выше упомянутым 0,5-килограммовым навескам охвоенных побегов, но отделяли не только всю хвою, но и хвою текущего года, и затем рассчитывали массу хвои текущего года для дерева. У лиственных пород прирост листвы принят равным ее массе.

ЧПП ветвей определена методом, предложенным А. И. Русаленко и Е.Г. Петровым (Русаленко, А.И. Определение прироста фитомассы в сосновых насаждениях / А.И. Русаленко, Е.Г. Петров // Текущий прирост древостоев (материалы научной конференции). Минск: Изд-во "Ураджай", 1975. С. 139-140). Согласно

этому методу, удвоенная масса ветвей дерева делится на возраст кроны, измеренный по годичным кольцам у ее основания, или (что равноценно) общая масса ветвей кроны делится на средний возраст их ветвей. Это согласуется с известным фактом (Уткин, А.И. Биологическая продуктивность лесов: Методы изучения и результаты / А.И. Уткин // Лесоведение и лесоводство: Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1975. Т. 1. С. 9-189), что средняя по массе мутовка у сосен приходится примерно на середину кроны.

Кроме показателей фитомассы и ее первичной продукции, определенных на пробных площадях с целью их оценки на единице площади, по соответствующей методике (Усольцев, В.А. Формирование банков данных о фитомассе лесов / В.А. Усольцев. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 541 с.) у модельных деревьев были измерены в четырех направлениях на выпилах, взятых на высоте 1,3 м, годичные радиальные приросты древесины за последние 5 лет. Положения, выносимые на защиту:

• таблицы для оценки количественных показателей 41111 и УдЧПП деревьев кедра сибирского, ели сибирской, пихты сибирской, сосны обыкновенной и березы пушистой по определяющим показателям;

• система многофакторных регрессионных моделей, отражающих взаимосвязь фракционной структуры ЧПП и УдЧПП кедров сибирского и корейского с мор-фоструктурой древостоев на территории Азии;

• межвидовые и региональные закономерности изменения структуры ЧПП и УдЧПП кедровых сосен на территории Азии;

• таблицы хода роста древостоев кедра сибирского по ЧПП, совмещенные с традиционными ТХР древостоев.

Степень достоверности и апробация результатов. Системный подход при содержательном анализе объектов исследования и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне многофакторных регрессионных моделей, использование 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 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 и IX всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2012, 2013); международной научно-практической конференци