Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Вертикальная структура фитомассы крон в естественных сосняках степной зоны

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Вертикальная структура фитомассы крон в естественных сосняках степной зоны"

На правах пукописи

Мезенцев Александр Трофимович

Вертикальная структура фитомассы крон в естественных сосняках степной зоны

06.03.02 - лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

31 СКТ 2013

Екатеринбург, 2013

005536420

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: Нагимов Зуфар Ягфарович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», кафедра лесной таксации и лесоустройства, заведующий;

Горячев Владимир Михайлович, кандидат биологических наук, ФГБУ науки «Институт экологии растений и животных» УрО РАН, лаборатория дендрохронологии, старший научный сотрудник;

Ведущая организация: ФГБУ науки «Институт леса им. В.Н. Сукачева

Сибирского отделения РАН», г. Красноярск

Защита состоится 24 октября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.01 при Уральском государственном лесотехническом университете по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский

тракт, 37, ауд. 401. ппгл

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан 20 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. с.-х. наук, доцент

Магасумова Альфия Гаптрауфовна

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования структуры и гидравлической архитектуры дерева на уровне вертикального распределения фитомассы как элемента структурно-функциональной организации лесных фитоценозов проводятся для решения специальных задач — изучения светового режима леса (Алексеев, 1975), выделения вертикальных биогеоценотических структур (Уткин, Дылис, 1966; Карманова и др., 1987), исследования «адаптивной геометрии деревьев» (Borchert, Slade, 1981), анализа минерального питания в лесных биогеоценозах (Беручашвили, 1972), определения характеристик продуцирования, накопления, пространственной трансформации фитомассы (Jahnke, Lawrence, 1965; Рождественский, 1984; Ар-утюнян, Уткин, 1986; Гульбе и др., 1986; Уткин, 1986; Уткин и др., 1986).

Современная техника дистанционного зондирования лесного покрова позволяет разрабатывать цифровые 3-D модели структуры полога, в том числе фитомассы (Усольцев, 1998; Goetz et al., 1999; Päivinen et al., 2001; Данилин, 2003; Widlowski et al., 2003; Данилин, Фаворская, 2011). Однако сегодня физиками при активном дистанционном зондировании растительного покрова его структура не учитывается и описывается с позиций теории «мутных сред» как случайная дисперсионная среда (Якубов и др., 2002; Калинкевич и др., 2008).

В настоящем исследовании на примере естественных сосняков предложен альтернативный подход, показана многофакторная природа вертикально-фракционной структуры фитомассы деревьев, а также возможности и результаты ее описания путем регрессионного анализа с использованием методов традиционной лесной таксации.

Исследования автора проводились в 2009-2013 гг. в рамках проектов по грантам РФФИ № 07-07-96010 и 09-05-00508.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - на примере сосняков естественного происхождения исследовать влияние возраста и морфоструктуры деревьев и древостоев на вертикально-фракционное распределение надземной фитомассы деревьев путем множественного регрессионного моделирования, сопоставить результаты с известными закономерностями в культурах сосны того же возраста и составить соответствующие справочно-таксационные таблицы.

В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования

были:

- проанализировать и аналитически описать распределение фитомассы крон деревьев в естественных сосняках по возрасту мутовок и по высотному градиенту в связи с возрастом и морфометрическими показателями деревьев и древостоев и сопоставить результаты с известными закономерностями в культурах сосны (Кох, 2013);

- исследовать и аналитически описать вертикально-фракционное распределение фитомассы крон деревьев в естественных сосняках на основе продвинутой «пайп-модели» и сопоставить результаты с известными закономерностями для культур сосны (Кох, 2013);

- исследовать и аналитически описать закономерности изменения фитонасыщенности крон деревьев в естественных сосняках в зависимости от возраста и морфологии деревьев и древостоев и сопоставить результаты с известными закономерностями в культурах сосны (Кох, 2013);

- проанализировать закономерности изменения квалиметрических показателей фитомассы хвои и ветвей в связи с возрастом и морфометри-ческими показателями деревьев в естественных сосняках.

Научная новизна. Впервые на примере естественных сосняков показаны возможности и предложены результаты количественного описания и аналитического объяснения многофакторной изменчивости вертикально-фракционного распределения фитомассы деревьев.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке принципов многофакторного регрессионного моделирования вертикально-фракционной структуры фитомассы деревьев в естественных сосняках, составлении справочно-таксационных таблиц, необходимых при оптимизации вертикально-фракционной структуры естественных сосняков с целью повышения их продуктивности, а также при расчетах углеродного бюджета лесных экосистем, реализации экологических программ разного уровня и создании цифровых З-Э моделей биопродуктивности лесного полога. Разработанные нормативы используются Управлением природных ресурсов и регулирования природопользования по Кустанайской области республики Казахстан в их практической деятельности (имеется справка об использовании).

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» в основных типах леса. На каждой пробной площади взято 10 модельных деревьев по ступеням толщины в диапазоне ее варьирования в древостое. Измеряли длину ствола, протяженность бессучковой части, диаметры на высоте 1,3 м, длину междоузлий и расстояние каждой мутовки от пня, длину общую и охвоенной части каждой ветви в мутовке, угол крепления ветви к стволу. Каждую мутовку последовательно отделяли от ствола в направлении от нижней части кроны к верхней. Взвешивали мутовку целиком, отбирали в ней среднюю ветвь, взвешивали с точностью 5 г, удаляли всю хвою и вновь взвешивали. По навескам хвои и ветвей, взятым в средней части каждой трети кроны, и взвешенным до и после сушки, определяли содержание сухого вещества (ССВ). Затем рассчитывали массу хвои и ветвей в абсолютно сухом состоянии в каждой мутовке дерева, а также показатель фитонасыщенности кроны, измеряемый отно-

шением массы хвои или ветвей (г или кг) к занимаемому ими пространству в кроне (дм3 или м3) в виде воронкообразной секции междоузлия. Матема-тико-статистическая обработка материалов производилась с помощью программ STATGRAPHICS и Excel для среды MS Windows.

Положения, выносимые на защиту:

- регрессионные модели и таблицы распределения фитомассы мутовок по их возрасту и высотному градиенту дерева в естественных сосняках;

- разработанные на основе продвинутой «пайп-модели» регрессионные зависимости и таблицы вертикально-фракционного распределения фитомассы крон на уровне дерева в естественных сосняках и результаты их сравнен/ия с известными аналогичными материалами для культур сосны;

- регрессионные модели и справочно-таксационные таблицы квали-метрических показателей фитомассы крон деревьев.

Степень достоверности и апробация результатов. Использование обширного экспериментального материала и современных методов статистического анализа, системный подход при содержательном анализе фактических материалов 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 анализа и обработки полученных результатов осуществлены автором или при ее участии.

Основные результаты исследований изложены на международной научно-технической конференции «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2011); VII, VIII и IX всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи -лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2011, 2012, 2013); 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); международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, в том числе 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения и 7 приложений. Список использованной литературы включает 200 наименований, в том числе 76 иностранных. Текст иллюстрирован 22 таблицами и 54 рисунками.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Существует задача повышения коэффициента использования солнечной энергии при фотосинтезе растений, которая решается путем оптимизации морфоструктуры растительного сообщества (Хильми, 1955; Рабинович, 1959; Ничипорович, 1963; Тооминг, 1969; Насыров, 1969), в том числе в направлении регулирования радиационного поля путем перемещения внутри полога максимума фитомассы (Руднев, 1977). Выделяют два основных подхода к оценке распределения фитомассы по вертикальному профилю дерева, основанных на прямых измерениях: 1 - «деструктивный» метод послойного разрезания профиля срубленного дерева на составные фракции и взвешивания той или иной фракции (листва, ветви, ствол) в каждом слое, иногда с формализацией изучаемых закономерностей на основе математико-статистических методов (Miller, 1967; Kinerson, Fritschen, 1971; Дылис, 1974; Росс, 1975; Кибзун, Jle Чонг Кук, 1979; Yamakura, Shinozaki, 1980; Massman, 1982; Waring, 1983; Уткин, 1986; Гульбе, 1986; Каштана, 1986, 1989; Рождественский и др., 1986; Карманова и др., 1987; Wang et al., 1990; Mori, Hagihara, 1991; Stenberg et al, 1994; Chen et al., 1994; Cermak et al., 1998; Widlowski et al., 2003) и 2 - «недеструктивный» метод, первоначально используемый для травостоя и сельхозкультур, при котором рубить деревья не нужно (Warren Wilson, 1959, 1963, 1965; Aber, 1979; Kinerson, 1979). Иногда исследуют относительный показатель - фи-тонасыщенность кроны как отношение фитомассы к объему кроны (Протопопов, Горбатенко, 1967; Усольцев, 1985; Ерохина, Усольцев, 1987).

Один из подходов к весовой стратификации кроны дерева, или к внутрикроновому распределению ее фитомассы, связан с теорией пайп-модели - the pipe model theory (Schinozaki et al., 1964). B.A. Усольцевым (1997) показано, что пайп-модель дает лишь приближенно инвариантные зависимости, и имеются существенные смещения, которые учтены им путем включения в регрессионное уравнение дополнительных переменных.

Дистанционное зондирование Земли с применением ГИС-технологий сегодня эффективно используется при оценке экологического состояния лесной растительности и различных параметров лесных насаждений, в том числе структуры их фитомассы (Усольцев, 1998; Goetz et al., 1999; Päivinen et al., 2001; Черных, 2007; Ivanova, Ovchinnikova, 2011; Watt et al., 2013) при высокой разрешающей способности (Данилин, 2003). Лазерное зондирование лесного полога по точности оценки многих показателей превосходит другие дистанционные методы (Lefsky et al., 2002, 2005; Данилин, 2003; Lim, Treitz, 2004; Maltamo et al., 2004; Stone et al., 2011; Murphy, 2012), a также методы наземной таксации (Nassset, 2002; Nassset et al., 2004; Watt et al., 2013). В результате сканирования получают трехмерную (3-D) фотографию древостоя и его плановое пространственное изображение высокой степени детализации в цифровом формате (рисунки 1 и 2).

Рисунок 1. Пример 3-Б «архитектурной» модели лесного полога на участке площадью 0,4 га (а) и плановая проекция плога древостоя с оконтуренными кронами деревьев основного яруса (б) (Данилин и др., 2005).

Сосна Ель

Рисунок 2. Множественная регистрация бортовым сенсором отраженных лазерных импульсов формирует вертикальный профиль деревьев, по характеру группировки точек которого с точностью 95% различают сосну, ель и березу (Holmgren, Persson, 2004; Nassset et al., 2004).

В исследованиях биологической продуктивности лесов необходимо знание закономерностей динамики не только количественных, но и качественных характеристик (плотности и содержания сухого вещества в фи-томассе) в рамках квалиметрии - науки о количественной оценке качества (Азгальдов, Райхман, 1973). Исследования названных показателей в литературе фрагментарны и охватывают, как правило, ту или иную фракцию фитомассы в целом, без анализа их изменения по определяющим факторам (Hakkila, 1966; Усольцев, 1971, 1973, 1975; Götze et al., 1972; Голиков, 1982; Мелехов и др., 2003; Todoroki et al., 2012). Для ориентировочных расчетов биопродуктивности древостоев приводятся средние для региона значения плотности и содержания сухого вещества (Усольцев, 1985).

Мелколиственная порода

% *

ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА И ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования выполнены на территории Тургайского прогиба в равнинной степной зоне Северного Казахстана, в бору Аман-Карагай на территории Басаманского лесхоза Кустанайской области. В диссертации дано описание климата, геологического строения и рельефа территории, преобладающих типов почв, растительного покрова и преобладающих древесных пород. Заложены 12 пробных площадей в естественных сосняках по принципу планирования пассивного эксперимента (Налимов, 1971) в трех ортогональных градиентах: возрастном, эдафическом и густотном (таблица 1) и в трех типах лесорастительных условий: влажный бор - 1а-1 классы, свежий бор - П класс и сухой бор - Ш-1У классы бонитета.

Таблица 1 - Таксационные показатели естественных сосняков по возрастному, эдафическому и густотному градиентам, рассчитанные по данным перечетов на пробных площадях в Аман-Карагайском бору

№ Возраст, лет Средние Густота, тыс. экз. на 1га Пло- Запас, м3/га Класс бонитета

пробной площади Состав диаметр, см высота, м щадь сечений, м2/га

Возрастной ряд П-Ш классов бонитета, свежий бор

45 ЮС 13 1,7 2,7 82,40 18,7 63 П1

23 ЮС 32 5,1 7,6 19,91 40,7 196 Ш

24 ЮС 40 8,3 12,8 9,621 52,0 376 II

25 ЮС 110 22,0 21,4 1,350 51,3 427 III

Эдафический ряд для возраста 40 лет

26 ЮС 40 17,0 17,8 2,271 51,5 432 1а

27 ЮС 40 15,2 14,7 2,049 37,2 268 I

28 ЮС 40 12,6 13,8 3,197 39,9 248 П

29 ЮС 42 5,2 8,8 19,14 40,6 252 IV

30 ЮС 42 2,5 4,9 56,33 27,6 120 Уа

Густотный ряд для возраста 20 лет, IV класс бонитета

31 ЮС 20 з,з з,з 12,29 10,5 31 IV

32 ЮС 20 3,6 4,3 19,76 20,1 68 IV

33 ЮС 20 3,0 2,8 44,43 31,4 126 IV

На пробных площадях по ступеням толщины взято 120 модельных деревьев. Общее количество обмеренных и взвешенных мутовок - 1510, количество взятых навесок хвои - 109 и скелета ветвей - 50. Количество выпилов с измерениями квалиметрических показателей древесины и коры ствола - 720.

ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФИТОМАССЫ МУТОВОК В КРОНЕ ДЕРЕВА

Распределение фитомассы мутовок по их возрасту. Зависимость фитомассы мутовки от ее возраста, среднего диаметра ветвей мутовки у их основания, возраста дерева, диаметра ствола на высоте 1,3 м и густоты древостоя проанализирована по данным 1510 мутовок и описана уравнением, имеющим общий вид:

Pt=í(Am,Dw,A,D,N), (1)

где P¡ - фитомасса í-й фракции (хвои, скелета ветвей и всей мутовки) в абсолютно сухом состоянии, кг; Ат - возраст мутовки, лет; Dw- средний диаметр ветвей мутовки у их основания, см; А и D - соответственно возраст (лет) и диаметр ствола дерева на высоте груди, см; ÍV- число деревьев на 1 га, тыс. экз. Коэффициенты детерминации R2 уравнений (1) составили от 0,78 до 0,89. Все константы при независимых переменных в приводимых многофакторных регрессионных уравнениях здесь и далее значимы на уровне toj. Уравнение (1) включено в рекурсивную систему уравнений (Че-тыркин, 1977):

N=f(A, E)—*D=í(A, В, N)->Dw=f{A, В, N, D, Arn)-*P,=f{A, N, D, Am, Dw), (2) где В — номер класса бонитета от 1 до 5.

Для составления таблиц на основе системы уравнений (2) необходимо знать предельное значение возраста мутовки АтПт (лет), т.е. возраст кроны. Оно рассчитано согласно уравнению

Атцт— i (А, В, D); R2 =0,924; SE = 0,18. . (3)^ Последовательным табулированием рекурсивной системы уравнений (2) составлена справочно-таксационная таблица, фрагмент которой приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Вертикально-возрастная структура фитомассы (кг) мутовок (хвоя и ветви) в естественных сосняках (фрагмент)_

Возраст, Густота, Диаметр, Возраст мутовки, лет

лет тыс. шт./га см 2 6 10 16

I класс бонитета

10 16,9 3,2 0,123 0,251 - -

20 5,82 6,7 0,122 0,250 - -

30 3,12 10,3 0,121 0,249 0,408 -

40 2,00 13,9 0,121 0,248 0,405 -

50 1,42 17,6 0,121 0,247 0,404 0,69

III класс бонитета

10 76,2 1,4 0,016 0,032 - -

20 26,2 2,9 0,016 0,032 0,052 -

30 14,0 4,5 0,015 0,032 0,051 -

40 9,02 6,1 0,015 0,032 0,051 -

50 6,40 7,8 0,015 0,031 0,051 0,088

Таким образом, фитомасса равновозрастных мутовок в естественных сосняках остается практически неизменной по мере увеличения возраста дерева, а у равновозрастных деревьев она повышается по мере улучшения добротности местообитания (повышения класса бонитета). Фитомасса равновозрастных мутовок у равновозрастных деревьев в естественных сосняках I класса бонитета больше, чем в культурах (Кох, 2013), в 2-летних мутовках на 20%, а в 16-летних - в 2 раза. При понижении класса бонитета с I до П1 закономерность сменяется на противоположную: в 2-летних мутовках фитомасса в естественных сосняках меньше в 3 раза, а в 16-летних - на 65%.

Распределение фитомассы мутовок по вертикальному профилю кроны. Поскольку стратификация кроны по мутовкам присуща далеко не всем породам, с целью сопоставления вертикально-фракционной структуры крон разных древесных пород и выявления общих закономерностей независимо от типа их ветвления названная структура проанализирована в настоящем разделе не по возрасту мутовок, а по высотному градиенту, когда вместо возраста мутовки учитывается ее расстояние от пня. Принята система уравнений:

Ы=ЦА, В)-^П={(А, В, В, N. П)-+Рг=%А, В, Д Я N. 5), (4)

где 5 - расстояние мутовки от корневой шейки ствола, или от пня, м; Н -высота дерева, м. В системе уравнений (4) вместо диаметра ветви мутовки у ее основания Еы> (см. уравнения (2)) задействована высота дерева Я. Предельное значение высоты мутовки от пня Бт1п, т.е. расстояние первой живой ветви от пня, рассчитано по уравнению

Бтт= В, N. £>); Я2 =0,904; БЕ = 0,27.

(5)

Путем табулирования системы уравнений (4) и (5) составлена справочно-таксационная таблица, фрагмент которой дан в таблице 3.

Таблица 3 - Распределение фитомассы (хвои и ветвей) мутовок (кг) по вертикальному профилю в естественных сосняках

Возраст,

Густота, тыс. экз./га

Диаметр ствола, см

Высота де-рева,м

Расстояние от пня, м

11

13

10

20 30 40 50

16,9 5,82 3,12 2,00 1,42

3,2 6,7 10,3 13,9 17,6

4,5 8,4 11,7 14,4 16,9

I класс бонитета 0,028

0,011 0,173

0,084 0,52

0,25 1,02

0,11 0,49 1,50

0,22 0,71

Ш класс бонитета

10 20 30 40 50

76,2 26,2 14,0 9,02 6,40

1.4 2,9

4.5 6,1 7,8

2,2 4,5 6,7 8,7 10,6

0,019

0,030

0,008 0,044 0,139

0,013 0,055 0,157

0,018 0,058

0,02

Сопоставление полученных закономерностей с таковыми для культур в тех же условиях (Кох, 2013), показывает: фитомасса равноудаленных от пня мутовок увеличивается с возрастом дерева, а у равновозрастных деревьев она повышается по мере улучшения добротности местообитания. На высоте от 1 до 5 м от пня фитомасса мутовок в культурах в 4-9 раз превышает таковую в естественных сосняках.

Анализ вертикально-фракционного распределения фитомассы кроны на основе метода кумулят. Исследование вертикально-фракционного распределения суммарной массы мутовок, приходящейся на заданную толщину слоя в вертикальном профиле кроны, на основе теории пайп-модели (БЬтогаИ е1 а1., 1964; Усольцев, 1997) нами выполнено по тем же исходным данным 1510 мутовок, модифицированным к виду кумулят путем последовательного сложения значений их фитомассы в направлении от вершины к основанию кроны. Рассчитана система уравнений

В)-* £>={(А, В, ЦА, В, Ы, 0)-*РС,=ЦН, В, N. Д 5), (6)

где РС1 - кумулятивные значения фитомассы г-й фракции - хвои, ветвей и всей мутовки, кг. Значения Ы2 уравнений (6) составили от 0,80 до 0,82. При табулировании системы уравнений (6) первые три вспомогательных уравнения представлены таковыми в системе (4). Четвертое звено в системе (6) рассчитано по исходным кумулятивным данным фитомассы мутовок. Значения Л2 составили от 0,80 до 0,82. Табулированием системы уравнений (6) получена многовходовая таблица, фрагмент которой приведен в таблице 4.

Таблица 4 - Распределение кумулятивной фитомассы кроны (кг) по 1-метровым секциям вертикального профиля в естественных сосняках_

Воз- Гу- Диа- Вы- Расстояние от пня, м

раст, лет стота, тыс. экз./га метр, см сота, м 2 4 6 8 10 12 14 16

I класс бонитета

10 16,9 3,2 4,5 0,157 0,018 - - - - - -

20 5,82 6,7 8,4 - 2,34 0,414 0,053 - - - -

30 3,12 10,3 11,7 - - 10,71 2,150 0,371 0,062 - -

40 2,00 13,9 14,4 - - 25,60 5,590 1ДЗ 0,226 -

50 1,42 17,6 16,9 - - - - 41,59 9,73 2,20 0,50

III класс бонитета

10 76,2 1,4 2,2 0,024 - - - - - - -

20 26,2 2,9 4,5 0,648 0,041 - - - - - -

30 14,0 4,5 6,7 - 0,839 0,069 - - - - -

40 9,02 6,1 8,7 - - 0,872 0,092 - - - -

50 6,40 7,8 10,6 - - 5,82 0,802 0,103 - - -

Сравнение естественных сосняков и культур (Кох, 2013) показало: кумулятивная масса крон деревьев на удалении 6 м от пня в древостоях I класса бонитета больше в культурах по сравнению с естественными сосня-

ками в 1,6 раза, а в древостоях Ш класса бонитета - соответственно в 34 раза. На том же 6-метровом удалении от пня кумулятивная масса кроны в 30-летних древостоях I класса бонитета по сравнению с древостоями 1П класса бонитета того же возраста в естественных сосняках больше в 155 раз, а в культурах - соответственно лишь в 7 раз.

ГЛАВА 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ФИТО-НАСЫЩЕННОСТИ КРОН ДЕРЕВЬЕВ В ЕСТЕСТВЕННЫХ СОСНЯКАХ

Изменение фитонасыщенности крон деревьев по вертикальному градиенту. Для каждого из 120 модельных деревьев составлена матрица исходных данных путем расчленения кроны на совокупность воронкообразных секций, толщина каждой из которых равна расстоянию между двумя последовательными междоузлиями ствола. Рассчитана система уравнений

N=f(A, B)—>D=f(A, В, N)~* F, =f(А, В, N, D, S), (7)

где Fi - значения фитонасыщенности г'-й фракции - хвои и скелетной части секции кроны, кг/м3. Результаты последовательного табулирования системы уравнений (7) представлены справочно-таксационной таблицей, фрагмент которой дан в таблице 5.

Установлено, что для естественных сосняков и культур (Кох, 2013) характерна одна общая закономерность: фитонасьпценность кроны, характеризующая степень ее «локационной прозрачности», снижается послойно в направлении от вершины к основанию кроны. На удалении 6 м от пня фитонасьпценность хвои в 20-летних культурах всех классов бонитета втрое превышает аналогичный показатель естественных сосняков, а на удалении 12 м от пня в 50-летних культурах названный показатель выше, чем в равновозрастных естественных сосняках, в 25-36 раз.

Таблица 5 - Изменение фитомасыщенности хвои (кг/м ) по 1-

Возраст, лет Густота, тыс. экз./га Диаметр ствола, см Расстояние от пня, м

2 4 6 8 10 12 14 16

10 30 50 16,9 3,12 1,42 3,2 10,3 17,6 II 0,454 ахасс 6 25,31 оните 0,148 га 0,450 1,21 0,097 2,94 0,196 0,374 0,676

10 30 50 76,2 14,0 6,40 1.4 4.5 7,8 m 2,610 класс 0,235 бонит 0,760 0,101 гта 2,240 0,223 0,470 0,935 - -

Закономерности изменения средней фитонасыщенности крон деревьев. В результате регрессионного анализа зависимости средней фитонасыщенности хвои фщ г/м3) и ветвей (РтЬг, г/м3) в кронах деревьев от возраста дерева (А, лет) и диаметра ствола на высоте груди (Д см) получены уравнения для хвои:

Рт/=307,13-2,42Л-433,831Я-7,69АО-0,039(Лги)+7946(В/Л); Я2 = 0,718; (8) и для ветвей

F/и¿r= 75,31 +1ДЗЛ +43,420 -0,338(уШ); Я2 = 0,639. (9)

При сравнении закономерностей изменения средней фитонасыщенности хвои деревьев в естественных сосняках и того же показателя в аналогичных условиях в культурах сосны (Кох, 2013) установлено, что они имеют общий характер, но числовые значения, полученные путем табулирования соответствующих уравнений, различаются.

ГЛАВА 5. ХАРАКТЕРИСТИКА КВАЛИМЕТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФИТОМАССЫ ДЕРЕВЬЕВ В ЕСТЕСТВЕННЫХ СОСНЯКАХ

Анализ содержания сухого вещества в хвое и скелетной части кроны и составление справочно-нормативных таблиц. По данным109 и 50 определений ССВ соответственно в хвое и ветвях кроны рассчитаны уравнения и составлены таблицы для оценки ССВ по возрасту и высоте дерева. Средние значения ССВ составили для хвои 48,6±0,53, для древесины ветвей 45,3±0,80 и для коры 48,0±1,08%.

Анализ изменчивости плотности и содержания сухого вещества в древесине и коре ствола и составление справочно-нормативных таблиц. По данным 720 выпилов из стволов установлено, что изменчивость названных четырех квалиметрических показателей объясняется тремя переменными: положением диска по высоте ствола, возрастом дерева и средним диаметром древостоя. Рассчитаны уравнения регрессии и составлены справочно-таксационные таблицы. Для ориентировочных расчетов предлагаются средние значения плотности древесины 876±3,2 и коры 718±7,4 кг/м3, ССВ древесины 49,4±0,29 и коры 51,8±0,42%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что в толще лесного полога естественных сосняков распределение фитомассы мутовок зависит от морфологии деревьев и дре-востоев. Фитомасса равновозрастных мутовок у равновозрастных деревьев в лучших условиях произрастания в естественных сосняках существенно выше по сравнению с культурами, а в худших условиях, напротив, ниже, что можно объяснить разными темпами роста естественных сосняков и культур в разных условиях произрастания.

Распределение фитомассы мутовок по высотному градиенту кроны зависит от возраста, высоты и диаметра ствола дерева, а также от класса бонитета и густоты естественных сосняков. На расстоянии от 1 до 5 м от пня фитомасса мутовок в культурах в 4-9 раз превышает таковую в естественных сосняках.

Вертикально-фракционное распределение кумулятивной фитомассы хвои и скелета ветвей по 1-метровым слоям кроны дерева зависит от возраста, диаметра и высоты дерева, а также от класса бонитета и густоты естественного сосняка. Кумулятивная фитомасса равноудаленных от пня мутовок увеличивается по мере увеличения возраста дерева, а у равновозрастных деревьев она повышается по мере повышения класса бонитета. На удалении б м от пня кумулятивная масса крон больше в культурах I класса бонитета по сравнению с естественными сосняками той же продуктивности в 1,6 раза, а в древостоях Ш класса бонитета - в 34 раза.

Фитонасыщенность крон, характеризующая степень «локационной прозрачности» и эффективности использования пространства роста, в естественных сосняках снижается в направлении от вершины к основанию кроны. На удалении 6 м от пня фитонасыщенность хвои в 20-летних культурах всех классов бонитета втрое превышает аналогичный показатель естественных сосняков, а на удалении 12 м от пня в 50-летних культурах она выше, чем в равновозрастных естественных сосняках, в 25-36 раз.

Угол наклона линии регрессии, выражающей зависимость средней фитонасыщенности кроны от диаметра ствола, снижается с возрастом вследствие более выраженной дифференциации деревьев в молодом возрасте и снижения ее в старших возрастах. Фитонасыщенность хвои среднего дерева в естественных сосняках снижается с 0,7-0,8 кг/м3 в возрасте 13 лет до 0,2-0,3 кг/м3 в возрасте 110 лет, а в культурах сосны соответственно от 1,0-1,2 кг/м3 в 9 лет до 0,1-0,3 кг/м3 в 50 лет. При одном и том же возрасте увеличение фитонасыщенности хвои пропорционально диаметру ствола в древостое на всем исследованном возрастном интервале. Поэтому при формировании как естественных сосняков, так и культур сосны, наиболее перспективными по эффективности использования пространства роста следует считать деревья-лидеры.

Установлены зависимости и составлены таблицы для оценки ССВ в хвое и ветвях в зависимости от возраста и высоты деревьев. Соответствующие закономерности и таблицы предложены для оценки плотности древесины и коры стволов в зависимости от возраста дерева и высоты от пня.

Средние показатели ССВ в естественных сосняках составляют: в хвое 48,6±4,7; в древесине и коре ветвей соответственно 45,3±4,7 и 48,0±6,3; в древесине и коре ствола соответственно 49,4±7,7 и 51,8±11,2%. Средняя плотность древесины и коры ствола соответственно 876±87 и 718±198 кг/м3.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

По списку ВАК:

1. Кох, Е.В. Вертикальная структура фитомассы крон в 50-летнем березняке / Е.В. Кох, В.А.Усольцев, А.Т. Мезенцев // Естественные и технические науки. - 2011. - № 5. - С. 184-189.

2. Кох, Е.В. Закономерности изменения фитонасыщенности крон в сосновых древостоях / Е.В. Кох, В.А. Усольцев, А.Т. Мезенцев // Естественные и технические науки. - 2011. - № 6. - С. 170-177.

3. 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.

Статьи в прочих изданиях:

4. Усольцев, В.А. Изменение фитомассы и ее прироста у деревьев лесообразующих 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. Вертикально-фракционное распределение фитомассы крон в сосняках как калибровочная характеристика при их дистанционном зондировании / В.А. Усольцев, Е.В. Кох, А.Т. Мезенцев, Н.В. Сенчило, Д.В. Чендарев // Сборник научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2011 - Вып. 3,- С. 232-254.

6. Усольцев, В.А. Компьютерное моделирование распределения фитомассы крон деревьев по возрасту мутовок в культурах сосны / В.А. Усольцев, Е.В. Кох, А.Т. Мезенцев, Д.В. Чендарев, Н.В. Сенчило // Сборник научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - Вып. 3. - С. 255-257.

7. Усольцев, В.А. Калибровочные параметры дистанционного зондирования лесных насаждений / В.А. Усольцев, А.Т. Мезенцев, Е.В. Кох, Н.В. Сенчило, Д.В. Чендарев // Сборник научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - Вып. 3. - С. 258-260.

8. Мезенцев, А.Т. Закономерности изменения фитонасыщенности крон в древостоях / А.Т. Мезенцев, Е.В. Кох, В.А. Усольцев // Материалы VII всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России». - Екатеринбург: УГЛТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 98-99.

9. 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. Кру-дышев // Математическое моделирование в экологии: материалы Второй Национальной конференции с международным участием, 23-27 мая 2011 г. -Пущино: ИФХиБПП РАН, 2011. - С. 275-277.

10. 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. конф. «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны». -Сыктывкар: Ин-т биологии Коми НЦ УрО РАН, 2011. - С. 111-113.

11. 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 /У Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг: материалы международного научно-практического семинара. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 109-114.

12. Усольцев, В.А. Вертикально-фракционная структура фитомассы насаждений сосны обыкновенной / В.А. Усольцев, Е.В. Кох, А.Т. Мезенцев // Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы: сб. науч. трудов. - Тамбов: «Бизнес-Наука-Общество», 2012. - Ч. 2. - С. 143-145.

13. Кох, Е.В. Многофакторные модели распределения фитомассы крон деревьев по возрасту мутовок в культурах сосны / Е.В. Кох, А.Т. Мезенцев, Д.В. Чендарев, Н.В. Сенчило, В.А. Усольцев // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: матер. VIII всерос. н.-т. конф. -Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. - Ч. 2. - С. 85-88.

14. Мезенцев, А.Т. Вертикально-фракционное распределение фитомассы крон деревьев как одна из калибровочных характеристик при дистанционном зондировании / А.Т. Мезенцев, Е.В. Кох, Н.В. Сенчило, Д.В. Чендарев, В.А. Усольцев // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: матер. VIII всерос. н.-т. конф. - Екатеринбург: УГЛТУ, 2012.-Ч. 2.-С. 116-119.

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^.09.2013. Объем 1,0 п. л. Заказ № Ш Тираж 100. 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37. ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет». Отдел оперативной полиграфии.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Мезенцев, Александр Трофимович, Екатеринбург

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

04201365880

Мезенцев Александр Трофимович

Вертикальная структура фитомассы крон в естественных сосняках степной зоны

Специальность 06.03.02 -лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

На правах рукописи

Научный руководитель

Усольцев Владимир Андреевич,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Екатеринбург - 2013

^щап лараш ьри^шпа |1аиию1.............................................-

тояние проблемы.............................................................1

осинтетически активная радиация (ФАР) и ее трансформация ле

......................................................................................1

гикально-фракционное распределение фитомассы деревьев. Два м

ения...............................................................................2

елирование вертикально-фракционного распределения фитомассы. ганционное зондирование лесов, геоинформационные системы

эдели архитектуры и морфологии полога..................................

>ценке квалиметрических показателей фитомассы деревьев..........(

ев...................................................................................................Ш8

Глава 5. Характеристика квалиметрических показателей фитомассы деревьев в естественных сосняках.............................................................112

5.1. Анализ содержания сухого вещества в хвое и скелетной части кроны и составление справочно-нормативных таблиц.....................................112

5.2. Анализ изменчивости плотности и содержания сухого вещества в древесине и коре ствола и составление справочно-нормативных таблиц.............115

Заключение....................................................................................120

Список использованной литературы...................................................124

Приложение 1. Результаты измерений мутовок модельных деревьев в естественных сосняках.............................................................................145

Приложение 2. Квалиметрические показатели древесины и коры, полученные по

выпилам ствола при взятии модельных деревьев...............................186

Приложение 3. Распределение фитомассы мутовок (кг) в естественных сосняках по их возрасту в зависимости от возраста дерева и класса бонитета древостоя.........................................................................................202

Приложение 4. Вертикально-фракционное распределение фитомассы мутовок (кг) в естественных сосняках в зависимости от возраста дерева и класса бонитета

древостоя.................................................................................212

Приложение 5. Распределение кумулятивной фитомассы кроны дерева (кг) по 1-

метровым секциям вертикального профиля в естественных сосняках......222

Приложение 6. Изменение фитонасыщенности хвои

(кг/м ) по 1-метровым слоям кроны деревьев в естественных сосняках..........................................232

л

Приложение 7. Изменение фитонасыщенности скелета ветвей

(кг/м-5) по 1-

метровым слоям кроны деревьев в естественных сосняках....................235

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Изучение структуры и гидравлической архитектуры дерева на уровне вертикального распределения фитомассы как элемента структурно-функциональной организации лесных фитоценозов относится к области экологической морфологии, физиологии древесных растений, лесной метеорологии, а также моделирования биопродукционного процесса лесных фитоценозов. Подобные исследования проводятся для решения специальных задач — изучения светового режима леса (Алексеев, В.А. Световой режим леса / В. А. Алексеев. Л.: Наука, 1975. 227 е.), выделения вертикальных биогеоценотических структур (Уткин, А.И. Изучение вертикального распределения фитомассы в лесных биогеоценозах / А.И. Уткин, Н.В. Дылис // Бюлл. МОИП. Отд. биол. 1966. Т. 71. № 6. С. 79-91; Карманова, И.В. Пространственная структура сложных сосняков / И.В. Карманова, Т.Н. Судницына, H.A. Ильина. М.: Наука, 1987. 201 е.), исследования «адаптивной геометрии деревьев» (Borchert, R. Bifurcation ratios and the adaptive geometry of trees / R. Borchert, N.A. Slade // Botanical Gazette. 1981. Vol. 142. No. 3. P. 394-401), анализа минерального питания в лесных биогеоценозах (Беручашвили, Н.Л. О вертикальном строении биогеоценозов горных лесов с преобладанием бука / Н.Л. Беручашвили // Лесоведение. 1972. № 2. С. 17-28), определения характеристик продуцирования, накопления, пространственной трансформации фитомассы (Jahnke, L.S. Influence of photosynthetic crown structure on potential productivity of vegetation, based primarily on mathematical models /L.S. Jahnke, D.B. Lawrence // Ecology. 1965. Vol. 46. No. 1-2. P. 319-326; Рождественский, С.Г. Биологическая продуктивность осинников и культур ели в Ярославской области: автореф. дис. ...канд. биол. наук: 03.00.05 / Рождественский Сергей Георгиевич. Днепропетровск, 1984. 17 е.; Арутюнян, С.Г. Биологическая продуктивность и вертикально-фракционная структура естественных средневозрастных древостоев трех типов сосняков / С.Г. Арутюнян, А.И. Уткин // Вертикально-фракционное распределение фитомассы в лесах. М.: Наука, 1986. С. 163-180;

Гульбе, Т.А. Биологическая продуктивность и вертикальная структура фитомассы в культурах ели / Т.А. Гульбе, Я.И. Гульбе, С.Г. Рождественский // Вертикально-фракционное распределение фитомассы в лесах: сборник статей. М.: Наука, 1986. С. 138-149; Уткин, А.И. Биологическая продуктивность и вертикально-фракционная структура искусственных насаждений сосны обыкновенной / А.И. Уткин, Н.Ф. Каплина, С.Г. Арутюнян // Вертикально-фракционное распределение фитомассы в лесах: сборник статей. М.: Наука, 1986. С. 149-163; Уткин, А.И. Вертикально-фракционная структура фитомассы лесных био-геоценозов: общие вопросы / А.И. Уткин // Вертикально-фракционное распределение фитомассы в лесах: сборник статей. М.: Наука, 1986а. С. 5).

Дистанционное сканирование лесного покрова используется при разработке его цифровых 3-D моделей, в том числе структуры фитомассы (Усольцев, В.А. Формирование банков данных о фитомассе лесов / В.А. Усольцев. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 541с.; Goetz, S. Satellite remote sensing of primary production: an improved production efficiency modeling approach / S. Goetz, S. Prince, S. Go ward, M. Thawley, J. Small // Ecological Modelling. 1999. Vol. 122. P. 239-255; Paivinen, R. Combining earth observation data and forest statistics / R. Paivinen, M. Lehikoinen, A. Schuck et al. European Forest Institute and JRC: Italy, 2001. 101 p.; Ivanova, Y. Comparison of forest ecosystems NPP in West Sayan Mountains with remote sensing and ground observation data / Y. Ivanova, N.F. Ovchinnikova // Boreal Forests in a Changing World: Challenges and Needs for Actions. Proceedings of 15th IBFRA International Science Conference. August 15-21 2011. Krasnoyarsk: Sukachev Institute of Forest SB RAS, 2011. P. 319-322). Для этого необходимы наземные данные о вертикально-фракционной структуре деревьев и древостоев, стратифицированные по ярусам и фракциям фитомассы (Cermak, J. Scaling up from the individual tree to the stand level in Scots pine. I. Needle distribution, overall crown and root geometry / J. Cermak, F. Riguzzi, R. Ceulemans // Ann. Sci. For. 1998. Vol. 55. P. 63-88; Wid-lowski, J.-L. Allometric relationships of selected European tree species: Parametriza-tions of tree architecture for the purpose of 3-D canopy reflectance models used in the

interpretation of remote sensing data / J.-L. Widlowski, M. Verstraete, B. Pinty, N. Gobron. European Commission, Joint Research Centre. 2003. TP 440, 1-21020. Ispra (VA), Italy. 61 p.; Данилин, И.М. Моделирование структуры лесного покрова и рельефа местности по данным лазерной локации / И.М. Данилин, М.Н. Фаворская // Лесная таксация и лесоустройство. 2011. № 1-2 (45-46). С. 40-47). Современное лазерное аэросканирование обеспечивает разрешение на местности 10-15 см и определение высотных отметок лесного полога с точностью до 1 см (Данилин, И.М. Морфологическая структура и продуктивность древостоев Сибири, дистанционные методы таксации: автореф. дис. ...докт. с.-х. наук: 06.03.02 / Данилин Игорь Михайлович. Красноярск, 2003. 32 е.). Однако сегодня физиками при активном дистанционном зондировании растительного покрова его структура не учитывается и описывается с позиций теории «мутных сред» как случайная дисперсионная среда (Якубов, В.П. Сверхширокополосное зондирование лесного полога [электронный ресурс] / В.П. Якубов, Е.Д. Тельпуховский, Г.М. Цепелев, В.Л. Миронов, В.Б. Кашкин // Журнал радиоэлектроники. 2002. № 10; Калинкевич, A.A. О механизме обратного рассеяния электромагнитных волн сосновым лесом в метровом диапазоне длин волн / A.A. Калинкевич, В.Ю. Манаков, H.A. Арманд, М.С. Крылова// Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. № 10. С.1223-1235).

В настоящем исследовании на примере естественных сосняков предложен альтернативный подход, показана многофакторная природа вертикально-фракционной структуры фитомассы деревьев, а также возможности и результаты ее описания путем регрессионного анализа с использованием методов традиционной лесной таксации.

Исследования автора проводились в 2009-2013 гг. в рамках грантов РФФИ № 07-07-96010 и 09-05-00508.

Степень разработанности темы исследования. Диссертация является законченным научным исследованием.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - на примере сосняков естественного происхождения исследовать влияние возраста и мор-

фоструктуры деревьев и древостоев на вертикально-фракционное распределение надземной фитомассы деревьев путем множественного регрессионного моделирования, сопоставить результаты с известными закономерностями в культурах сосны того же возраста и составить соответствующие справочно-таксационные таблицы.

В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования были:

- проанализировать и аналитически описать распределение фитомассы крон деревьев в естественных сосняках по возрасту мутовок и по высотному градиенту в связи с возрастом и морфометрическими показателями деревьев и древостоев и сопоставить результаты с известными закономерностями в культурах сосны (Кох, 2013);

- исследовать и аналитически описать вертикально-фракционное распределение фитомассы крон деревьев в естественных сосняках на основе продвинутой «пайп-модели» и сопоставить результаты с известными закономерностями для культур сосны (Кох, 2013);

- исследовать и аналитически описать закономерности изменения фитона-сыщенности (объемной фитомассы) крон деревьев в естественных сосняках в зависимости от возраста и морфологии деревьев и древостоев и сопоставить результаты с известными закономерностями в культурах сосны (Кох, 2013);

- проанализировать закономерности изменения квалиметрических показателей фитомассы хвои, ветвей и стволов в связи с возрастом и морфометрическими показателями деревьев в естественных сосняках.

Научная новизна. Впервые на примере естественных сосняков показаны возможности и предложены результаты количественного описания и аналитического объяснения многофакторной изменчивости вертикально-фракционного распределения фитомассы деревьев.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке регрессионных моделей и справочно-таксационных таблиц, необходимых при расчетах углеродного бюджета лесных экосистем, реализации экологических про-

грамм разного уровня и разработке цифровых 3-Э моделей биопродуктивности лесного полога, а также при оптимизации вертикально-фракционной структуры естественных сосняков с целью повышения их продуктивности. Разработанные нормативы используются Управлением природных ресурсов и регулирования природопользования по Кустанайской области республики Казахстан в их практической деятельности (имеется справка об использовании).

Методология и методы исследования. В основу исследования положен метод пробных площадей и модельных деревьев. Пробные площади заложены с учетом ОСТ 56-69-83 «Пробные площади лесоустроительные» в основных типах леса. На пробных площадях проведен сплошной перечет деревьев, у которых с помощью штангенциркуля были измерены диаметры на высоте груди (см) в двух направлениях с точностью до 1 мм.

На каждой пробной площади взято 10 модельных деревьев по ступеням толщины в пределах ее варьирования. Модельные деревья спиливались на уровне корневой шейки, измерялась общая длина дерева от среза и длина живой кроны. После обрубки отмерших сучьев живая крона делилась на три равных по длине секции: 1-я секция - верхняя, 2-я - средняя, 3-я - нижняя секция. Измеряли длину, протяженность бессучковой части, диаметры ствола на высоте 1,3 м и у основания кроны, длину междоузлий и их относительную высоту на стволе, длину общую и охвоенной части каждой ветви в мутовке, угол крепления ветвей к стволу (рисунок).

Затем обрубали последовательно каждую мутовку в направлении от нижней части кроны к верхней. Взвешивали мутовку целиком, а затем отбирали среднюю ветвь, взвешивали с точностью 5 г и удаляли всю хвою. По навескам хвои и ветвей, взятым в средней части каждой трети кроны, и взвешенным до и после сушки, определяли содержание сухого вещества. Затем рассчитывали массу хвои и ветвей в абсолютно сухом состоянии в каждой мутовке дерева, а также показатель объемной массы (термин см.: Протопопов, Горбатенко, 1967; Протопопов и др., 1996), или фитонасыщенности кроны, характеризующий эффективность исполь-

зования деревом занимаемого пространства роста. Это показатель, измеряемый отношением массы хвои или ветвей (г или кг) к занимаемому ими пространству в

кроне (дм3 или м3)

Рисунок. Схема выполненных измерений в мутовках дерева: 1 -ствол; 2 - ветви 1-го порядка, формирующие мутовку; 3 - охвоенная часть ветви; 4 - точка крепления мутовки к стволу; 5 -точка, соответствующая середине междоузлия; 6 -угол наклона ветви относительно оси ствола; 7 - точка, соответствующая середине длины ветви; 8 - точка, соответствующая середине длины охвоенной части ветви; 9 - точка, соответствующая проекции середины длины ветви (точка 7) на ось ствола; 10 - точка, соответствующая проекции середины длины охвоенной части ветви (точка 8) на ось ствола; 11 - воронкообразная секция кроны, приходящаяся на одну мутовку.

Ствол размечачали по относительным длинам - 0; 0,1; 0,2;...0,9 Я (где Н -общая длина дерева), и по этим отметкам ствол делили и распиливали на 10 равных частей-дисков. Распил также выполнялся на высоте груди. На каждой относительной высоте выпиливали диски, у которых отделялась кора. Измеряли диаметры всех дисков в коре и без коры с помощью металлической линейки с точностью 0,5 мм с помощью специальной линейки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Диски взвешивали с точностью до 0,1 г, затем в лабораторных условиях сушили в термостатах при температуре 100-105 °С до постоянной мае-

сы. По результатам взвешивания древесины и коры дисков до и после сушки определялось содержание абсолютно сухого вещества (ССВ) этих компонентов в стволе. По соотношению абсолютно сухой массы и объема образцов древесины и коры стволов рассчитывали их базисную (условную) плотность, умножением показателей которой на объемы древесины и коры соответствующих отрезков ствола получали абсолютно сухую массу древесины и коры ствола каждой секции и всего дерева (Усольцев, В.А. Моделирование структуры и динамики фитомассы древостоев / В.А. Усольцев. Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1985. 191 е.; Усольцев, В.А. Рост и структура фитомассы древостоев / В.А. Усольцев. Новосибирск: Наука, 1988. 253 е.). Математико-статистическая обработка материалов производилась с помощью программ STATGRAPHICS и Excel для среды MS Windows.

Положения, выносимые на защиту:

- регрессионные модели и таблицы распределения фитомассы мутовок по их возрасту и высотному градиенту дерева в естественных сосняках;

- разработанные на основе продвинутой «пайп-модели» регрессионные зависимости и таблицы вертикально-фракционного распределения фитомассы крон на уровне дерева в естественных сосняках и результаты их сравненния с известными аналогичными материалами для культур сосны;

- регрессионные модели и справочно-таксационные таблицы квалиметриче-ских показателей фитомассы деревьев.

Степень достоверности и апробация результатов. Использование обширного экспериментального материала и современных методов статистического анализа, системный подход при содержательном анализе фактических материалов 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 анализа и обработки полученных результатов осуществлены автором или при его участии.

Основные результаты исследований изложены на международной научно-технической конференции «Математическое моделирование в экологии» (Пущи-но, 2011); VII, VIII и IX всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2011, 2012, 2013); 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); международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, в том числе 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем