Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние экологических факторов на рост дуба черешчатого в пойме реки Урал и его прогнозирование с использованием динамической модели

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

Автореферат диссертации по теме "Влияние экологических факторов на рост дуба черешчатого в пойме реки Урал и его прогнозирование с использованием динамической модели"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕЮ' ОБРАЗОВАНИЮ

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

на правах рукописи

Старцев Алексей Иванович

ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РОСТ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО В ПОЙМЕ РЕКИ УРАЛ И ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

06.03.03 - Лесоведение, лесоводство; лесные пожары и борьба с ними

оП,1 АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Екатеринбург, 1994

Работа выполнена на кафедре лесоводства Казахского ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственного института

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор В. М. Глазырин Консультант по энтомологической части доктор биологических наук, профессор И. А. Костин

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ -доктор сельскохозяйственных наук,

профессор В. А. Усольцев кандидат сельскохозяйственных наук, с. н. с. В. А. Галако

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт экологии растений и животных УО АН Российской Федерации

•Защита диссертации состоится 24 марта 1994 года на заседании специализированного Совете Д 063. 35. 01 по присуждению ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук в Уральской Государственной лесотехнической академии по адресу: 620032, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской Государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан "_" февраля 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

С. В. Зале со в

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В настоящее время под воздействием различных факторов происходит изменение условий произрастания лесов и ухудшение их общего состояния. В Уральской области в последние десятилетия пойменные леса оказались в состоянии длительной депрессии. Усыхание их в отдельные годы принимало катастрофический характер. Это может привести к опустыниванию поймы и интенсивному развитию процессов эрозии, дальнейшему обмелению р. Урал, потере ередорегулирующей и рекреационной роли лесов. Поэтому сейчас большое внимание уделяется изучению и выявлению причин ухудшения состояния лесных биоценозов.

Время существования лесных экосистем велико. Деревья растут десятилетиями, а то и столетиями. Поэтому необходимо решить задачу создания адекватной модели древостоя для прогнозирования будущего состояния лесов в зависимости от воздействия абиотических и антропогенных факторов. Наиболее точно и оперативно такой прогноз можно получить с помощью машинного эксперимента с моделью древостоя.

Цель работы. Целью работы является создани* математической модели роста дерева в древостое, учитывающем основные физиологические процессы, энерго- и масеообмен межлу растением и окружающей средой, а также взаимозатенение деревьев в древостое. с использованием которой попытаться выявить причины усы-хания пойменных дубрав, оценить ущерб от деятельности листог-рызущих насекомых и дать прогноз прироста древостоев на предстоящее десятилетие.

Научная новизна работы. Разработана динамическая модель роста лиственного дерева, . позволяющая определять величину годичного объемного прироста деревьев и влияние на него различных абиотических и биотических факторов. Предложены новые схемы описания крон деревьев и расчета величины валового фотосинтеза, учитывающие адаптацию листьев к световым условиям произрастания, неравномерность распределения фотосинтетически активной радиации (ФАР) в кронах деревьев и конкуренцию между ними за свет.

Предложена функция пропускания солнечной радиации, учитывающая неравномерность распределения площади листьев в пологе леса и длину пути солнечных лучей через кроны деревьев. Предп-

ринята попытка выявить причины усыхания пойменных дубрав и определить ущерб, нанесенный вспышкой численности непарного шелкопряда б 1986-8? годах о использованием разработанной динамической модели роста.

Практическая ценность работы. Примененный подход позволяет в .2 раза снизить затраты на проведение работ по определению ущерба в очагах листогрызущих энтомовредителей и обосновать размер расходов на лесозащиту. Коэффициенты относительного прироста могут использоваться для корректировки величины годичного прироста при Еедении лесного кадастра, мониторинга и государственного учета лесов. Абсолютная величина годичного прироста может использоваться как дополнительный параметр при расчете величины лесосеки главного пользования. Выявленная на протяжении почти 40 лет цикличность вспышек численности лис-тогрызувдх насекомых может быть использована для ориентировочного их прогноза в будущем.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзных конференциях молодых ученых и специалистов (г. Алма-Ата.1989,г. Волгоград, 1990, г. Мытищи, 1990), на республиканской конференции"молодых ученых и специалистов (г. Алма-Ата,1990), на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г. Новочеркасск,1990), на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Каз. СХИ (г. Алма-Ата,1992, 1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 170 страницах машинописи и состоит из 5 глав, выводов и предложений, заключения и приложений. Список литературы включает 168 наименований, в том числе 10 на иностранных языках. Работа содержит 37 таблиц и рисунков.

1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Исследуемые дубравы занимают площадь 1384 га и расположены в центральной пойме р. Урал на пологих гривах с продолжительностью затопления не более 3 недель. Урал-типично равнинная река снегового питания, характерной особенностью которой являются колебания высот паводков по годам и, как следствие,

- 3 -

периодичность затопления поймы.

Почвы центральной поймы представлены поименно-дерновыми темнощетными. Содержание гумуса-5- 6%. В составе водорастворимых солей преобладают щелочно-земельные гидрокарбонатм. Содержание сульфатов и хлоридов в отобранных образцах почвы измеряется сотыми долями процента.

Климат области резкоконтинентальный с холодной, относительно малоснежной зимой и дарким, засушливым летом. Среднее годовое количество осадков составляет 320 мм, а испаряемость в 2 раза превышает количество осадков. Общий недостаток осадков усугубляется очень неравномерным их распределением по отдельным годам и длительными засухами.

Зимой температура воздуха может опускаться до -43 градусов, а максимальная температура летом достигает +42 градусов.

Такое неблагоприятное сочетание факторов обуславливает то, что район исследований является южной границей ареала дуба.

2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РОСТА ДУБА. Модель состоит из 5 блоков:

1. Блок роста биомассы и потоков углеводов и азота

2. Метеоблок

3. Почвенный блок

4. Блок расчета ослабления интенсивности солнечной радиации, поступающей к затеняемым частям кроны.

5. Блок расчета плошдди листьев в слоях кроны с различной интенсивностью солнечной радиации и валового фотосинтеза. Блок роста включает в себя систему из 15 дифференциальных

уравнений, описывающих потоки углеводов и азота, рост биомассы и затраты на дыхание листьев,желудей, сучьев, ствола, тонких и толстых корней и уравнения динамики размеров дерева. В метеоблоке производится расчет длины дня, интенсивности солнечной радиации, дневных и ночных температур листьев и поверхности почвы, интенсивности транспирации, испарения с поверхности почвы и потенциалов воды в тканях различных частей дерева. В блоке 3 определяется динамика влажности и температурный профиль 2-х метрового слоя почвы. В оставшихся блоках вычисляются площади листьев в слоях кроны с различной интенсивностью сол-

нечной радиации и валовый фотосинтез листьев дерева с учетом затрат на фотодыхание.

3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИСТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ В КРОНЕ ДЕРЕВА. ПОГЛОЩЕНИЕ И ПРОПУСКАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ДРЕВОСТОЕМ.

Для описания поглощения и пропускания солнечной радиации была использована упрощенная модель лиственного леса, в которой деревья равномерно расположены по площади. Схема их размещения - углы и центры правильных шестиугольников.

Для того, чтобы вычленить кроновое пространство, в котором идет поглощение и рассеяние солнечной радиации, кроны деревьев полагаются имеющими форму эллипсоида, состоящего из двух полуэллипсоидов, размеры которых зависят от густоты насаждения и теневыносливости породы. Размер верхней полуоси определяется пересечением вертикальной оси ствола и плоскости, касательной к кронам соседних затеняющих деревьев, угол наклона которой равен средней дневной высоте солнца над горизонтом в июне-июле. Таким образом выделяется верхняя часть кроны, не затеняемая соседними конкурирующими деревьями при высотах солнца более 1/2 максимальной его высоты над горизонтом в июне на данной широте местности. Величина нижней (затеняемой) части кроны определяется как разность между протяженностью кроны и верхней полуоси.

Расстояние до затеняющих деревьев определяется как среднее из расстояний до деревьев, расположенных в вершинах шестиугольника и центрах соседних шестиугольников.

Масса листьев в кронах распределена неравномерно. Так 1 дуба в верхней, постоянно освещенной части кроны, располосе не более 60Х плошдди листьев. Кроме того, при продвижении от периферии кроны к стволу площадь листьев в единице объема крош (плотность) изменяется и зависит от интенсивности ФАР в выбранной точке кроны и от расстояния от этой точки до ствола Поэтому крона разделяется на слои с равной плотностью листьев. Границами слоев являются поверхности вложенных друг в друг половин эллипсоидов с последовательно уменьшающимися размерам полуосей. Величина шага изменения длины полуосей выбираете так, чтобы обеспечить достаточную точность расчетов при мини

малъном числе слоев. В рассматриваемой модели такой шаг принят равным 1м. Если радиус кроны дерева меньше этого значения, то верхняя часть полагается состоящей из одного слоя. Нижняя (затеняемая) часть кроны делится на горизонтальные с-ло-и, так как интенсивность солнечной радиации по вертикальному профилю в этой части убывает значительно сильнее, чем в горизонтальном направлении. Толщина слоев равна длине большой полуоси верхнего полуэллипсоида кроны, так как в первый затеняемый слой свет попадает после прохождения через верхнюю часть кроны соседнего дерева, во второй - после прохождения через кроны двух деревьев и т.д. Плотность листьев в этих слоях определяется по формуле:

у=А-ехр(Ьх+сга) (3.1)

где А,Ь,с-коэффициенты, полученные при аппроксимации данных о плотности листьев в различных частях крон у модельных деревьев, срубленных на пробных площадях; 2-расстояние от точки в кроне до ствола; х-расстояние от этой точки до поверхности кроны (длина пути лучей света через крону).

Вычислив объемы слоев и плотность листьев в каждом слое модно легко определить площадь листьев целого дерева. Кроме того, используя понятие среднего дерева, можно рассчитать площадь листьев и листовой индекс чистых одноЕозрастных насаждений различной густоты и сомкнутости.

При описании поглощения и пропускания солнечной радиации кронами деревьев было использовано предположение, что листья в кроне ориентированы так, чтобы обеспечить равномерное поглощение ФАР пологом леса. Это положение согласуется с идеей Верха-гена (Тооминг,1977) о том, что в этом случае газообмен всего растительного покрова максимален. Поэтому было предположено, что суша площадей проекций листьев на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам при высотах солнца 20-50 градусов зависит только от длины пути лучей света в кронах деревьев до выбранной точки и от плотности листьев в различных частях крон, которая нарастает к центру дерева. Такая зависимость была нами аппроксимирована формулой Гомпертца:

3=А(1/(ехр(ехр(-аНЬ)))) (3. Г)

где 3-площадь проекций листьев на плоскость, перпендикулярную

- б -

направлению солнечных лучей,м ; 1-длина пути света через кроны деревьев до точки измерения,м, вычисляемая по субмодели древостоя; А,а и Ь-параметры. Коэффициент А характеризует максимально возможную сумму проекций листьев на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам, т. е. теневыносливость породы.

Для нахождения длины пути луча через кроны затеняющих деревьев до выбранной точки на поверхности земли (или на любой высоте от нее) необходимо вычислить координаты пересечения лучами крон этих деревьев. Для этого решается система из 3 уравнений:

(х+ах) /а +(у+ду) / a +z /t =1 y=x-te<P (3.3)

•у'.-с*/;;!t f

где У-азимут луча;(Х-угол наклона луча к горизонту; д х -раестоя-ние от выбранной точки до расчетного дерева по оси х; ду-расстояние до дерева по оси у; z-вертикальная координата, отсчитываемая от верха кроны.

Рассчитав координаты пересечений для каждого дерева определяем длину отрезка, пересекающего крону:

( X,-Kj,)2 -V2)2+(2,-2г)2 (3.4) ......

Сложив L всех деревьев, пересекаемых лучом с азимутом V и углом Ы. , получим суммарную длину пробега света через кроны. Для вычисления средней длины пути луча при выбранной высотеЫ. через небольшой интервал af,изменяя Т от о до 180 градусов, вычисляем суммарный пробег при всех V и делим его на 180/аР. Таким образом можно получить оценку средней длины пути лучей через кроны деревьев при любом заданном угле наклона оС до точки, расположенной на любой высоте 2 от верха крон до земли в насаждениях любой густоты и сомкнутости.

Перенос коротковолновой радиации в растительном покрове пренебрегая эффектами рассеяния в области ФАР, можно записат в виде:

ai/3i=-kias/ai (з.5)

т. е. ослабление радиации в выбранном направлении пропорциональ но произведению интенсивности радиации I на площадь проекций листьев в единице длины пути луча 3S/31. Здесь к-коэффициент поглощения радиации. Уравнение (3.5) можно переписать в виде:

- 7 -

dI/dS=-kI (3.6)

Интегрируя по S и подставляя вместо S (3.2) окончательно получаем:

а =exp(-kA(l/(exp(exp(-al+b))))) (3.7) Коэффициент пропускания рассеяной (отраженной от неба) радиации в общем виде вычисляется как интеграл коэффициентов пропускания радиации от всех участков неба. Однако численные эксперименты показали, что пропускание рассеяной радиации хорошо аппроксимируется формулой:

а =ехр(-kA(1/(ехр(ехр(-ah/sin 45+b))))) (3.3) где h-толщина слоя крон, приходящейся на 1 кв. м поверхности земли"(отношение объема кроны к площади питания дерева).

Проверка модели, осуществленная по опубликованным данным (Федосеев, 1967), показала, что она хорошо описывает пропускание ФАР при высотах солнца 20--55 градусов (с ре дне квадрат ичео-кое отклонение ±2.3 X) и завышает пропускание при высотах 10 градусов. В интервале углов, при которых использована модель (20-30 градусов) отклонения колебались от 0.2 до 4.9Z.

4. МОДЕЛЬ 'ЮТОСИНТЕЗА. Изменение интенсивности ФАР местообитания приводит к изменению функционального состояния листа. При увеличении содержания ФАР от 4Z и выше (от полной ФАР) возрастает уровень плато фотосинтеза и уменьшается величина сопротивления карбоксилированию, возрастает темновое дыхание, а угол наклона начального участка световой кривой фотосинтеза уменьшается (Цельникер,1978). Поэтому принято, что в первых слоях, образующихся в верхней, постоянно освещаемой части кроны, листья имеют более высокие значения потенциального фотосинтеза, дыхания, более низкие значения мезофильного сопротивления и углы наклона кривой фотосинтеза. Слои со II по IV могут образовываться в нижней, затеняемой части кроны, причем их номера , а следовательно и характеристики зависят от диаметра и высоты кроны, густоты и сомкнутости древостоя.

Прямая радиация поступает от солнечного диска, положение которого характеризуется определенными азимутом и высотой, а рассеяная-от всего неба. Поэтому проводился расчет объемов подслоев кроны с примерно равной интенсивностью солнечной ра-

диацки в заданный момент времени с использованием моделей кроны дерева и насаждения. В нашей модели шаг по времени равен 1 суткам и было принято, что средняя высота солнца над горизонтом равна 1/2 максимальной его высоты в полдень. Тогда незате-няемая часть кроны имеет вид усеченного эллипсоида, который образуется при сечении верхнего полуэллипсоида кроны плоскостью, касательной к кронам соседних затеняющих деревьев, находящихся в центрах и углах шестиугольников, угол наклона которой равен высоте солнца. Обг«м образующегося усеченного полуэллипсоидн вычисляется численным интегрированием.

Объем первого подслоя, освещаемого прямыми солнечными лучами, будет равен объему, вырезаемому из усеченного полуяллип-соида кроны таким же полуэллипсоидом, сдвинутым вдоль направления вектора падения солнечных лучей на расстояние, равное принятому расстоянию между слоями кроны (в нашей модели на 1м). Объемы второго и последующего подслоев рассчитываются аналогично.

Получив объемы подслоев и умножив их на плотность листвы, вычисляли площадь листьев в каждом подслое с одинаковой в данный момент времени интенсивностью солнечной радиации. Средняя интенсивность прямой радиации в каждом подслое определялась с использованием формулы (3.7), где 1-расстояние до середины каддого подслоя. Суммируя значения фотосинтеза в каждом подслое определяли общий фотосинтез дерева.

Подобная схема расчетов учитывает количество приходящей радиации ( в зависимости от широты местности, продолжительности светового дня и солнечного сияния), адаптацию листьев к условиям освещения, реальное распределение интенсивности ФАР и площади листьев в кроне, влияние на фотосинтез водного режима почвы и растения, конкуренцию за свет (через взаимозатенение) между деревьями, густоту и сомкнутость древостоя, т.е. достаточно полно описывает влияние среды на фотосинтез отдельного дерева.

Рассмотренная модель реализована в среде Quickbasic 3. О для совместимых с IBM компьютеров. Интегрирование основной системы из 15 диффер*нциальннх уравнений осуществлялось с использованием алгоритма решения жестких нелинейных систем (Бах-

валов и др. ,1987).

5. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОЙМЕННЫХ ДУБРАВ РЕКИ УРАЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕМ. 5.1 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА,ИССЛЕДОВАНИЙ. Программой исследований предусматривалось решение следующих вопросов:

1. Изучить состояние пойменных дубрав р.Урал

2. Выявить основные причины усыхания пойменных дубрав с использованием разработанной динамической модели.

3. Определить величину потери прироста биомассы в результате деятельности непарного шелкопряда в 1986-37 годах. Выявить роль листогрызущих насекомых в процессе усыхания дубрав.

4. Изучить влияние высоты и продолжительности паводков на рост и состояние дубрав.

5. Изучить цикличность паводков р. Урал. Выявить ведущие циклы в колебаниях высот паводков и дать прогноз их на предстоящее десятилетие.

6. Разработать прогноз прироста и состояния дубрав на предстоящие 10 лет.

Методика исследований. После проведения рекогносцировочных обследований всех пойменных дубрав в наиболее характерных насаждениях были заложены пробные площади со сплошным перечетом деревьев. Перечет проводился по категориям состояния: Здоровые деревья без признаков усыхания;ослабленные деревья -усыхание кроны до 25Х-, среднеослабленные-26-50%; сильноослаб-ленные - 51-75%; усыхающие -более 75% и сухостой. По данным перечета проводился анализ состояния и интенсивности усыхания деревьев в зависимости от их возраста.

После этого на каждой пробе срубались по 3 модельных дерева из средних ступеней толщины, у которых определялся годичный объемный прирост ствола с 1929 по 1989 годы и вычислялись коэффициенты относительного прироста делением его на норму прироста, которая определялась как 11 летняя скользящая. Всего было срублено 25 модельных деревьев и для каждого из 61 года (с 1963 по 1989) вычислены средние коэффициенты. Точность опыта, (вероятность ошибки при определении среднего) колебалась от 2 до 4.7%%, что свидетельствует о вполне достаточном количест-

ве моделей для составления дендрохронологического ряда для пойменных дубрав Уральской области, который использовался как контроль при проверке адекватности модели.

Используя климатические данные и сведения о высотах паводков в качестве входных параметров динамической модели рассчитывались значения текущего объемного прироста ствола. Полученные результаты сопоставлялись с данными полевых исследований и вычислялись коэффициенты корреляция и детерминации.

В пределах "площади питания" модельного дерева на разных расстояниях от ствола выкапывались учетные траншеи. Биомасса корней в единице объема почвы вычислялась раздельно по 15-25 см слоям. После усреднения результатов оценивалась средняя плотность корней в каждом слое почвы, после чего через "площадь питания" вычислялась оценка суммарной биомассы корней дерева.

Объем выполненных работ. Рекогносцировочное обследование оыло проведено во всех древостоях дуба. Так как пойменные дубравы представлены одновозрастными массивами площадью 20-100 га и узкими лентами по гривам шириной до 30 м, то с соблюдением стандартной методики (15м ог опушки леса и не менее 200 деревьев на пробной площади) удалось заложить 7 пробных площадей, на которых для анализа ствола и получения оценок биомассы сучьев и листьев срублены 25 модельных деревьев.

Для оценки биомассы корней заложено 42 учетные траншеи глубиной до 1.1 м. Влажность и температура почвы на разной глубине (0.1-1. 8м) в течении вегетационного периода 1989 года определялась 42 раза. Проведено 400 замеров освещенности на открытых участках и под пологом леса.

5. 2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЙМЕННЫХ ДУБРАВ.

По данным лесоустройства за период с 1962 по 1992 годы полнота в пойменных дубравах снизилась с 0.84 до 0. 59, средний прирост упал с 3. 6 до 3 кбм/га, а запас со 148 до 123 кбм /га. Средний возраст увеличился на 16 лет и составляет 57 лет (возраст рубки-61 год). Связано это в первую очередь с запретом сплошных рубок с 1950 года и всех видов рубок главного пользования с 1981 года, что привело к накоплению спелых и перестойных насаждений, доля которых в настоящее время составляет

- 11 -

49.2% (73.6% вместе с приспевающими).

Возраст естественных древостоев на пробных площадях колеблется от 67 до 95 лет, а полнота - от 0.42 до 0.58. Процент деревьев, в той или иной мере затронутых усыханием, изменяется от 4.5% (возраст 36 лет) до 71-73% в древостоях с возрастом 85 -95 лет. Причем интенсивность усыхания линейно возрастает с увеличением возраста.

Таким образом, усыхание пойменных дубрав р. Урал связано в первую очередь с высоким возрастом порослевых древостоев, который является критическим для данного региона с его жесткими климатическими и гидрологическими условиями. Такой вывод подтверждается и тем, что при рекогносцировочном обследовании в куртинах молодых и средневозрастных деревьев дуба порослевого происхождения в составе насаждения тополя белого (до 2 единиц) усыхание крон почти не наблюдалось.

5. 3 АНАЛИЗ ПРИЧИН УСЫХАНИЯ ПОЙМЕННЫХ ДУБРАВ.

Для анализа причин усыхания пойменных дубрав были проведены численные эксперименты с упрощенным вариантом разработанной модели. По метеоданным и сведениям о высоте паводков с 1929 по 1989 годы были рассчитаны значения валового сезонного фотосинтеза с начала вегетационного периода по сентябрь месяц. Так как прирост тесно коррелирует с величиной Фотосинтеза, то по простой экспоненциальной формуле рассчитывался относительный ежегодный прирост:

у=а-ехр(Ьх) (5.3.1)

где х-величина сезонного фотосинтеза; а,Ь-коэффициенты.

Результаты сравнения рассчитанных и фактических значений относительного прироста показали, что динамика колебаний обоих показателей достаточно хорошо совпадает, хотя есть и значительные отклонения. Величина валового фотосинтеза сильно зависит от площади листьев, которая уменьшается при объедании лис-тогрызущими насекомыми (непарный шелкопряд, златогузка и др.). Поэтому для определения адекватности модели годы с достоверно известными вспышками численности вредителей были исключены. В 50-е годы это 1952-53 и 1956 годы (данные 5-ой Московской ле-сопатологической экспедиции). В последующие-это 1960,65-67,73, 76,79,82-83 и 1986-87 годы (данные лесоустройства 1962,72,62,

92 годов), когда дефолиация крон составляла 50- 100 %. Исключены были и годы с ярко выраженным "эффектом восьмерки", когда в первые 1-2 года после объедания листвы энтомовредителями отмечается повышенный прирост (1954,72,81,85 годы). По оставшимся 43 годам и определялась адекватность модели. Сначала с 1929 по 1962 годы определялись коэффициенты а,Ь (5.3.1) и относительный прирост. Корреляция расчетных и фактических данных составила 0. 89±0. 09. Затем, используя полученные значения па-' раметров а и Ь, был рассчитан относительный прирост с 1963 по 1989 годы. После этого по всей совокупности данных с 1929 по 1989 годы (кроме исключенных, т.е. за 43 года) снова были, определены коэффициенты уравнений и прироста. Отклонения от прежних расчетных относительных приростов с'1963 по 1939 годы не превышали *0. 01, что свидетельствует о достаточной однородности данных за оба периода (корреляция 0.89 и 0.81 соответственно). Корреляция по данным за весь период (по 43 годам) составила 0. 88±0. 07.

Убедившись в адекватности модели реальным процессам перейдем к рассмотрению причин массового усыхания пойменных дубрав в 80-е годы." Климатические и гидрологические условия 198637 годов были благоприятны для роста деревьев и относительный прирост за этот период должен был составить 105-117% от нормы. Однако массовое объедание листвы непарным шелкопрядом в 1986 и в отдельных насаждениях в 1987 годах привело к резкому снижению прироста, который в 1986 году составил 68Х, а в 1987 году - 841 от возможного. Таким образом, мы можем с уверенностью заключить, что последняя волна усыхания вызвана вспышкой численности непарного шелкопряда и ослабленным состоянием древос-тоев из-за их высокого возраста (67 и более лет). Это усыхание очень слабо затронуло молодые и средневозрастные насаждения, хотя и там текущий прирост 1986 года был значительно ниже нормы.

За последние 27 лет выделены 4 периода усыхания пойменных дубрав р. Урал:

1. 1965-67 годы. Резкое падение прироста было вызвано отсутс-вием паводков, засухами и частичным повреждением крон листог-рызущими насекомыми.

2. 1973, 76 и 1979 годы. Начало ему положила засуха 1972 года, в 1973 году отмечена вспышка численности зеленой дубоЕой листовертки, 1976-пяденицы, а в 1973-79 годы-непарного шелкопряда.

3. 1982-83 годы. Резкое снижение прироста во всех древоетоях произошло в результате дефолиации крон златогузкой. И хотя климатические и гидрологические условия роста были наиболее благоприятными за весь анализируемый период (расчетные индексы прироста составили 1.09 и 1.19 в 1982 и 1983 годах соответственно) , фактические коэффициенты прироста были равны лишь 0.68 и 1.04 или 62 и 87% от возможного.

4. 1986-87 годы.

В результате исследований мы выделили два ведущих, совместно действующих фактора, вызывавших ухудшение состояния и усыхание пойменных лесов р. Урал в последние десятилетия:

1. Высокий возраст древостоев.

2. Дефолиация крон при вспышках численности энтомоБредителей.

5. 4 ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПАВОДКОВ НА СОСТОЯНИЕ И ПРИРОСТ ПОЙМЕННЫХ ДУБРАВ.

Для выявления влияния паводков на рост пойменных дубрав были проведены численные эксперименты с динамической моделью. Рассчитан прирост деревьев при 7 различных сочетаниях температур, осенне-зимних и весенне-летних осадков и высот паводков.

Обобщая полученные результаты можно сделать*следующие выводы:

1. В годы с невысокими средними летними температурами весенние паводки обеспечивают увеличение текущего прироста на 1-20% в зависимости от количества осадков и распределения их по временам года.

2. В сильно засушливые годы весенние паводки обеспечивают выживание лесных биоценозов. В случае их отсутствия снижение прироста составляет 60г65% и становится очень высокой вероятность массового усыхания лесов.

5. 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УЩЕРБА ПРИ ВСПЫШКАХ ЧИСЛЕННОСТИ ЛИСТОГРЫЗУШЛХ НАСЕКОМЫХ

Хорошая точность расчетов по динамической модели объемного прироста в зависимости от абиотических (факторов позволяет

использовать ее для определения потерь прироста в результате деятельности листогрызущих насекомых.

Для определения величины потерь от последнего массового объедания листвы непарным шелкопрядом в 1986-87 годах за контроль была принята величина расчетного текущего прироста у средних деревьев, полученная с использованием климатических данных, высот и продолжительности паводков за 1984-88 годы, так как предыдущая вспышка численности вредителей отмечалась в 1982-83 годах. Возраст, густота и сомкнутость древостоев принимались по данным перечета на пробных плошадях.

Несмотря на значительные различия в величине текущего прироста в одни и те же годы у деревьев из разных древостоев (от 3570 кбсм на пробной площади 1 до 11818 кбсм на пробной площади 3 в 1984 году) максимальные отклонения расчетных приростов от «фактических в годы без объедания листвы не превышали 12%.

Для определения адекватности модели сопоставлялись относительные фактические и расчетные приросты в годы без объедания листвы. Общий объем вариантов для контроля составил 16 дат. Коэффициент детерминации модели составил- 0.65, а корреляция расчетных данных с фактическими - 0.81.

После этого по разнице расчетного и фактического прироста в 1986-87 годах были определены потери объемного прироста. Среднее для всех древостоев снижение прироста составило 1.66 кбм/га, в том числе деловой части-0. 57 кбм/га. Обшяй ущерб по лесохозяйственному предприятию составил 2300 кбм.

Помимо этого в результате сильной дефолиации крон часть деревьев погибла. Поэтому по всем пробным площадям была вычислена средняя величина потери крупной, средней и мелкой деловой древесины в переводе на 1 га. Средний объем деловой древесины, перешедшей в дровяную (сухостой) в результате частичного усы-хания древостоев из-за дефолиации крон шелкопрядом, составил 4. 58 кбм/га. В целом по предприятию потери составили:

-6340 кбм деловой древесины перешло в дровяную;

-790 кбм деловой и 1510 кбм дровяной древесины потеряно в результате снижения прироста поврезвденных древостоев дуба.

Имея оценку ущерба, можно определить и максимальную величину годовых затрат на предупреждение и подавление вспышек

- 15 -

численности вредителей в пойменных дубравах р. Урал.

5. 6 ЦИКЛИЧНОСТЬ ПАВОДКОВ РЕКИ УРАЛ И ПРОГОЗ ИХ МАКСИМАЛЬНЫХ ВЫСОТ ДО 2003 ГОДА.

Для решения поставленной задачи применялись методы анализа временных рядов (Р. А. Юдкнис и др. ,1975). По данным о высотах паводков с 1926 по 1990 годы, используя спектральный анализ и аппроксимируя остатки авторегрессией И порядка, были получены расчетные максимальные высоты паводков с 1940 по 1990 годы. Коэффициент корреляции между фактическими и расчетными уровнями паводков составил 0.8, а коэффициент детермлнпцяи мо-дели-0. 63.

В колебаниях паводков были выделены ведущие циклы продолжительностью 14.5,7.25,21 и 10.5 лет. Причем 2 поо.^диих соизмеримы с колебаниями солнечной активности. Сопоставление этих циклов с числами Вольфа с 1929 по 1985 годы показало, что характер изменения кривых практически одинаков. На абсолютное максимумы солнечной активности приходятся локальные максимумы аппроксимирующей паводки кривой, к локальному максимуму активности приурочен абсолютный максимум паводков, локальный минимум активности совпадает с локальным минимумом паводков, а абсолютный минимум активности солнца совпадает с абсолютным минимумом гармоники максимальных высот паводков.

С использованием разработанной модели был рассчитан прогноз максимальных высот паводков на период с 1991 по 2003 годы.

В целом режим паводков в' предстоящее десятилетие ожидается неблагоприятным. Согласно прогнозу с 1994-95 годов наступит период крайне низких паводков, который может продлится до 1999 -2000 годов, т, е. около 5 лет.

Расчеты были выполнены в 1990 году. Максимальная высота паводка 1991 года составила 707 см (прогноз по гармоникам -680 см). Уровень паводка 1992 года-600 см. Прогноз по гармоникам предполагал 620 см. Однако в 1993 году высота паводка достигала 770 см (прогноз-570 см). Таким образом рассмотренная статистическая модель в 1 случае из 3 дала значительное отклонение. Поэтому она более пригодна для прогноза тенденций в режиме паводков на период до 10 лет.

5. 7 ПРОГНОЗ ПРИРОСТА И СОСТОЯНИЯ ПОЙМЕННЫХ ДУБРАВ ДО 2001 ГОДА.

Величина текущего прироста определяет величину глазного и промежуточного пользования, т.е. прогноз текущего прироста необходим для установления величины расчетной лесосеки, обеспечивающей непрерывное, относительно равномерное ежегодное пользование лесом.

Используя спектральный и авторегрессионный анализы были выделены ведущие циклы в колебаниях осадков и температур (корреляция расчетных и фактических данных 0.77-0. 88) и дан прогноз их значений на 1991-2001 годы. На основании полученных данных рассчитан прогноз прироста до 2001 года.

В целом предстоящее десятилетие ожидается относительно благоприятным для роста дубовых древостоев, хотя в середине и в конце его ожидаются 1-2 засушливых года и падение прироста на 10-20%.

Годичный текущий прирост за этот период в пойменных дубравах ожидается в размере 2.4 кбм/га, что составит лишь 44.41 от возможного текущего прироста в порослевых дубравах этого Бозраста.

Учитывая высокую вероятность новых массовых вспышек численности непарного шелкопряда в 1995-96 годы, в результате которых прирост в течении 2 лет снижается на 40 и 15-20%, средний годовой прирост древесины в дубравах по нашим оценкам составит 2 кбм/га или 37% от максимально возможного. Принимая во внимание ослабленное состояние древостоев, можно ожидать новое массовое усыхание дубрав.

5. 8 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

Расчет экономической эффективности проводился сравнением с методикой определения потерь объемного прироста в очагах эн-томовредителей и вне их. Применение динамической модели позволяет более чем в 2 раза сократить затраты труда на исследуемом объекте (затраты по РТК 62.5 и 134.8 чел.-дня соответственно).

Динамические модели являются достаточно новым инструментом для исследования состояния лесных экосистем. Основное их достоинство - высокую точность, надежность результатов и возможность получения прогнозов, оценить в денежном выражении

очень трудно.

5.9 ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Принимая во внимание, что одной из причин массовых усыха-ний в 30-е годы явился высокий возраст порослевых дубрав (70

лет и более), необходимо резко изменить их возрастную структуру.

Для прогноза паводков и увязки с ними планируемых лесохо-зяйственных мероприятий считаем возможным использовать рассмотренную спектрально-авторегрессионную модель.

При проведении исследований по определению ущерба в результате деятельности листогрызущих энтомовредителей использовать динамическую модель, позволяющую снизить в 2 раза затраты на их проведение и устанавливать максимальный уровень затрат на лесозащиту.

Для предотвращения массовых усыханий дубрав в 90-е годы необходимо особое внимание уделить средствам, предупреждающем массовое размножение листогрызущих насекомых.

Учитывая хорошую точность динамической модели считаем необходимым использовать ее при проведении экологических экспертиз как при создании плотин на реках, так и при изучении причин ослабления и гибели лесов. Это позволит достаточно надежно и быстро выявить основные факторы ухудшения состояния лесных экосистем и разработать комплекс мероприятий, направленных на их оздоровление.

При переводе лесного хозяйства на принцип неистоидагельно-го постоянного пользования лесом при установлении размера рубок, требующих определения текущего прироста древостоев, может быть использована предложенная'нами динамическая модель.

Принимая во внимание точность описания влияния климатических факторов и гидрологического режима на текущий прирост и состояние деревьев можно рекомендовать использование динамической модели при лесоразведении для изучения и анализа жизнеспособности лесных культур в конкретных климатических и поч-венно-грунтовых условиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. О некоторых аспектах построения математической модели пой-

менних дубрав р. Урал : Тез. докл. респ. конф. молодых ученых и специалистов.-Алма-Ата, 1990.-ч. П.- с.2-3 (в соавторстве)

Математическое моделирование сезонной динамики объемного прироста ствола дуба черешчатого // Материалы Всесоюз. • науч. -практ. конференции.-Алма-Ата, 1989. -ч. 2.- с. 25-26

3. Моделирование распределения интенсивности солнечной радиации и листовой поверхности в кронах деревьев лиственного леса // Лесовосстановление и лесоразведение в защитных лесах Казахстана. -Алма-Ата, 1990.-е. 94-97

4. Моделирование геометрической структуры наеавдения: Тез. докл. Респ. конф. молодых ученых и специалистов. - Алма-Ата, 1990. -с.

р.-6

Модель роста дерева в пойменной дубраве: Тез.науч.-практ. конф.: Еашнд молодых ученых и специалистов в решение комплексных проблем мелиорации Дона. - Новочеркасск, 1990. -с. 58 г.. Моделирование температурного режима и водного баланса почв I, лесных экосистемах // Охрана и рациональное использование лесных ресурсов:Тез. докл. Всесоюз. конф. молодых ученых и специалистов в г. Мыт ищи 20-22 ноября 1990 г.-М. , 1991.-с. 48-49 (в соавторстве)

7. Цикличность паводков р. Урал и их влияние на состояние пойменных дубрав //Материалы науч. -практ. конференции. -Алма-Ата,

1992.-с.54-56

8. Изучение причин усыхания пойменных дубрав с использованием экофизиологической модели //Материалы науч. -произв. конференции професс.-преподавательского состава лесохоз. факультета.-Алма- Ата. 1УУЬ. - с. 29- 30

9. Оценка ущерба от деятельности энтомовредителей в пойменных дуйрат реки Урал с использованием динамической модели роста //Сборник статей науч. конф. проф.-препод, состава и аспирантов. -ч. 111-Алматы, 1993.-с. 124-126.

10. Применение эколого-физиологической модели роста дерева для прогнозирования состояния пойменных дубрав реки Урал// Тй'гк с1е\'1егЬ.-гг) ага?т:1а 2. 11гт ^ЫгП^Ь копГегапЭ! 26-29 Наг-пап, 1993. -А1таи.-с. 77-78.