Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Закономерности формирования маломерных стволов хвойных пород на северном макросклоне Восточного Саяна

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Закономерности формирования маломерных стволов хвойных пород на северном макросклоне Восточного Саяна"

На правах рукописи

УФИМЦЕВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ ХВОЙНЫХ ПОРОД НА СЕВЕРНОМ МАКРОСКЛОНЕ ВОСТОЧНОГО САЯНА

06.03.02 - Лесоведение, лесоводство лесоустройство и лесная таксация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

5 №11 гзи

005548191

Красноярск, 2014

005548191

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Шевелев Сергей Леонидович

Официальные оппоненты - Фарбер Сергей Кимович,

доктор сельскохозяйственных наук; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт леса им. В.Н.Сукачёва Сибирского отделения Российской академии наук, лаборатория таксации и лесопользования, ведущий научный сотрудник.

Михалёв Юрий Акимович, кандидат сельскохозяйственных наук; доцент, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», институт землеустройства, кадастров и природообустройства, кафедра кадастра застроенных территорий и планировки населённых мест, доцент.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Братский

государственный университет»

Защита диссертации состоится 27 июня 2014 г. В 1500 на заседании диссертационного совета Д 212.253.03 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», на сайте СибГТУ: www.sibgtu.ru

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

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

Репях Марина Вадимовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Формирование стволов деревьев, образующих древостой обусловлено значительным числом факторов. Во многом влияние их начинает проявляться на начальных этапах развития деревьев. Закономерности изменения формы стволов на начальных этапах их развития дают объективные знания обеспечивающие прогноз будущего состояния древостоев и позволяющие правильно установить их объём, а следовательно и запас древесины.

Таблицы для определения объёма маломерных стволов необходимы для назначения и проведения лесохозяйственных мероприятий, а так же для расчёта штрафных санкций при незаконном уничтожении молодняков и подроста.

Район исследования северный склон Восточного Саяна - достаточно крупный регион с условиями характерными для горных районов Средней Сибири, поэтому полученные результаты смогут быть распространены и на другие близкие по условиям территории.

Степень разработанности темы. Решение задач поставленных в настоящей работе во многом опирается на результаты исследований выполненных, в основном, в древостоях европейской части России. Для отдельных регионов Средней Сибири имеется ряд работ посвященных методам определения объёма маломерных стволов сосны [А.И. Бузыкин, Н.Ф. Марыскин,1969; В.В. Кузьмичёв, Т.А. Пузанова, 1979; А.И. Бузыкин, Л.С. Пшеничникова, 2002]. Работ посвящённым закономерностям изменения формы и способам определения объёма маломерных стволов тёмнохвойных пород в данном регионе нет.

Цели и задачи исследования. Целью исследования является установление закономерностей в форме маломерных стволов и построение нормативов для установления их объёма и запаса древесины.

В задачи исследования входило: установление закономерностей в форме маломерных стволов трех основных лесообразующих пород Средней Сибири -сосны, ели и пихты; установление закономерных зависимостей между показателями характеризующими форму и полнодревесность маломерных стволов, а так же между ними и другими таксационными характеристиками; построение нормативов для определения объёма маломерных стволов.

Научная новизна работы обусловлена и тем, что впервые для района исследования установлены закономерности в форме маломерных древесных стволов нашедшие отражение в величине и характере зависимостей показателей формы и полнодревесности с другими таксационными характеристиками. Для маломерных стволов тёмнохвойных пород такие исследования в Средней Сибири проводятся впервые.

Теоретическая значимость результатов работы заключается в полученных закономерностях, математическом моделировании связей между

показателями формы маломерных стволов и другими таксационными характеристиками.

Практическое значение имеют построенные нормативы для определения объёмов маломерных стволов и запаса древесины.

Методология и методы исследования. В основу исследования положен метод пробных площадей. Полученные данные были обработаны с использованием методов математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

- формирование маломерных стволов сосны, ели и пихты в районе исследования подчинено общим закономерностям, но имеют свои региональные особенности;

- взаимообусловленность показателей формы маломерных стволов сосны ели и пихты с другими таксационными характеристиками позволяет осуществить построение таксационных нормативов для их оценки.

Степень достоверности и апробации результатов. Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечены достаточным объёмом экспериментального материала собранного с использованием обоснованных методик, а так же применением современных методов обработки исходной информации.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, в непосредственном участие в сборе экспериментального материала, его камеральной обработке, формировании выводов и предложений.

Основные результаты исследования доложены на конференциях:

II Всероссийская научно-практическая конференция «Экология, рациональное природопользование и охрана окружающей среды» 15-16 ноября, 2012 года;

Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) 16-17 мая 2013 г «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки».

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографического списка. Работа изложена на 120 страницах текста, иллюстрирована 43 рисунками, имеет 39 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 104 наименования.

Публикации. По материалам выполненного исследования опубликовано 4 статьи, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК. Исследование выполнено в рамках государственного заказа Минобрнауки РФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Форма ствола является одним из объемообразующих признаков. К числу наиболее известных отечественных и зарубежных авторов, создавших основу исследования изучения закономерностей формы стволов, относятся:

Кунце [1891]; Баур [1891]; Шуберг [1891]; А. Шиффель [1905]; М.Е. Ткаченко [1911]; Н.В Третьяков [1927]; В.К. Захаров [1956]; Ф.П. Моисеенко [1961] и Н.П. Анучин [1971]. Закономерности изменения формы маломерных стволов, основных лесообразующих пород, различных регионов России, нашли отражение в работах: В.К.Захарова [1956]; Н.Т. Смирнова [1962, 1964]; В.М. Невзорова, A.A. Хирова [1963]; В.И. Тихонова [1964]; Ю.И. Бурневского [1966]; H.H. Соколова [1968]; И.И. Гусева [1968]; В.Н. Шастина [1976]; Н.С. Полончука [1978]; Г.Б. Кофман [1986];

A.З. Швиденко [1987]; Н.С. Зеленского [1989]; A.A. Гурского [1970]; В.Н. Дудина, A.A. Макаренко [1997] и др.

В 1990 г вышло в свет справочное пособие «Таксация тонкомерного леса и недревесного сырья», обобщающее результаты работ ряда исследователей. Авторами его были А.Д. Лозовой, В.А. Бугаев, А.Н. Смольянов [1990]. Значительный вклад в разработку теории таксации молодняков и создание нормативной базы их оценки, в европейской части России, сделал B.C. Моисеев [1971]. Однако исследованию закономерностей формы маломерных стволов и построению нормативов их оценки в Средней Сибири посвящен относительно небольшой ряд работ, авторами которых явились А.И. Бузыкин, JI.C. Пшеничникова [2002]; А.И. Бузыкин, Н.Ф. Марыскин [1965]; Т.А. Пузанова,

B.В. Кузьмичев [2005].

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Районом исследования явился северный макросклон Восточного Саяна, расположенный в умеренном резко-континентальном климатическом поясе. Сумма активных температур составляет до 1600°С, коэффициент относительного увлажнения - 0,94. Территория, на которой расположены объекты, исследования типична для горных регионов Средней Сибири, характеризуется большой расчлененностью рельефа. Разница между долинами рек и вершинами гор достигает 400-450 м.

Преобладающими материнскими породами являются желто-бурые тяжелые суглинки. Почвенное разнообразие представлено преимущественно буроземами дерновоподзолистыми и серыми лесными почвами.

Растительный покров в значительной степени зависит от вертикальной поясности. При минимальных высотах - до 700 метров над уровнем моря располагается пояс светлохвойных сосново-лиственничных лесов. На высотах до 1300 метров над уровнем моря его сменяет пояс темнохвойных лесов, представленный з основном пихтой иногда с примесью сосны кедровой сибирской. Еловые древостой встречаются повсеместно, но чаще в поймах рек и ручьев. Кедровники большими массивами встречаются по склонам и вершинам средневысотных гор до 1000 метров над уровнем моря.

3 МЕТОДИКИ СБОРА И ОБЪЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

В основу методики сбора экспериментальных данных положен метод пробных площадей, подбор и отграничение которых велись в соответствием с ОСТ 56-69-83 «Пробные площади лесоустроительные. Методы закладки». В пределах пробных площадей проводился сплошной перечет маломерных стволов по односантиметровым ступеням толщины на высоте 0,25 м от шейки корня, и где это было возможно, замерялся диаметр на 1,3 м, а также диаметры на !4,1/2, % высоты. При перечете использовались электронный штангенциркуль и мерная вилка. Высота деревьев замерялась с помощью мерной рейки и высотомера. Подбор моделей велся пропорционально ступенчатым представительством. У срубленного модельного дерева определялся возраст, высота, диаметры на шейке корня, высоте 0,25 м, 1,3 м, !4, ХА и !4 высоты. Затем ствол делился на секции соответствующие 0,1 высоты, на которых производились замеры диаметров в коре и без коры. Всего было заложено 8 пробных площадей с рубкой и обмером 200 модельных деревьев и обмером при перечете 3571 штук маломерных стволов.

4 ФОРМА МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ СОСНЫ

Для решения задач, поставленных в настоящей работе, анализировались величины, характеризующие форму и полнодревесность маломерных стволов.

Расчет коэффициентов формы велся по формулам:

а — „ - ¿о.2» „ =£*<ь „ _

<*а» (1), ¿0.1 (2), ^0.1 (3), ¿о., (4)

Использование диаметра на 0,1 высоты ствола, позволило с одной стороны минимизировать влияние высоты на величину коэффициентов формы. С другой стороны отказ от традиционных коэффициентов формы (когда использовался диаметр на высоте 1,3 м) позволил избежать значительного числа неточностей при характеристики формы моделей небольшой высоты, где коэффициенты формы теряют свой смысл. Для характеристики полнодревесности маломерных стволов использовалось нормальное видовое число. Для детальной характеристики формы стволов рассчитывались числа сбега по В.К. Захарову [1961]. Также анализировались закономерности изменения видовых высот (Щл) и видовых диаметров (О^л).

Первичная статическая оценка полевых данных показала, что модельные деревья репрезентативно отражают исследуемые совокупности.

Сложность структуры и неоднородность большинства лесных объектов делают необходимой оценку их изменчивости и характера сочетания по величине того или иного признака. Исследования М.Л. Дворецкого, И.В Мамаева [1967]; Гусева И.И. [1968]; Кулешиса [1972]; Г.Б. Кофмана [1968]

доказали, что форма ствола зависит от ряда факторов в числе которых густота возраст, бонитет, средний диаметр.

Оказалось, что изменчивость коэффициентов формы маломерных стволов сосны достаточно высока и для второго коэффициента формы колеблется по пробным площадям от 16,3 до 19,8%. Закономерно наибольшую изменчивость имеет коэффициент формы qз. Она достигает 36,7%. Обобщенные ряды коэффициентов формы характеризуются следующими средними величинами: Яо=1,22 ± 0,02; я,=0,84 ± 0,01; я2=0,69 ±0,01; я3=0,37 ± 0,01 Целесообразность использования средних величин отдельных таксационных показателей должна быть подтверждена рядом условий, основным из которых являются закономерности строения совокупности.

Безусловно, наиболее приемлемо использование средних величин для характеристики совокупности в том случае, когда ряд распределения соответствует нормальному.

Оказалось, что ряды распределения Цо; Яь и ц2 с высокой степенью адекватности соответствуют нормальному распределению и аппроксимируется моделью Гаусса вида:

у=а *ехр((-(Ь-х)л2)/(2 *с*2)) (5),

параметры уравнений и показатели их адекватности приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Коэффициенты уравнений и показатели адекватности

Коэффициенты формы Коэффициенты уравнений Коэффициент детерминации Я2 Стандартная ошибка, Б

а Ь с

Чо 28 1,2 0,13 0,83 4,7

ql 44,2 0,83 0,09 0,92 6,51

Р2 34,5 0,62 0,11 0,98 1,09

Распределение близко к нормальному, но имеет незначительную правую асимметрию и аппроксимировано уравнением вида:

у=(1,95+6,55х)/(1+(-5,76)х+9,28хл2), (6),

при Я2 = 0,96; Б = 3,18.

Все это позволяет говорить о возможности использования средних величин показателей формы для расчетов при построении нормативов для оценки маломерных стволов.

Анализ величин нормальных видовых чисел показал на их близкую изменчивость с <\г.

В таблице 2 приведены значения статистических показателей обобщенного ряда нормальных видовых чисел маломерных стволов сосны.

Таблица 2 - Статистические показатели обобщенного ряда видовых чисел

Статистический X ±т ±ст Ех Ав М„ Мс1 Р,%

показатель 0,47 од 0,11 5,76 0,54 0,5 0,47 24,08 2,46

Связь между нормальным видовым числом и q2 отображается уравнением прямой:

/„=0,14+0,4942 (7),

при 11=0,67, 8=0,05.

Степень опосредованности величины видовой высоты (Н^ ,) другими таксационными характеристиками стволов высока. Величина коэффициентов корреляции (Л) между ней и высотой ствола лежит в пределах 0,74-0,99; диаметром ствола на высоте 0,25м 0,50 - 0,87 и диаметром на 0,1 высоты ствола 0,6-0,68. На рисунке 1 показан график иллюстрирующий изменения Н^.] с изменением высоты дерева.

Связь отображается уравнением прямой вида:

НГ0., = -0.0325+0.4721Н (8),

при коэффициенте корреляции (К) равном 0,97 и стандартной ошибке уравнения (Б) равной 0,42.

Уравнение связывающие видовую высоту с диаметром на 0,25 и 0,1 высоты также имеют линейный вид.

3 = 0.41930085 г = 0.97300040

Н, М

Рисунок I — Связь видовой высоты с высотой дерева

Коэффициенты корреляции между видовым диаметром и высотой также устойчиво высоки (Д = 0,70- 0,86).

Связь между видовым диаметром и высотой имеет вид:

ДГ= 0,16+ 0,43 Н (9).

Завершающей частью анализа формы маломерных стволов сосны явился расчет чисел сбега. Полученные ряды были проверены на нормальность, средние величины их были сопоставлены с данными других исследователей (таблица 3).

Таблица 3 - Числа сбега маломерных стволов сосны в сравнении с данными других авторов

Данные Секция

0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Полученные 121 91,7 84,2 78,0 69,5 61,0 50,5 38,1 21,9

Захарова 140 91,6 84,4 78,3 71,8 64,6 55,4 43,3 25,0

Моисеева 117 91,7 84,2 77,4 69,7 60,0 50,0 37,6 22,0

Соколова 117,6 92,4 85,4 78,0 70,0 61,5 50,5 38,0 23,4

5 ФОРМА МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ ПИХТЫ И ЕЛИ

Были рассмотрены закономерности формы маломерных стволов ели и пихты сформировавшихся под пологом разновозрастных древостоев в составе подроста. Подобрать участки для закладки пробных площадей занятых молодняками не представлялось возможности.

Обработка данных велась по изложенной в предыдущем разделе схеме.

Результаты статической обработки рядов коэффициентов формы приведены в таблице 4.

Предварительная оценка показывала на достаточную близость величин коэффициентов формы у маломерных стволов ели и пихты.

Оценка принадлежности данных к одной генеральной совокупности велась по следующим этапам:

- оценка различий средних значений коэффициента формы Цг с использованием критерия Стьюдента;

- оценка согласованности рядов распределения коэффициента формы ц2 стволов ели и стволов пихты с использованием критерия согласия Колмогорова - Смирнова;

- анализ связи между диаметром 0,1 высоты ствола и его высотой.

Критерии Стьюдента и Колмогорова - Смирнова показали на отсутствие

существенных различий в средних величинах показателей формы маломерных стволов двух пород и на согласованность их рядов распределений.

На графике связи До.ш и Н данные ели и пихты сформировали одно поле. Все это позволило вести дальнейшую совместную обработку.

Величины средних значений нормальных видовых чисел подтвердили справедливость сделанного заключения (таблица 5 и 6).

Таблица 4 - Статистические показатели рядов коэффициентов формы ели и пихты

Статистические показатели Коэффициенты формы

Ро 42 Чз

пихта

1 2 1 2 1 2 1 2

Среднее значение 1,10 1,13 0,89 0,90 0,73 0,77 0,43 0,40

Стандартная ошибка 0,01 0,02 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01

Медиана 1,10 1,11 0,92 0,90 0,73 0,77 0,43 0,40

Мода 1,10 1,03 0,95 0,92 0,81 0,81 0,46 0,40

Стандартное отклонение 0,07 0,10 0,09 0,07 0,09 0,12 0,03 0,04

Коэффициент варьирования, % 6,07 8,71 9,63 7,83 12,21 15,25 6,80 10,31

Точность опыта, % 1,21 1,74 1,93 1,57 2,44 3,05 1,36 2,06

Статистические показатели ель

3 4 3 4 3 4 3 4

Среднее значение 1,13 1,14 0,90 0,92 0,76 0,76 0,40 0,42

Стандартная ошибка 0,02 0,02 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,00

Медиана 1Д4 1,14 0,93 0,92 0,77 0,78 0,40 0,42

Мода 1,00 1,00 0,94 1,00 0,65 0,71 0,40 0,43

Стандартное отклонение 0,12 0,10 0,10 0,06 0,11 0,08 0,05 0,02

Коэффициент варьирования, % 10,84 9,13 11,07 6,47 14,56 10,23 12,68 4,74

Показатель точности опыта, % 2,17 1,83 2,21 1,29 2,91 2,05 2,54 0,95

Таблица 5 - Статистические показатели рядов видовых чисел маломерных стволов пихты и ели

Статистические показатели Пробная площадь

1 (ель) 2 (ель) 3 (пихта) 4 (пихта)

Среднее значение 0,52 0,51 0,51 0,51

Коэффициент варьирования, % 11,8 10,1 11,9 7,8

Показатель точности опыта, % 2,4 2,0 2,4 1,6

Таблица 6 - Статистические показатели обобщенного ряда видовых чисел маломерных стволов ели и пихты

Статистический X ±ш ±а Ех Ав Мо Мб Р,%

показатель 0,51 0,01 0,05 0,07 0,12 0,52 0,55 10,40 1,04

Зависимость между вторым коэффициентом формы и нормальными видовым числом отображаются уравнением вида:

/= 0,255 + 0,335Ч2 (10),

при Я = 0,57; Б = 0,06.

Анализируя эмпирические формулы связи между старым видовым числом и вторым коэффициентом формы Г.Б. Кофман [1986] отмечал, что А. Гутгенбергу удалось доказать относительное постоянство коэффициента ч, характеризующего отношение У(\г стволов ели, сосны и бука. Однако, автор рассматривал этот показатель как видоспецифическую постоянную только для крупных стволов. В молодом возрасте эта закономерность нарушалась, так как старое видовое число переставало надежно работать для маломерных стволов.

Использование в настоящей работе нормального видового числа и q2 привязанного к диаметру на ОДН, делающее эти показатели практически независящими от высоты, позволило провести анализ величины ч для маломерных стволов ели и пихты.

Результаты расчетов приведены в таблице 7.

Содержание таблицы говорит, что величина ч для маломерных стволов пихты и ели очень близки с расчетным ч А. Гуттенберга.

Оказалось, что в пределах амплитуды (\2 0,65 - 0,85, полученные значения нормальных видовых чисел по уравнению и через коэффициент г=0,69 практически совпадают.

Таблица 7 - Значение нормального видового числа полученные по зависимостям с q2

Нормальное видовое число Коэффициент формы q2

0,65 0,70 0,75 0,80 0,85

по уравнению f4),255+0,335q? 0,46 0,49 0,51 0,52 0,54

по Гуттенбергу f==0,69q? 0,45 0,48 0,51 0,55 0,58

Корреляционный анализ видовых высот и видовых диаметров показал на наличие закономерных зависимостей между этими показателями и высотой ствола, а также диаметрами на 0,25 м от шейки корня и диаметром на 0,1Н. Все зависимости имеют линейную форму.

Расчетные числа сбега для маломерных стволов ели и пихты приведены в таблице 8.

Они показаны в сравнении с числами сбега для крупномерных стволов ели по В.К. Захарову и маломерных стволов ели по B.C. Моисееву для европейской части России. Динамика чисел сбега (Sn) по относительным длинам (dOT.) маломерного ствола с высокой степенью адекватности (R2=0,996) отражается уравнением вида:

Sn =(1,10+(-1,10) domH)/(l+(-0,33)dom„+(-0,35) domH (11).

Эта функция может рассматриваться как математическая модель средней образующей маломерных стволов ели и пихты (рисунок 2).

6 ОБЪЕМНЫЕ ТАБЛИЦЫ МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ

Объемные таблицы маломерных стволов различных авторов были построены по отличающимся методикам и часто различаются по форме.

Для маломерных стволов сосны объемные таблицы были построены с использованием разрядов высот. Такая форма норматива использовалась Моисеевым, Шастиным, Гусевым и др. Она обусловлена достаточно большой амплитудой высот стволов. На рисунке 3 показан график разрядов высот.

Кривые изменения высоты по разделам аппроксимируется уравнением

вида:

y=(a+bx)/(l+cx+dxA2) (12).

Далее были получены уравнения связи между диаметрами на 0,25 м от шейки корня; 0,1 высоты ствола и высоте 1,3 м, которые использовались затем для расчета «входов» в объемную таблицу.

Таблица 8 - Числа сбега маломерных стволов сосны в сравнении с данными других авторов

Данные Секция

0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Полученные 1,13±0,01 0,94±0,01 0,90±0,01 0,82±0,01 0,76=Ь0,01 0,64±0,01 0,57±0,01 0,41 ±0,01 0,27±0,01

Захарова 1,66*1,10 0,95±0,20 0,90±0,24 0,83±0,29 0,76±0,34 0,67±0,43 0,56±0,48 0,42±0,53 0,28±0,48

Моисеева 1,19±1,10 0,93±0,30 0,88±0,40 0,80±0,40 0,71±0,60 0,61 ±0,60 0,51 ±0,60 0,38±0,70 0,23±0,50

5 - 0.02181361 г - 0.99856298

■"(ЗУ—

•••••о,..

5

5 лО —I

Э- Ол I

""^ЙЙ-..,

О.О 0.1 0.2 О.З

0.4 0.5 О.й 0.7

Относительная высота

0.8 О.Э 1.0 1.1

Рисунок 2 - Образующая маломерных стволов ели и пихты

3 т 1.78376242 г >0.88204532

г»11

.0

О 0.25

Рисунок 3- Разряды высот маломерных стволов сосны

После этого была построена вспомогательная таблица видовых высот для стволов различной толщины и входящих в различные разряды высоты.

Затем объем ствола устанавливался путем перемножения видовой высоты (Нш) на площадь поперечного ствола на 0,1Н. В результате расчетов получены данные, отражённые в таблице 9.

Таблица 9 - Фрагмент таблицы объёмов маломерных стволов сосны

д 0,25м, см Разряды высот и объём стволов, м3 Д 1,3м, см

I II III IV

Н, м V, м3 Н, м V, м3 Н, м V, м3 Н, м V, м3

1 1,67 0,0001 1,34 0,0001 0,62 0,0001 0,41 0,0001 0,3

2 3,15 0,0004 2,50 0,0003 1,32 0,0002 0,76 0,0001 0,9

3 4,50 0,0015 3,56 0,0012 2,02 0,0006 1,12 0,0004 1,7

4 5,80 0,0035 4,51 0,0027 2,70 0,0016 1,48 0,0009 2,5

5 6,90 0,0064 5,37 0,0050 3,38 0,0031 1,85 0,0017 3,3

6 8,00 0,0101 6,14 0,0078 4,03 0,0050 2,21 0,0027 4,2

7 8,94 0,0146 6,83 0,0112 4,64 0,0076 2,58 0,0042 5,1

8 9,76 0,0206 7,44 0,0157 5,23 0,0109 2,94 0,0061 6

9 10,49 0,0280 7,99 0,0213 5,77 0,0153 3,29 0,0087 7,0

10 11,13 0,0355 8,47 0,0270 6,27 0,0199 3,63 0,0114 8,0

11 11,68 0,0438 8,90 0,0334 6,73 0,0251 3,97 0,0147 9,0

Было осуществлено сравнение полученного норматива с таблицами B.C. Моисеева и А.И. Бузыкина, Н.Ф. Марыскина для восточной части Красноярского края. Следует отметить, что последняя был построена эмпирическим путем - в форму таблицы были просто занесены среднеарифметические объемы модельных деревьев различных размеров.

Соотношение объемов маломерных стволов сосны по данных различных авторов показано на рисунке 4.

0.025

| 0,02 о

о "я 0,015

8 0,01

0,005

А

Ю

О

1 i — 5 " | 1

, |

Л —Г : 1' т1 —

— ггп Rfl :

4 5 6 7 Ступень толыцины. см

Данные

□ Бузыкина

□ Моисеева

□ Полученные

Рисунок 4- Соотношение объёмов маломерных стволов сосны по данным различных авторов (м3)

Построение объемных таблиц для маломерных стволов ели и пихты имеет свои особенности.

Во первых, в связи с тем, что в приведенных выше разделах работы было установлено, что степень различия формы маломерных стволов этих двух пород несущественна, было решено построить один норматив, характеризующий объем стволов обеих пород.

Во вторых, пришлось отказаться от методики построения таблиц предусматривающих разряды высот, так как она не вполне соответствовала объекту - амплитуды высот стволов не велика.

Использовалась форма таблицы с двумя «входами» - диаметром и высотой с градацией 0,5 м.

Фрагмент объемной таблицы для ели и пихты приведен ниже, таблица 10.

Для удобства практического использования в работе построена таблица для определения объема совокупности в 100 маломерных стволов ели и пихты.

Сопоставление построенного норматива с аналогичными таблицами И.И. Гусева и В.И. Шастина показало, что маломерные стволы ели и пихты в

районе исследования имеют меньший объём по сравнению с маломерными стволами ели и пихты в других регионах.

Таблица 10 - Фрагмент объёмной таблицы маломерных стволов ели и пихты

д на 0,25 м, см д 0,1Н, см Высота, м Д 1,3 м, см

1,5 2 2,5 3,0 3,5 4,0

3.0 3,5 0,00077 0,00102 0,00128 - - 0,95

3,5 4,0 0,00099 0,00133 0,00166 - - - 1,14

4.0 4,4 0,00115 0,00153 0,00191 0,00230 - - 1,33

4,5 5,0 0,00153 0,00204 0,00255 0,00306 0,00357 - 1,53

5.0 5,4 0,00176 0,00235 0,00293 0,00352 0,00411 0,00469 1,71

5,5 6,0 0,002142 0,00286 0,00357 0,00428 0,00500 0,00571 1,9

6,0 6,3 0,002372 0,003162 0,003953 0,00474 0,00553 0,00632 2,1

В первую очередь, это является следствием того, что исследованию подвергались стволы подроста, а не молодняков. Материнский полог оказывает значимое влияние на форму стволов подроста, что сказывается на их объёме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Леса северного склона Восточного Саяна во многом типичны для горных лесов Средней Сибири.

Наибольшее распространение имеет сосна, из тёмнохвойных пород -пихта и ель.

В процессе выполнения настоящей работы при решении поставленных в ней задач, на основе анализа результатов обработки полевых данных сделаны следующие выводы:

- средние значения коэффициентов формы маломерных стволов сосны говорят о большей полнодревесности их по сравнению с крупномерными стволами (яо=1,22; я, =0,84; я2=0,69; Яз=0,37);

- ряды коэффициентов формы маломерных стволов сосны подчинены нормальному распределению;

- связь между коэффициентом формы и нормальным видовым числом у маломерных стволов сосны аппроксимируется уравнением вида: £=0,14+0,49я2

- связь видовой высоты и видового диаметра маломерных стволов сосны с высокой степенью адекватности отображается уравнением линейной функции;

- полученные числа сбега маломерных стволов сосны подчинены общей закономерности, но имеют отличия, как от рядов чисел сбега крупномерных стволов сосны, так и от рядов чисел сбега маломерных стволов сосны в других регионах;

- оценка рядов коэффициентов формы и нормальных видовых чисел маломерных стволов ели и пихты на совместимость, оценка существенных различий их средних значений показали, что характеристики формы стволов этих пород составляют одну совокупность - существенные различия отсутствуют;

- проверка выводов А.Гуттенберга о стабильности отношений между f и q2 нашла подтверждение и для маломерных стволов ели и пихты;

- нормативы построенные, с учётом региональных особенностей формы маломерных стволов сосны, ели и пихты, найдут практическое использование в деятельности предприятий лесного комплекса в Средней Сибири.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Уфимцева, Е.А. Закономерности изменения формы стволов подроста сосны, в условиях северного склона Восточного Саяна / Е.А. Уфимцева, С.Л. Шевелёв // Вестник КрасГАУ. - 2014. - Вып.4. - С. 194-198 (по списку ВАК).

2. Уфимцева, Е.А. Формирование маломерных стволов подроста темнохвойных пород, на северном склоне Восточного Саяна / Е.А. Уфимцева, С.Л. Шевелёв // Хвойные бореальной зоны. - 2013. - Т. 32. - № 5-6. - С. 7-9 (по списку ВАК).

3. Уфимцева, Е.А. Закономерности строения подроста сосны / Е.А. Уфимцева // Экология, рациональное природопользование и охрана окружающей среды. - Лесосибирск: Лф СибГТУ, 2012. -Т. 1. - С. 100-102.

4. Уфимцева, Е.А. Форма маломерных стволов сосны обыкновенной Восточного Саяна / Е.А. Уфимцева // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. - Красноярск: СибГТУ, 2013. - Т. 1. - С. 6-9.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 82, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.253.03.

В отзыве просим указать почтовый адрес организации, телефон и электронную почту лица, представившего отзыв.

Факс: (391) 266-03-90

E-mail: nvn@sibstu.kts.ru

Подписано в печать 22.04.2014 Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. № 3/5. Заказ № 2069. Тираж 100 экз. Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 82 Факс (391) 211-97-25, Тел. (391)277-69-90

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Уфимцева, Елена Александровна, Красноярск

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет»

На правах рукописи

04201459592 Уфимцева Елена Александровна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ

ХВОЙНЫХ ПОРОД НА СЕВЕРНОМ МАКРОСКЛОНЕ ВОСТОЧНОГО САЯНА

06.03.02 - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Шевелёв С.Л.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.............................................7

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ .. .......................................................................................................22

2.1 Расположение объектов исследования...............................................................22

2.2 Климатические условия..................................................................23

2.3 Рельеф........................................................................................24

2.4 Почвы.........................................................................................25

2.5 Растительность района исследования..................................................27

3 МЕТОДИКА СБОРА И ОБЪЁМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА . 37

4 ФОРМА МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ СОСНЫ.......................................43

4.1 Анализируемые показатели формы ствола..........................................43

4.2 Первичная статистическая обработка экспериментальных данных............45

4.3 Строение молодняков сосны по форме ствола.......................................45

4.4 Видовые числа. Связь нормального видового числа и второго коэффициента формы.............................................................................................55

4.5 Видовые высоты и видовые диаметры................................................57

4.6 Числа сбега..................................................................................63

5 ФОРМА МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ ПИХТЫ И ЕЛИ..............................70

5.1 Первичная статистическая обработка.................................................70

5.2 Коэффициенты формы маломерных стволов ели и пихты........................70

5.3 Оценка рядов коэффициентов формы q2 на совместимость......................73

5.4 Видовые числа. Связь нормального видового числа и второго коэффициента формы.............................................................................................75

5.5 Видовые высоты и видовые диметры.................................................79

5.6 Числа сбега.................................................................................84

6 ОБЪЁМНЫЕ ТАБЛИЦЫ МАЛОМЕРНЫХ СТВОЛОВ.............................88

6.1 Объёмные таблицы для маломерных стволов сосны..............................88

6.2 Объёмные таблицы для маломерных стволов ели и пихты.......................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................. 107

Приложение А................................................................................ 116

Приложение Б................................................................................. 117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Формирование стволов деревьев, образующих древостой обусловлено значительным числом факторов. Во многом влияние их начинает проявляться на начальных этапах развития деревьев. Закономерности изменения формы стволов на начальных этапах их развития дают объективные знания обеспечивающие прогноз будущего состояния древостоев и позволяющие правильно установить их объём, а следовательно и запас древесины.

Таблицы для определения объёма маломерных стволов необходимы для назначения хозяйственных мероприятий, а так же для расчёта штрафных санкций при незаконном уничтожении подроста и молодняков.

Район исследования северный склон Восточного Саяна — достаточно крупный регион с условиями характерными для горных районов Средней Сибири, поэтому полученные результаты смогут быть распространены и на другие близкие по условиям территории.

Степень разработанности темы. Решение задач поставленных в настоящей работе во многом опирается на результаты исследований выполненных, в основном, в древостоях европейской части России. Для отдельных регионов Средней Сибири имеется ряд работ посвященных методам определения объёма маломерных стволов сосны [А.И. Бузыкин, Н.Ф. Марыскин,1969; В.В. Кузьмичёв, Т.А. Пузанова, 1979; А.И. Бузыкин, Л.С. Пшеничникова, 2002]. Работ посвящённым закономерностям изменения формы и способам определения объёма маломерных стволов тёмнохвойных пород нет.

Цели и задачи исследования. Целыо исследования является установление закономерностей в форме маломерных стволов и построение нормативов для установления их объёма и запаса древесины.

В задачи исследования входило: установление закономерностей в форме маломерных стволов трех основных лесообразующих пород Средней Сибири -сосны, ели и пихты; установление закономерных зависимостей между показате-

лями характеризующими форму и полнодревесность маломерных стволов, а так же между ними и другими таксационными характеристиками; построение нормативов для определения объёма маломерных стволов.

Научная новизна работы обусловлена и тем, что впервые для района исследования установлены закономерности в форме маломерных древесных стволов нашедшие отражение в величине и характере зависимостей показателей формы и полнодревесности с другими таксационными признаками. Для маломерных стволов темнохвойных пород такие исследования в Средней Сибири проводятся впервые.

Теоретическая значимость результатов работы заключается в полученных закономерностях, математическом моделировании связей между показателями формы маломерных стволов и другими таксационными характеристиками.

Практическое значение имеют построенные нормативы для определения объёмов маломерных стволов и запаса древесины.

Методология и методы исследования. В основу исследования положен метод пробных площадей. Полученные данные были обработаны с использованием методов математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

- формирование маломерных стволов сосны, ели и пихты в районе исследования подчинено общим закономерностям, но имеют свои региональные особенности;

- взаимообусловленность показателей формы маломерных стволов сосны ели и пихты с другими таксационными характеристиками позволяет осуществить построение таксационных нормативов для их оценки.

Степень достоверности и апробации результатов. Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечены достаточным объёмом экспериментального материала собранного с использованием обоснованных методик, а так же применением современных методов обработки исходной информации.

Личный вклад автора. Заключается в постановке цели и задач исследования, в непосредственном участие в сборе экспериментального материала, его камеральной обработке, формировании выводов и предложений.

Основные результаты исследования доложены на конференциях:

1. II Всероссийская научно-практическая конференция «Экология, рациональное природопользование и охрана окружающей среды» 15-16 ноября, 2012 года.

2. Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) 16-17 мая 2013 г «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки».

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографического списка. Работа изложена на 121 страницах текста. Иллюстрирована 43 рисунками, имеет 39 таблицы и 2 приложения. Список литературы включает 104 наименования.

Публикации. По материалам выполненного исследования опубликовано 4 статьи, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Форма ствола является одним из объёмообразующих признаков. Изучение этого показателя у различных древесных пород началось в конце 19 века и продолжается вплоть до нашего времени.

В России вопрос о видовых числах подробно раскрыт таксатором Варгасом [1850]. К первым отечественным авторам, которые занимались этим вопросом, так же относят Н.В Третьякова [1927], М.Е. Ткаченко [1911], Н.П. Анучи-на [1971], В.К. Захарова [1956] и Ф.П. Моисеенко [1961]. За рубежом в этом направлении работали Кунце [1891], Баур[1891], Шуберг [1891], А. Шиф-фель [1905].

Форму древесных стволов немецкие ученые Гогенадль [1924], Кренн, Продан [1965] и Диттмар [1965] характеризовали коэффициентами, названными ими числами сбега. Для получения чисел сбега ствол делят на 10 равных частей и в верхнем сечении каждой из них измеряют диаметры. Отношения этих диаметров к диаметру на 0,1 высоты ствола называют числами сбега. По исследованиям этих ученых, числа сбега у каждой породы являются вполне определенными величинами, не зависящими от высоты ствола. [Анучин,1982]

Н.В. Третьяков в работе «Закон единства в строении насаждений» [1927] представил результаты исследований закономерностей строения древостоя, на основе которых была разработана методика составления новых таксационных таблиц.

Благодаря разработкам Н.В. Третьякова с 1930 г. начали создавать массовые таблицы объемов стволов по разрядам высот древостоев для различных районов страны.

Австрийский лесовод А. Шиффель [1905] составил таблицы объемов стволов для ели, сосны, лиственницы и пихты. Стволы, взятые из разных древостоев, при обработке были распределены по высотам и пяти категориям значений q2 в зависимости от сомкнутости полога леса. Для составления таблиц выявлялись существующие связи в виде уравнений между отдельными таксационными пока-

зателями деревьев: коэффициент формы q2 и видовым числом; диаметром на высоте 1,3м и высотой дерева, объёмом ствола и другими величинами. Выравнивались данные через среднее видовое число. Точность таблиц ±1,5 — 2,0 %. Из-за сложности нахождения коэффициента формы на стоящих деревьях таблицы А. Шиффеля практического применения не получили. Для практического применения этих таблиц необходимо было замерить высоту ствола и диаметры растущих деревьев на 1,3 м и 6,0 м. Допускалось использование для деревьев высотой до 21 м средней величины q2 = 0,70, а в других случаях — q2=0,65 [Справочник лесовода, 1921].

Универсальные таблицы для определения объемов стволов составлены в 1932 году А.Н.Карповым. На основе предложенной им формулы, Карпов математическими расчетами, при значениях показателях от 1,96 до 0,78, составил таблицы объемов стволов, единые для всех пород. Однако из-за сложности построения нормативы не получили распространения в лесном хозяйстве.

Значительным этапом в исследовании закономерностей изменения формы стволов основных лесообразующих пород России явилось создание Массовых таблиц Союзлеспрома [1932]. По каждой породе работу вели разные исследователи, по сосне — Д.И.Товстолес; над таблицами для ели — работал В.К.Захаров; с осиной и березой работал А.В.Тюрин. Нахождение объемов стволов осуществлено через видовые числа. Для каждой древесной породы предусмотрены три значения коэффициентов формы q2.

Многими исследователями доказано, что форма и полнодревесность стволов зависят от полноты, густоты и условий произрастания [Дворецкий, Мамаев, 1967; Смирнов, 1970; Гурский, 1970; Дудина, Макаренко, 1975 и др.]. Однако эти факторы не учитываются в распространенных методах составления объёмных таблиц [Анучин, 1960, 2004; Горский, 1960; Захаров; 1961; Свалов, 1978; и др.].

При средней форме древесных стволов объемные таблицы можно составлять на основе математического выражения образующей древесного ствола. Для математического выражения образующей древесных стволов рекомендуются раз-

личные функции. Еще Д.И. Менделеевым и И.И. Белоновским предложено аппроксимировать образующую кубической параболой [Анучин, 1971].

Проф. В. К. Захаров [1961] изучал форму древесных стволов также путем деления их на части равные 0,1 высоты ствола. Он принял диаметр на 0,1 высоты ствола за 100 %. Остальные диаметры на относительной высоте (на 0,2 0,3 и т. д. до 0,9) он выражал в процентах от диаметра на 0,1. Таким образом, предложение В. К. Захарова повторяет идею Гогенадля [Захаров, 1961]

В результате своих исследований В.К. Захаров пришел к выводу, что у стволов одной древесной породы, но разных размеров относительные диаметры на одинаковой относительной высоте стволов одинаковы. Они не зависят от диаметра на высоте 1,3 м и от абсолютной высоты стволов, а также от условий среды. Относительные диаметры носят стабильный характер. В связи с этим В.К. Захаров выдвинул гипотезу о единстве средней формы отдельных древесных стволов, выраженной в относительных величинах.

Н.Т. Смирнов [1963] в работе «Особенности таксации искусственных сосновых молодняков» говорит о том, что старое видовое число бывает больше 1,0 при высоте дерева менее 2,6 м, но в действительности в молодняках на объёмы стволов большое влияние оказывают прикорневые наплывы и видовое число, большее чем 1,0, может встречаться при высоте 4 и даже 5 метров. Автор считает, что видовое число изменяется не только в зависимости от высоты дерева, но так же изменяется при увеличении диаметра. В связи с этим, молодняки, сформировавшиеся в искусственных насаждениях, по всем таксационным показателям отличаются от тех которые сформировавшихся в естественных условиях.

В этой же работе Н.Т. Смирнов [1963] отмечает, что коэффициент формы молодых насаждений, прежде всего, зависит от высоты ствола. При небольшой высоте дерева он всегда бывает очень большим, даже тогда когда ствол когда ствол имеет очень большой сбег. В связи с этим, считает автор, коэффициент формы не может иметь большого значения для характеристики формы ствола.

/

Важным признаком, по мнению Н.Т. Смирнова [1963] является относительная высота древесного маломерного ствола. Эти положения учтены при выполнении настоящей работы.

Ещё один метод определения объёма ствола отображён в работе В.М. Невзорова и A.A. Хирова [1963] «Объёмные таблицы для сосны в культурах 1 класса возраста Бузулукского бора». В основу методики составления таблиц положен массовый обмер деревьев (свыше 3000 сосен на трех участках лесных культур). Объём ствола определялся по простой формуле серединного сечения. Объём дерева складывался из объёма ствола и сучьев, при этом объём сучьев рассчитан в процентах от объёма ствола у 200 деревьев. Процент сучьев вычислен по классам высот. Для установления систематической ошибки простой формулы серединного сечения так же определялся объём ствола по формуле серединного сечения однометровых отрубков у 250 разных по размеру деревьев. Систематическая ошибка составила -9,4%. Объёмы стволов, рассчитывались с учётом этой ошибки и принимались за истинные, а затем подразделялись на классы (по диаметру 0,5 см и по высоте 0,5 м) с расчётом среднего объёма ствола каждого класса.

Для маломерных стволов лиственницы объёмная таблица была составлена в 1964 году В.И. Тихоновым. Основой для формирования стали результаты полученные с 15 пробных площадей. Возраст молодняков от 15 до 38 лет. Было взято 221 модельное дерево, у каждого были замерены диаметры в коре посередине однометровых секций. Видовую высоту В.И. Тихонов рассчитал следующим образом: по данным обмера вычислялись объёмы стволов в кубических дециметрах с двумя десятичными знаками, на основании чего и определялись видовые числа Полученные средние значения видовых чисел по высотам подвергались сглаживанию аналитическим путём, для чего использовались линейные зависмости произведений HF от высот и вычислялись линейные уравнения этой связи. Объём маломерного ствола лиственницы можно определить по этим таблицам для деревьев от 2 до 15 метров.

В 1964 году вышел в свет труд Н.Т.Смирнова под названием «Формирование и рост сосновых и сосново-берёзовых молодняков в восточных предгорий южного Урала и рубки ухода в них». В работе отражены особенности формирования молодняков на вырубках, рост сосново-берёзовых молодняков, а именно изменение состава и количества стволов в течении формирования насаждения, изменения суммы площадей сечения и диаметра, изучены закономерности роста молодняков в высоту и развитие их корневых систем. Изменение запаса столовой древесины. Все изменения сопоставлены с условиями внешней среды.

В работу так же вошли результаты опытных рубок, в результате которых изменились таксационные показатели, а так же повысилась устойчивость молодняков при повреждении снегом. Описаны первичные изменения в насаждениях после проведения рубки ухода. Итогом работы стало формирование рекомендаций и практических предложений по улучшению состояния и повышения продуктивности сосново - берёзовых молодняков Южного Урала.

В 1965 году H.H. Соколовым сформирована таблица объёма маломерных стволов сосны для деревьев возрастом от 20 до 40 лет, с полнотой насаждения 0,8 - 1,1. Исходным материалом послужило 100 модельных деревьев с 8 пробных площадей. По материалам был найден средний относительный сбег, который достигает наибольших показателей в вершинной части. Для определения объёма маломерных стволов автор установил связь между диаметром на высоте ОДН и диметров на высоте 1,3м. Полученные результаты были сопостав