Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Закономерности строения, рост и нормативы таксации лиственничных древостоев Архангельской области

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Закономерности строения, рост и нормативы таксации лиственничных древостоев Архангельской области"

На правах рукописи

БОГДАНОВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРОЕНИЯ, РОСТ И НОРМАТИВЫ ТАКСАЦИИ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ДРЕВОСТОЕВ АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

06.03.02 - лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005554918

13 НОЯ 2014

Архангельск - 2014

005554918

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, доцент Третьяков Сергей Васильевич.

Официальные

Залесов Сергей Вениаминович

оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», заведующий кафедрой лесоводства;

Новоселов Анатолий Сергеевич

кандидат сельскохозяйственных наук, ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет», доцент кафедры геоэкологии и инженерной геологии.

Ведущая организация: ФГБУН «Институт экологических проблем Севера

УрО РАН».

Защита состоится 10 декабря 2014 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.03 на базе ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», по адресу: 163002, Россия, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, главный корпус, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» www.narfu.ru.

Автореферат разослан «¿у » октября 2014 года.

1220.

Ученый секретарь диссертационного совета

Клевцов Денис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной задачей современного развития наук о лесе является разработка зональных нормативов, направленных на повышение точности учета лесных ресурсов. Анализ имеющихся нормативов для лиственницы Сукачева (Larix Sukaczewii dyl.) показывает, что требуется разработать ряд нормативов: товарные таблицы по классам товарности, разрядные сортиментно-сортные таблицы, товарные таблицы для отвода лесосек методом круговых реласкопических площадок и таблицы хода роста модальных древостоев лиственницы Сукачева в северо-таежном районе Европейской части России. Нормативно-справочные материалы необходимы для таксации лиственничных лесов при проведении лесоустройства и отводе лесосек, инвентаризации, планировании и проектировании мероприятий в области использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов.

Согласно данным ФГУП «Рослесинфорг» средний возраст листвягов составляет 211 лет, что говорит о преобладании перестойных насаждений, которые представляют собой близкие к своим максимальным значениям высоты, диаметра и продуктивности в данных условиях места произрастания. Требуется создание рекомендаций по содействию естественному возобновления данной породы при проведении лесосечных работ.

Недостаточно исследован вопрос отображения лиственницы на космических снимках сверхвысокого разрешения. Актуальность данной задачи определяется необходимостью совершенствования технологии непрерывной многоуровневой инвентаризации лесов и дистанционной оценки их состояния в динамике и статике.

Степень изученности вопроса. Вопросами разработки зональных нормативов и особенностями роста основных лесообразующих древесных пород изучается достаточно давно. Для повышения интенсивности ведение лесного хозяйства в 20 веке лесной наукой были разработаны региональные нормативы для оценки товарности древостоев основных лесообразующих пород: еловых (Гусев, 1978, Гусев, 1992, Гусев, Коптев, 1988), сосновых (Левин, 1966; Соколов, 2001), березовых (Чупров, 1977), сосново-березовых (Неволин, 1966), осиновых (Войнов, 1986), лиственничных (Калинин, 1965), сосново-еловых (Гусев И.И., Третьяков C.B., 1990) и др. Вопросами товарности таежных лесов занимались П.В. Горский (1962), Н.П. Анучин (1968), А.Г. Мошкалев (1969, 1974), В.Л. Черных (1982), Гусев И.И., Коптев C.B. (1998) и другие. Для лиственницы Сукачева на территории северно-таежного района Европейской части России данный вопрос изучен недостаточно. Особенности содействия естественному возобновлению лиственницы в условиях Европейского Севера изучали: Калинин (1965), Кашин, Козобродов (1994), Козобродов (1968).

Прямые и косвенные признаки дешифрирования древесных пород изучались рядом исследователей (Самойлович, 1956, Сухих, 2007) и др.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является выявление особенностей роста, продуктивности, товарной и сортиментной структуры

древостоев с преобладанием лиственницы Сукачева. Разработка лесотаксационных нормативов для таксации лиственничных насаждений, определения товарной и сортиментной структуры. Изучение особенностей дешифрирования лиственницы с использованием мультиспектральных снимков сверхвысокого разрешения, полученных с космических летательных аппаратов. Разработка рекомендаций по ведению хозяйства в лиственничных древостоях на пределе их естественного распространения в условиях Европейского Севера России.

Для достижения указанной цели исследования поставлены следующие задачи:

- изучить закономерности формирования и роста модальных древостоев лиственницы Сукачева;

- исследовать динамику изменения состава в смешанных древостоях с преобладанием лиственницы Сукачева;

- определить оптимальную модель хода роста модальных насаждений лиственницы Сукачева на территории Архангельской области;

- выявить особенности сортиментной и товарной структуры естественных насаждений лиственницы Сукачева;

- создать алгоритм дешифрирования древостоев лиственницы Сукачева с использованием мультиспектральных спутниковых снимков сверхвысокого разрешения;

- разработать рекомендации ведения хозяйства в древостоях с участием и преобладанием лиственницы Сукачева.

Научная новизна. Впервые изучена динамика роста и продуктивности смешанных модальных древостоев лиственницы Сукачева на территории Архангельской области. Определены особенности товарной и сортиментной структуры естественных древостоев с участием и преобладанием лиственницы Сукачева. Изучены особенности формирования состава модального древостоя лиственницы в Архангельской области. Выделены особенности отображения лиственницы Сукачева на снимках сверхвысокого разрешения. Разработаны рекомендации ведения хозяйства в древостоях с участием и преобладанием лиственницы Сукачева.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные особенности товарной и сортиментной структуры древостоев позволили создать следующие лесотаксационные нормативы: товарные таблицы по классам товарности, разрядные сортиментно-сортные таблицы, товарные таблицы для отвода лесосек методом круговых реласкопических площадок, таблицы хода роста модальных древостоев лиственницы Сукачева.

В результате исследования разработана программа для ЭВМ «Программа автоматизированного определения территории произрастания лиственницы с использованием спутниковых снимков».

Методы исследования. Сбор и анализ полевых материалов проводился на постоянных и временных пробных площадях. Использованы методы анализа данных с помощью описательной статистики и математического

моделирования. Для изучения особенностей отображения и дешифрирования лиственницы использовалась программа Image Processor, в которой применен алгоритм бинарной классификации.

Предмет защиты:

- закономерности роста и развития модальных древостоев лиственницы Сукачева;

- закономерности сортиментной и товарной структуры естественных древостоев лиственницы Сукачева;

- прямые и косвенные дешифровочные признаки древостоев лиственницы, особенности выделения крон лиственницы на снимках сверхвысокого разрешения;

- рекомендации ведения хозяйства в древостоях с участием и преобладанием лиственницы Сукачева.

Апробация результатов исследования. Результаты исследования докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (Архангельск, 2012 - 2014).

Разработанные материалы представлены на Всероссийском конкурсе проектов студентов и аспирантов ориентированного развития и сетевого взаимодействия экономики Российской Федерации в номинации «Инновационно-ориентированные проекты в области лесоустройства и лесоуправления», проходившем в г. Брянске в 2012 г. (получен диплом за 3 место).

Материалы исследования представлены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Средства и технологии ДЗЗ из космоса в науке, образовании, бизнесе». В рамках конференции состоялся конкурс научных работ молодых ученых: «Решение комплексных научных и практических задач с применением ДЗЗ» (присужден диплом финалиста конкурса).

Актуальность исследования подтверждается финансовой поддержкой, которая оказана при оценке конкурсных работ:

-на областном конкурсе научных проектов «Молодые ученые Поморья» от 25 апреля 2012 года. Проект №14-2012-06а «Закономерности строения, роста и нормативы лиственничных насаждений и рекомендации содействия естественному возобновлению в Архангельской области»;

- на внутреннем конкурсе научно-исследовательских и инновационных проектов студентов и молодых ученых по приоритетным направлениям развития Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (направление - высокотехнологические наукоемкие отрасли). Название проекта: «Разработка алгоритма дешифрирования древостоев лиственницы с использованием мультиспектральных спутниковых снимков сверхвысокого разрешения» от 01.03.2013.

Материалы диссертационных исследований вошли в отчеты НИР ФБУ «СевНИИЛХ» государственного задания на осуществление научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ № 8

«Совершенствование нормативно-таксационной базы лиственничных древостоев Европейского Севера» в 2011 - 2013 гг.

Лнчный вклад автора. Проведен анализ литературных источников. Сформулированы цель и задачи исследования. Автором или при его непосредственном участии проводились все работы по сбору и обработке полевого материала, разработке лесотаксационных нормативов, анализу результатов и формулированию выводов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается достаточно обширным полевым материалом, полученным в ходе исследования. Экспериментальный материал включает в себя перечеты на 13 пробных площадях. Проведен повторный перечет на пробных площадях с участием и преобладанием лиственницы, заложенных сотрудниками кафедры лесной таксации и лесоустройства АЛТИ - АГТУ - в настоящее время Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова, 57 круговых площадок постоянного радиуса, 64 модельных деревьев и массовые материалы глазомерной таксации. Обследованы места проведения сплошной и добровольно выборочной рубки с оставлением семенников лиственницы Сукачева. Данные обрабатывались с помощью методов математической статистики. Для обработки полевых материалов применялось современное компьютерное программное обеспечение.

По результатам исследования опубликовано 11 публикаций, в том числе 2 в изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 151 странице и включает: введение, семь глав, заключение, список литературы из 134 наименований, в том числе 2 на иностранном языке. В тексте содержится 15 таблиц и 11 иллюстраций.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю C.B. Третьякову за помощь в организации полевых исследований, формировании навыков комплексного подхода для решения поставленных задач и помощь на всех этапах выполнения диссертационной работы. Благодарность сотрудникам кафедры лесной таксации и лесоустройства С(А)ФУ имени М.В. Ломоносова C.B. Коптеву, С.А. Демиденко аспирантам И.В. Федотову, A.C. Ильинцеву. Отдельно автор выражает благодарность C.B. Ярославцеву и Р.Л. Дороднему.

1. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ЛЕСНЫЕ РЕСУРСЫ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Архангельская область расположена на северо-востоке Европейской части России. Территория расположена в атлантико-арктической области умеренного пояса. Лесистость территории, без островов Белого моря, Северного Ледовитого океана и Новой Земли, составляет 77,7%. Общая площадь лесного фонда 29,2 млн.га, всего лесопокрытая площадь 22,3 млн. га. Основной лесообразующей породой является ель обыкновенная и сосна

европейская, занимающие от общей площади соответственно 49,4 % и 26,9 %, береза 22,0 %, осина 1,2 %, лиственница 0,2 % .

Разнообразие природно-климатических условий, которые напрямую влияют на распространение лесообразующих пород, типов леса, состава, производительности лесов и т.д., явилось основой для районирования лесов России. В зависимости от природно-климатических условий определяются лесорастительные зоны, в которых расположены леса с относительно однородными лесорастительными признаками (лесорастительное районирование). Глубокое изучение вопросов, связанных с различиями продуктивности и других важнейших таксационных показателей, послужило основой для лесотаксационного районирования. В соответствии с районированием леса Архангельская область по признаку относительной однородности роста всех лесообразующих пород, а также одинаковой продуктивности объединены в один северо-восточный лесотаксационный район. Для лесотаксационного района в силу различий роста и продуктивности применяется разделение на подрайоны. В состав северо-восточного лесотаксационного района входят следующие подрайоны: притундровый, северо-таежный, средне-таежный и южно-таежный. Исследование проводилось в северо-таежном и средне-таежном лесотаксационном подрайоне северовосточного лесотаксационном района европейской части России.

2. МЕТОДИКА СБОРА ПОЛЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Подготовительный этап к полевым исследованиям включал в себя анализ литературных источников, лесоустроительных материалов (планшетов, таксационных описаний), анализ данных проведенных ранее полевых исследований. Были изучены проводимые ранее исследования закономерности роста лиственницы сотрудниками кафедры лесной таксации и лесоустройства С(А)ФУ имени М.В. Ломоносова, а также «Архангельского института леса и лесохимии» (в настоящее время ФБУ «СевНИИЛХ»).

Там, где были выявлены участки леса с наличием лиственницы Сукачева, было проведено натурное обследование с целью сравнения с таксационным описанием. Исследования проводили путем маршрутных обследований по заранее выбранному пути и закладки пробных площадей в соответствии с ОСТ 56-69-83.

На постоянных пробных площадях, заложенных ранее сотрудниками кафедры лесной таксации и лесоустройства (В.И. Калининым, C.B. Коптевым, C.B. Третьяковым), проводили повторные перечеты. Проводилось обследование мест после сплошных и выборочных рубок для оценки успешности предварительного и последующего возобновления.

До начала работ необходимо было определить, какую единицу классификации взять для изучения древостоев лиственницы, характеризующую всю однородность насаждений в различных возрастах. Такой «единицей классификации» является тип леса. Для исследований был выбран черничный тип леса, как наиболее часто встречающийся среди участков с преобладанием и

участием лиственницы Сукачева (Кашин, 1994), (Торхов, 2002), (Калинин, 1961).

3. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ПОЛЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Обработка полевых материалов, полученных с пробных площадей, проводилась по общепринятой методике (Соколов, 1978) с использованием стандартных программных пакетов (Microsoft Office), работа со спутниковыми снимками проводилась на базе ПО ScanEx IMAGE Processor, данные с GPS-навигатора обрабатывались стандартной программой для навигаторов Garmin -MapSource. Для визуализации пространственного расположения пробных площадей использовались ГИС приложения. Для нахождения оптимальных уравнений связи применялось прикладное программное обеспечение.

В полевой сезон 2011 - 2014 гг. были собраны экспериментальные материалы в древостоях I - V классов бонитета с участием и преобладанием лиственницы Сукачева.

Проведены повторные перечеты на постоянных пробных площадях, а также заложены временные пробные площади в количестве 13 шт. Заложены круговые площадки постоянного радиуса в количестве 57 шт. Проведено картирование крон лиственницы на 3 постоянных пробных площадях для выявления особенностей изображения их на космическом снимке сверхвысокого разрешения.

Автором или при его участии проведены измерения и анализ хода роста модельных деревьев различных размеров. Распределение модельных деревьев по диаметру и высоте представлено в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Распределение модельных деревьев по диаметру и высоте

Интервалы по диаметру, см Интервалы по высоте, м

8 11 14 17 20 23 26 29 32 35 ИТОГО

от до 10,9 13,9 16,9 19,9 22,9 25,9 28,9 31,9 34,9 37,9

4 7,9 2 3 5

8 11,9 1 2 7 10

12 15,9 4 3 9 I 17

16 19,9 2 11 1 14

20 23,9 1 1

24 27,9 1 1

28 31,9 2

32 35,9 1 1 2

36 39,9 1 5 1 7

40 43,9 1 1 2 4

44 47,9 0

48 51,9 1 1

ИТОГО 3 9 12 21 7 7 2 0 0 3 64

4. НОРМАТИВЫ ТАКСАЦИИ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ДРЕВОСТОЕВ

В соответствии с программой исследования закономерностей роста древостоев с участием и преобладанием лиственницы проведены следующие виды работ:

- собраны экспериментальные данные для разработки нормативов товарной структуры лиственничных насаждений для северо-восточного лесотаксационного района;

- проведен анализ существующих сортиментных и товарных таблиц, применяемых для таксации лиственничных древостоев в северо-восточном лесотаксационном районе;

- разработана нормативно-таксационная база для сортиментации и товаризации лиственничных древостоев в северо-восточном лесотаксационном районе.

Имеющиеся нормативы по лиственнице приведены в лесотаксационных справочниках (Калинин, 1965, Лесотаксационный справочник 1986, Лесотаксационный справочник 2012). В.И. Калининым разработаны таблицы объемов маломерных стволов лиственницы, эскиз таблиц хода роста и сортиментных таблиц.

Сортиментные и товарные таблицы для северо-востока Европейской части России отсутствуют. Необходимо составить и товарные таблицы для материальной оценки лесосек и при отводе и таксации лесосек круговыми реласкопическими площадками.

Полевые материалы диссертационного исследования явились основой для создания товарных и сортиментных таблиц, которые разработаны в рамках государственного задания № 8 «Совершенствование нормативно-таксационной базы лиственничных древостоев Европейского Севера» в 2011 - 2013 гг.

Сортиментные таблицы для лиственничников

Основным нормативом оценки качественной структуры древостоев являются сортиментные таблицы, составленные в объемных мерах или их соотношениях вне зависимости от структуры потребляемого сырья. Исходными материалами для составления таблиц послужил выход сортиментов по категориям крупности (в расчете на максимально возможный выход крупной и средней древесины) из модельных деревьев разных ступеней толщины и разрядов высот. Определение объема сортиментов проводили путем интегрирования образующей древесного ствола. Нижняя граница деловой древесины установлена по минимальной длине делового сортимента, допустимого стандартом на круглые лесоматериалы. Исследование соотношений качественных категорий годности деревьев показало, что количество деловых деревьев составляет более 90%. Основная масса деловых деревьев лиственницы имеет выход дровяной древесины от 1 до 6%.

Для разработки сортиментных таблиц использована шкала разрядов высот лиственничных древостоев Европейского Севера для применения во всех лесотаксационных подрайонах (Калинин, 1965). Проверка соответствия разрядной шкалы опытным материалам и сопоставления в едином масштабе

проведена методом относительных высот. Группировка опытных материалов по разрядам высот не показала достоверного различия. Для разработки сортиментных таблиц были получены модели разрядной шкалы: Н]=10,3+3,7557-0-0,1286"02; 112=0,99 Н2=9,2+3,4134-0-0,1286-02; 112=0,99 Н3=7,6+3,2300-0-0,1179-02; Ы2=0,99 Н4=5,9+3,1280-0-0,1176-Б2; К2=0,98 Где: Н| .. .Н4 - средняя высота по разрядам (1-4), м О - условные диаметры (1,2,3......15).

Сравнение объемов стволов по ступеням толщины разрядной шкалы с опытными данными показало, что расхождение не превышает 5%. Объемы стволов по ступеням толщины и разрядам высот для принятой шкалы выражаются уравнениями:

У,=0,0282-01927; Я2=0,995 У2=0,0264-01'908; Я2=0,997 У3=0,0236-01920; Я2=0,997 У4=0,0207-01938; Ы2=0,997 Где V].. - объем ствола по разрядам высот, м3;

О - условные диаметры (1,2,3......15).

Рабочие пределы О для всех моделей - от 8 до 64 см. Сортиментные таблицы разработаны на основе данных обработки модельных деревьев, рядов распределения и математических моделей, выравнивающих выход сортиментов по категориям крупности. Для выравнивания выхода крупной, средней и мелкой древесины использована дробно-рациональная функция: У=(а+Ьх)/(1+сх+ёх2), остальные категории - с помощью полиномиальных уравнений.

Сравнение предлагаемых сортиментных и товарных таблиц с разработанными ранее (Лесотаксационный справочник, 1986, Калинин, 1965) показывает существенное различие в выходе сортиментов со смещением в сторону крупных размеров. Это связано с различными подходами к разделке модельных деревьев на сортименты. В нашем случае - это максимально возможный выход сортиментов крупномерных категорий. Кроме того, со времени разработки действующих нормативов поменялись ГОСТы на круглые лесоматериалы (ГОСТ, 1990, ГОСТ, 1986).

Товарные таблицы для таксации лиственничных древостоев Европейского Севера

Анализ литературных источников показал, что особенности товарной структуры лиственничников на территории Архангельской области не отражены. На момент начала исследования требовалось разработать товарные таблицы по классам товарности.

Вопросами товарности занимался ряд ученых (Н.П. Анучин, 1968,И.И. Гусев,1992, П.В. Горский, 1962 и др.). Изучение товарной структуры лиственничных древостоев проводилось на пробных площадях.

Товарные таблицы являются в большей степени инструментом прогнозов и определения товарности. Тем не менее, они остаются востребованными в

лесоустроительной практике. В основе товарных таблиц лежит вероятность распределения числа деревьев насаждения по ступеням толщины и выход сортиментов, определенный для условного насаждения с использованием сортиментных таблиц.

Предлагаемые товарные таблицы разработаны в соответствии с общепринятой методикой (И.И.Гусев, 1992) для совокупности деловых и дровяных стволов в их различном соотношении для трех классов товарности. После проверки соответствия полученных полевых материалов для разработки товарных таблиц были использованы ряды распределения количества деревьев по ступеням толщины в лиственничных древостоях Европейского Севера, разработанные В.И. Калининым (1965). Сопоставление рядов распределения, построенных на основе опытных материалов, с указанными выше рядами с помощью критерия Колмогорова-Смиронова показало высокий уровень согласия для центральных градаций среднего диаметра древостоев и, соответственно, возможность их использования для разработки таблиц. Для автоматизации расчетов была использована прикладная компьютерная программа, разработанная сотрудниками кафедры лесной таксации и лесоустройства. Получены товарные таблицы для определения выхода сортиментов для лиственничных древостоев северо-восточного лесотаксационного района. Приведены два варианта товарных таблиц для лиственничных древостоев Европейского Севера с выходом по категориям крупности и по наименованиям основных сортиментов в процентах.

Товарные таблицы для таксации лиственничных древостоев методом круговых реласкопических площадок (для деловой части древостоя)

Широкое распространение среди методов таксации лесосечного фонда получил метод круговых реласкопических площадок. Это предполагает также и разработку новых нормативов для лиственницы применительно к данному методу. Предлагаемые товарные таблицы для таксации лиственничных древостоев методом круговых реласкопических площадок разработаны на основе новых сортиментных таблиц и рядов распределения для деловой части древостоев. В отличие от действующих нормативов древостой, отнесенные к разным средним диаметрам, предлагается дополнительно разделить по разрядам высот для повышения точности таксации. Дровяная часть древостоя при данном методе таксации учитывается отдельно и относится к дровяной древесине. Возможность получения из дровяных деревьев деловых сортиментов, технологического сырья и дров является отдельным вопросом и больше связана с технологическими возможностями деревообрабатывающих предприятий.

Использование современных измерительных приборов в лесоводственно-таксационных работах позволяет сократить время закладки одной круговой площадки за счет удобства инструмента.

5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РОСТ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ДРЕВОСТОЕВ

Лиственничные леса Архангельской области имеют естественное происхождение. Естественное возобновление проходит непрерывно, воздействие внешних факторов оказывает мошное влияние на интенсивность этого процесса. Особенно сильно сказывается на этом процессе, на территории Европейского Севера, влияние лесных пожаров. Устойчивость к огню лиственницы, рассмотренная рядом ученых (Мелехов, 1948, 1980, Филлипов, 1968, Кашин, 1994), благоприятствует распространению и сохранению этой породы во время низовых пожаров. Сохранившиеся после пожара семенники лиственницы являются источником семян. Появившийся самосев лиственницы способен занимать господствующее положение в формирующемся пологе древостоя. В старшем возрасте лиственница растет на 1-2 класса бонитета выше, чем остальные древесные породы на данном участке. Обследование пробных площадей показало, что древостой неоднократно подвергались пожарам разной интенсивности. Из этого следует, что лиственничные насаждения, как правило, послепожарного происхождения.

Разработка таблиц хода роста включала в себя моделирование роста насаждений и визуализацию данной информации в табличной форме, предназначенной для определения спелостей, возрастов рубок древостоев с целью организации рационального и оптимального лесопользования.

Существует несколько групп таблиц хода роста. Методика их составления наиболее подробно описаны П.В. Горским (1962), Н.П. Анучиным (1971). В.В. Антанайтисом и В.В. Тяберой (1982).

Особенностями составления математических моделей роста насаждений занимался ряд ученых: (Третьяков, 1952), (Разин 1977), (Филиппов, 1980), (Гусев, 1978).

Формирование и развитие смешанного древостоя находит свое отражение в динамике таксационных показателей, представленных в таблице хода роста смешанных лиственничных древостоев. Целью исследования явилось составление таблицы хода роста модальных насаждений. Таблица хода роста модальных насаждений представляет собой некоторую усредненную характеристику однородных групп существующих лесов некоторого региона, и их содержание в значительной мере зависит от предшествующего режима ведения лесного хозяйства. Таблица хода роста модальных насаждений описывает динамику реальных древостоев.

Для составления таблиц хода роста модальных лиственничных древостоев использовали материалы постоянных и временных пробных площадей, анализы хода роста модельных деревьев, массовые материалы глазомерной таксации, полученные в Архангельском, Лешуконском, Мезенском, Пинежском, Холмогорском, Обозерском лесничествах Архангельской области, а также Пинежском заповеднике. В процессе исследования были сформированы данные о модальных (наиболее часто встречающихся) насаждениях.

Динамика состава модальных лиственничных древостоев

После завершения процесса формирования древостоев в них продолжаются процессы, изменяющие их строение, форму и состав. Под пологом поселяется теневыносливая, способная сформировать второй ярус ель. В смешанных древостоях происходит постоянное изменение доли составляющих его пород, вследствие разной скорости роста, долговечности и способности противостоять взаимному влиянию. Средний состав смешанных лиственничных древостоев представляет собой смешанные древостой.

В результате проведенной работы была выделены особенности формирования и развития модальных насаждений лиственницы:

- с увеличением возраста лиственничных древостоев доля лиственницы в составе увеличивается, что говорит о долголетии данной породы, составляя более 300 лет;

- доля березы в смешанных древостоях во втором ярусе постепенно уменьшается, интенсивность ее роста снижается;

- сосна имеет относительно постоянную долю в запасе, что говорит об ее устойчивости в насаждении и долголетии;

- ель образует нижний ярус, со временем увеличивает долю в составе на всем протяжении развития древостоя и при естественном разреживании, занимает жизненное пространство и со временем может иметь доминирующее положение.

- до 20 летнего возраста лиственница способна не бояться небольшого затенения, поэтому она успешно произрастает с другими древесными породами;

- с 25 -30 лет рост лиственницы по высоте увеличивается. За короткое время она обгоняет другие древесные породы, занимает господствующее положение и не уступает его до конца жизни. (Калинин 1965).

Далее приведены модели, отражающие динамику изменения состава в модальных древостоях с преобладанием лиственницы: лиственница у=3,655+0,0031х

х - возраст, лет (значения интервала от 30 до 250); ель

у=3,0589-2,725-ехр(-6,056-хЛ1,975) сосна

у=( 1,201+0,0203х)/( 1 +0,0072х+0,0001 хл2) береза

у=5,1586ел(-0,00687х)

Состав древесных пород изменяется с течением времени. Таким образом, установили, что процесс изменения доли участия каждой породы в смешанном древостое происходит непрерывно.

Изменение среднего диаметра с возрастом

Средние таксационные показатели древостоев были сведены в сводную таблицу, диаметры по классам возраста были выровнены по уравнениям: Диаметр лиственницы

Олц=40,0" ехр((-(223,8-х)л2)/(2 • 115,1 л2)) где Б - диаметр, см; х - возраст древостоя, лет. Диаметр ели 0Е=36,1(1-ехр(-0,0051х) Диаметр сосны

Ос =36,7'ехр((-(222,25-х)Л2)/(2'113,73Л2)) Диаметр березы Об =21,4(1 -ехр(-0,013 7х)

Строение древостоев по диаметру имеет первостепенное значение, так как этот показатель определяет сортиментную и товарную структуру древостоя и тесно связан с другими характеристиками.

Изменение средней высоты с возрастом

Ход роста модальных насаждений лиственницы по высоте рассматривался по каждой породе отдельно, но в тесной связи друг с другом. В смешанных листвягах лиственница занимает лидирующее положение по всем показателям.

Рост лиственницы в высоту изучался по фактическим материалам глазомерной таксации и материалам пробных площадей. В результате данные были сгруппированы в табличной форме и вычислены уравнения связи, предпочтение отдавалось тем уравнениям, где основная ошибка была минимальной, а коэффициент корреляции максимальным, лиственница

Нлц= 31,502-ехр((-(197,508-х)л2)/(2-110,4Л2))

Сосна

Нс=24,909-ехр((-(219,23-х)л2)/(2-142,6л2))

Ель

НЕ =24,098 (1-ехр(-0,008х) Береза

НБ =21,321 (0,816-ехр(-0,027х))

Ель отстает в росте от сосны и лиственницы по высоте и диаметру, так как она постоянно испытывает на себе ее угнетающее влияние. Поэтому рост ели необходимо рассматривать в тесной связи с лиственницей. Береза также отстает от сосны и лиственницы, но в отличие от ели не способна образовать основной ярус, так как доля ее постоянно уменьшается из-за биологических особенностей.

6. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ДЕШИФРИРОВАНИЯ ЛИСТВЕННИЦЫ СУКАЧЕВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ СНИМКОВ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Объектом исследования явилось изучение особенностей изображения крон лиственницы по данным спутниковой съемки сверхвысокого разрешения и на основе исследований разработка алгоритма дешифрирования лиственницы

Сукачева с использованием мультиспектральных спутниковых снимков сверхвысокого разрешения.

Целью проведения исследования является создание алгоритма автоматизированного выделения лиственницы на снимках сверхвысокого разрешения на территорию ЕУЛХ САФУ имени М.В. Ломоносова.

Для достижения поставленной цели использовались снимки сверхвысокого разрешения GeoEye-1 (пространственное разрешение до 0,5 м на пиксель, спектральное разрешение: 3 видимых диапазона и ближний инфракрасный) на территорию Емцовского учебно-опытного лесхоза САФУ имени М.В. Ломоносова.

В настоящее время традиционным способом определения лиственницы является визуальное или аналитическое дешифрирование, которое основано на глазомерном анализе дешифровщиком её особенностей. Изображение обрабатывается невооруженным глазом путем опознания прямых и косвенных дешифровочных признаков. К прямым относится: тон (цвет), форма, размер, размещение, тени, рисунок (структура) (Сухих, 2007). Лиственница имеет узкую крону, хвоя имеет светло-зеленый цвет, «рыхлая» разреженная крона, верхушечная часть у старых деревьев, как правило, наклонена. Форма проекции крон звездчатая, несимметричная, неправильно округлая. При распознавании лиственницы в сомкнутых насаждениях следует обращать внимание также на то, что отраженный солнечный свет несет информацию не только о разреженной кроне лиственницы, но и о втором ярусе, зачастую меняя тон в зависимости от его состава и структуры напочвенного покрова.

При сборе и обработке полевого материала с помощью современного лесотаксационного оборудования была составлена схема расположения крон лиственницы на пробных площадях (далее по тексту ПП). Сбор и обработка полевого материала на ПП осуществлялась согласно общеизвестной методике в соответствии с ОСТ 56-69-83 и рекомендациями H.H. Соколова (1978). Обследованы объекты: постоянные пробные площади, постоянный лесосеменной участок, вырубки различных лет давности с оставленными семенниками лиственницы.

Данные полевых исследований указывают на то, что все насаждения с преобладанием лиственницы имеют высокую полноту и продуктивность, все исследуемые насаждения являются смешанными.

На основе выделенных эталонов крон был применен алгоритм бинарной классификации. Классический алгоритм бинарной классификации позволяет выполнить разделение всех входных данных (в данном случае - значений яркости пикселей снимка) всего на 2 класса (0 - не относится к классу; 1 -относится к классу). Как показывает практика, большинство задач классификации может быть сведено к бинарным, при их использовании удается упростить модель и снять некоторые ограничения, связанные с большим числом возможных состояний выходных значений. Кроме этого, бинарные модели являются более понятными и интерпретируемыми.

Описание исследований и полученных результатов.

На первый взгляд, результаты работы алгоритма сильно ограничены и велика вероятность потери части данных (ввиду неоднородности лесной среды). Но при выполнении бинарной классификации есть возможность расчета вероятности отнесения каждого классифицируемого объекта (пикселя) к целевому классу

Результат работы алгоритма: сетка растра, значениями ячеек которого является вероятность принадлежности пикселя к искомому классу.

Следующим этапом выполнялось экспериментальная оценка порогового значения с целью отсечение пикселей, для которых мала вероятность принадлежности к классу «лиственница». Данная оценка проводилась вновь с использованием данных, собранных в полевых условиях. Было установлено, что достаточным порогом достоверности является 0,5.

Завершающим этапом выполнения алгоритма является векторизация полученных классифицированных областей.

Отмечается высокая достоверность полученных данных по результатам сравнения с полевыми исследованиями.

Разработанная методика была использована при проведении дешифрирования данных спутниковой съемки СеоЕуе-1 территории Емцовского учебно-опытного участкового лесничества. Была получена схема расположения крон лиственниц на исследуемой территории.

Приведенные исследования позволяют прогнозировать количество деревьев лиственницы, ранее произраставшей на месте сплошной рубки, и соблюдение экологических требований при лесопользовании в местах произрастания редких видов. Данные методы вполне эффективны при использовании спектрозональных снимков высокого разрешения при наличии данных о тоне изображения породы на снимке.

7. ОРГАНИЗАЦИЯ ХОЗЯЙСТВА В ДРЕВОСТОЯХ С УЧАСТИЕМ И ПРЕОБЛАДАНИЕМ ЛИСТВЕННИЦЫ СУКАЧЕВА

Интенсивная лесоэксплуатация привела к сокращению покрытых площадей ценными хвойными насаждениями. Предприятия, расположенные в районах, прилегающих к железным дорогам и судоходным рекам, испытывают трудности в получении крупномерного высококачественного сырья для производства пиломатериалов. В настоящее время крупные ненарушенные лесные массивы сохранены в северо-восточной части Архангельской области, а именно на территории муниципальных районов Пинежский, Мезенский и Лешуконский и на территории Республики Коми. Значительные расстояние до пункта переработки делают эксплуатацию на данных участках затрудненной в данных экономических условиях, однако эта ситуация может измениться с возрастанием спроса на крупномерную древесину. Стоит отметить, что именно в этих районах сосредоточены большая часть всех лиственничников Архангельской области. Разработка мер по сохранению данной породы является важной задачей для сохранения биологического разнообразия и

повышения эффективности производительных сил природы в условиях северотаежного района Европейской части России при заготовке древесины.

Высокопродуктивные смешанные древостой лиственницы Сукачева представляют высокий интерес с точки зрения заготовки древесины, однако неразумное пользование может привести к ускорению исчезновения данной породы в северо-таежном районе Европейской части России.

Низкая устойчивость против ветровалов на открытых местах, невысокая всхожесть семян требует разработки мер по содействию возобновления данной породы на лесосеках. Лиственница растет, как правило, в составе сложных смешанных древостоев, достигая наибольшей продуктивности на участках с выходом на поверхность карбонатных пород. Ведение хозяйства оправданно в том случае, если будут проведены меры по содействию возобновления лиственницы и сосны как наиболее ценных древесных пород. Рубки лесных насаждений с участием лиственницы осуществляются в форме выборочных и сплошных рубок.

Сплошная рубка

При этом виде рубки древостой вырубается полностью за один прием. В отличие от выборочной, сплошная рубка вносит заметные изменения в характер ландшафта. Сплошная рубка - наиболее распространенная форма организации заготовки древесины, отличается относительной простотой организации. Этот вид рубок проводится на площади, не превышающей 50 га. Вырубается весь древостой, на корню остается лишь малая часть древостоя (подрост, тонкомер, семенные куртины).

Рекомендуется проведение сплошной рубки с частичной минерализацией почвы и сохранение источников обсеменения лиственницы в количестве 30-50 шт/га или более.

В спелых и перестойных древостоях высших классов бонитета наиболее целесообразными с экономической точки зрения являются сплошные рубки. Сплошная рубка позволяет максимально концентрировать силы и средства на конкретном участке лесного фонда, упрощает организацию всех видов деятельности: начиная с отвода лесосек, механизации лесозаготовки и заканчивая лесовосстановительньши работами.

Постепенная рубка

К системе постепенных рубок относятся все виды рубок, при которых спелый древостой вырубается на лесосеке в несколько приемов в течение одного или двух классов возраста с формированием в процессе рубки насаждения из второго яруса и подроста предварительного и (или) сопутствующего возобновления.

Постепенные рубки характерны и должны проводиться в сосново-лиственничных древостоях, они хорошо закрепляют сосну и лиственницу на данной территории, если проведены правильно. Наилучший эффект этот вид рубок достигается в зеленомошных типах леса.

Для содействия естественному возобновлению рекомендуется частичная минерализация почвы, так с данной задачей может справиться оператор многооперационной техники (форвардера или харвестера) путем частичной

минерализации почвы на расстоянии 50 м до семенников лиственницы на участках с отсутствием подроста без заезда в пасеки.

Выборочные рубки в смешанных древостоях

Выборочные способы рубок являются самыми экологически щадящими с точки зрения воздействия на лесную среду, поэтому их применение приветствуется природоохранными организациями. Однако в некоторых условиях проведение выборочных рубок может привести к развалу насаждений и потере технических свойств древесины в насаждении. Таким образом, ведение выборочного хозяйства всегда связано с риском потери части древостоя и при назначении насаждений в выборочную рубку необходимо учитывать этот риск. Особенно важен учет типологических условий, от которых зависит устойчивость насаждений. При проведении выборочных рубок в эксплуатационных лесах важно учитывать возраст каждого элемента леса, так как реакция на изреженность деревьев разного возраста у различных древесных пород отличается (Алексеев, 1948).

Рассмотрен опыт проведения выборочной рубки в 1967 с начальным составом, так в результате проведения рубки образовался древостой I ярус 4СЗЕ2Лц1Б,

II ярус: 8Е1С1Б. По результатам обследования образовался древостой с составом 5ЕЗС2Б, видно, что на месте сосново-елово-лиственничного древостоя сформировался ельник с примесью старовозрастной сосны и березы. В данном случае стоит отметить, что лиственница не входит в состав (рассмотрено обследование в 2009 г), поэтому можно судить о том, что оставленные семенники лиственницы не выполнили свои функции лесовозобновления лиственницей. Первоначальный запас, который был до рубки, восстановился, что говорит о возможности проведения следующего этапа рубки. Это в первую очередь рубка спелой части ели и крупномерных деревьев сосны с оставлением семенников сосны, как наиболее ценной с хозяйственной точки зрения.

Сочетание разных способов рубок. Комбинированные и комплексные рубки в смешанных древостоях

Возможно сочетание сплошных, выборочных и постепенных рубок, когда они проводятся в насаждении в пределах одного выдела. Их называют комбинированными рубками, а если они сочетаются с рубками ухода за насаждением, то комплексными (Мелехов, 1989).

Даются рекомендации о целесообразности использования данных видов рубок для организации лесосечных работ.

Организация ухода за лесом

Проведение рубок ухода может повысить экономическую эффективность лесного хозяйства при правильном планировании и проведении прореживания и проходных рубок (Романюк и др., 2004).

Применение в практике лесного хозяйства опыта организации и проведения рубок ухода поможет быстрее решить важнейшую проблему -повысить продуктивность лесных экосистем и восстановить ценные сосново-лиственнично-еловые леса Европейского Севера России.

В 2014г. были обследованы опытные рубки ухода, которые проведены в Северном опытном участковом лесничестве Обозерского лесничества на объектах C.B. Алексеева и рассмотрены исследования, проводившиеся ранее на данных объектах (Зяблов, Третьяков, 2008). Рубки ухода проводились в 1951 году в 15 летнем смешанном молодняке, в состав которого входили лиственница, сосна, ель, береза и осина. Насаждение сформировалось на месте пожара, прошедшего по вырубке 1935 года. Опыт заложен в трех вариантах, площадь каждого из которых составила 1,8 гектара и контроля 0,25 га. Общая площадь участка 5,65 га. Данный участок расположен в 67 квартале недалеко от станции Обозерская. Рубка проводились по 3 вариантам. В 2003 году были проведены повторные уходы с оставлением контрольных участков в каждом варианте. По каждому варианту опытов получены данные в 2014г и сделаны выводы.

Проведенные рубки ухода в хвойно-лиственных молодняках показывают их высокую эффективность в формировании состава будущего древостоя. Применение различных вариантов рубок ухода позволяют достичь принятых целей лесовыращивания и повышения продуктивности смешанных насаждений.

Возобновление лиственничных насаждений на Европейском севере России

Вопрос, затрагивающий естественное возобновления лиственницы, поднимался рядом исследователей (Мелехов, 1989; Калинин, 1965; Кашин, Козобродов, 1994, Наквасина, 2008). Затруднение в естественном возобновлении лиственницы связано с множеством факторов: необходимость для нормального опыления ксеногамии, тяжелая пыльца, отсутствие воздушных мешков у пыльцы, затруднения в прорастании семян из-за толстой лесной подстилки и слабой всхожести семян. Так из-за недостаточного внимания лесоводов лиственница, естественно произрастающая на севере европейской части России, является регрессирующим видом. Это во многом объясняется крайне низким качеством семян, причиной чего большинство исследователей считают высокую самостерильность данной породы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявлены закономерности формирования товарной и сортиментной структуры лиственничных древостоев.

- Разработана таблица хода роста модальных древостоев лиственницы на территории Архангельской области.

Проведена оценка рубок ухода направленных на формирование чистых и смешанных древостоев лиственницы. Установлено, что смешанные древостой позволяют эффективнее использовать условия места произрастания.

- Для раннего обнаружения лиственницы в насаждениях при проектировании промышленного освоения участков лесного фонда выделены прямые и косвенные признаки дешифрирования крон лиственницы по материалам космической съемки сверхвысокого разрешения.

Ведение хозяйства в древостоях с участием лиственницы Сукачева направлено на формирование чистых и смешанных по составу насаждений, что возможно при условии, если будут проведены меры по содействию естественному возобновления лиственницы. Самой эффективной мерой содействия является сохранение семенников в количестве 30-50 или более штук на 1 га с частичной минерализацией почвы в местах с отсутствием самосева и на расстоянии не далее 50 метров до семенников лиственницы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Коптев, C.B. Сортиментные таблицы для лиственничных древостоев Европейского севера / C.B. Коптев, C.B. Третьяков, А.П. Богданов // Вестник САФУ. 2014. №3. С. 59.. (Издание из списка ВАК);

2. Богданов, А.П. Нормативы таксации для лиственничных древостоев Европейского севера/ А.П. Богданов, C.B. Коптев, C.B. Третьяков // Вестник САФУ. - 2014. -№4. - С. 55.. (Издание из списка ВАК);

Статьи в других изданиях

3. Ильинцев, A.C. Возобновление лиственницы в Обозерском лесничестве на вырубке с минерализацией и без минерализации почвы / A.C. Ильинцев, А.П. Богданов, C.B. Третьяков // Экологические проблемы Арктики и северных территорий: Межвузовский сборник научных трудов САФУ имени М.В. Ломоносова - Архангельск, 2011 -вып.14- 127-132.

4. Третьяков, C.B. Роль корабельных лесов севера в пионерном освоении Арктики и субарктических территорий / C.B. Третьяков, H.A. Бабич, А.П. Богданов // История изучения и освоения Арктики - от прошлого к будущему: Сборник материалов научной конференции с международным участием, САФУ имени М.В. Ломоносова. - Архангельск, 2012. - С.293-295.

5. Богданов, А.П. Распространение лиственницы Сукачева в Архангельской области / А.П. Богданов // Материалы XII Перфильевских научных чтений, посвященных 130- летию со дня рождения Ивана Александровича Перфильева(1882 - 1942). Изучение, охрана и рациональное использование растительного покрова Арктики и сопредельных территорий. -Архангельск, 2012. - С.99-101.

6. Третьяков, C.B. Нормативы для таксации лиственничных древостоев, произрастающих на границе ареала их естественного распространения (Архангельская область) / C.B. Третьяков, C.B. Коптев А.П. Богданов, A.C. Дубинин, A.A. Бахтин //Материалы 3-й Международной научно-практической конференции по лесному реестру, государственной инвентаризации лесов и лесоустройству. - Новосибирск, 2013. - С. 232-236.

7. Богданов, А.П. Использование материалов детальной спутниковой съемки для таксации лиственницы сибирской в Архангельской области / А.П. Богданов, С.А. Демиденко, P.A. Алешко, C.B. Третьяков //Материалы Международной науч.-практич. конф. // ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА -Пермь, 2013.-С. 173-177.

8. Федотов, И.В. Нормативы для отвода и таксации лесосек в лиственничных древостоях методом круговых реласкопических площадок// И.В. Федотов, A.C. Ильинцев, А.П. Богданов // Материалы Всерос. конф. с междунар. участием. - Хабаровск, 2013. - С.222-224.

9. Федотов, И.В. Формирование состава лиственничных насаждений после добровольной выборочной рубки в Емцовском учебно-опытном участковом лесничестве Обозерского лесничества/ И.В. Федотов, А.П. Богданов, C.B. Третьяков // Экологические проблемы Арктики и северных территорий. Межвузовский сборник научных трудов. - Архангельск, 2013-вып.16 - С. 167-169.

10. Демиденко, С.А. Особенности дешифрирования лиственницы Сукачева на территории Архангельской области по материалам детальной спутниковой съемки /С.А. Демиденко, А.П. Богданов, A.C. Ильинцев, И.В. Федотов // Экологические проблемы Арктики и северных территорий. Межвузовский сборник научных трудов. - Архангельск, 2014. - вып.17 - С. 177 - 181.

11. Третьяков, C.B. Совершенствование нормативов таксации в целях устойчивого лесоуправления / C.B. Третьяков, C.B. Коптев, А.П. Богданов, С.А. Демиденко // Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения. Материалы Международнойконф. посвящ. 180-летию науч. издания «Лесной журнал». - Архангельск, 2014. - С. 248-251.

Подписано в печать 07.10.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2953

Издательский дом САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56