Зависимость фитомассы деревьев сосны от диаметра в сосняках черничных

УДК 630*52

ФЕКЛИСТОВ Павел Александрович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и защиты леса лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 236 научных публикаций, в т. ч. 6 монографий

КУННИКОВ Фёдор Александрович, аспирант кафедры экологии и защиты леса лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор одной научной публикации

КЛЕВЦОВ Денис Николаевич, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры экологии и защиты леса лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 20 научных публикаций, в т. ч. одной монографии

ХАБАРОВА Елена Павловна, аспирант кафедры экологии и защиты леса лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор одной научной публикации

ЗАВИСИМОСТЬ ФИТОМАССЫ ДЕРЕВЬЕВ СОСНЫ ОТ ДИАМЕТРА В СОСНЯКАХ ЧЕРНИЧНЫХ

Проблема биологической продуктивности в учении об экосистемах (в т. ч. лесных) порождает ряд исследований, связанных с целым комплексом вопросов образования, трансформации и аккумулирования органического вещества, включая анализ факторов, обуславливающих продуктивность.

Результаты проведенного исследования актуальны с практической точки зрения, поскольку различные фракции фитомассы древостоев имеют большое хозяйственное значение. Полученные данные позволяют оценивать потенциал традиционно неиспользуемых фракций фитомассы, а также могут быть использованы при осуществлении лесного мониторинга и экологических программ.

Были изучены сосновые черничные насаждения естественного и искусственного происхождения, произрастающие в северной подзоне тайги Европейского Севера России. Фитомасса определялась путем непосредственного взвешивания по фракциям: сухих сучьев, сырых веток, древесной зелени, ствола в коре и без нее.

Приведены данные о взаимосвязи фитомассы разных фракций деревьев сосны с их таксационным диаметром на высоте 1,3 м в естественных сосняках и лесных культурах. Определена теснота связи. Выявлены уравнения, наилучшим образом описывающие эти зависимости. Проанализированы полученные модели и составлены таблицы для определения надземной фитомассы.

Теснота связи между таксационным диаметром дерева на высоте груди и фитомассой отдельных фракций высокая и очень высокая.

© Феклистов П.А., Кунников Ф.А., Клевцов Д.Н., Хабарова Е.П., 2014

БИОЛОГИЯ

Больше всего для описания зависимости фитомассы фракций от диаметра подходит степенная функция

у = ахь

Регрессионные модели взаимосвязи фитомассы разных фракций с диаметром на высоте 1,3 м для деревьев в посевах сосны и сосновых естественных насаждениях близки.

Выявлена высокая корреляционная зависимость между диаметром деревьев и массой фракций, которая с возрастом увеличивается.

Ключевые слова: надземная фитомасса, диаметр, уравнения зависимостей, естественные насаждения, лесные культуры, сосняки черничные, северная подзона тайги.

Фитомасса деревьев является важным показателем для оценки чистой первичной продуктивности лесных экосистем [9]. Определение фитомассы связано с трудоемкими работами непосредственно в лесу, в связи с чем является важным исследование взаимосвязей разных фракций фитомассы с легко измеряемыми показателями. Существует большое количество публикаций по вопросу взаимосвязей массы фракций отдельных деревьев с диаметром на высоте груди, высотой, поперечным сечением, показателем D2H, а также возрастом и др. Например, М.Л. Дворецкий [5] занимался изучением показателей связи между высотой и фитомассой, И.В. Семечкин и М.Г. Семечкина [8] исследовали зависимость между диаметром, площадью сечения, D2Н и массой фракций фитомассы, Н.А. Бабич и ГИ. Травникова [2] рассматривали связь между возрастом и массой фракций фитомассы. А.Ф. Чмыр и В.Н. Куликова [11] доказали, что между показателем D2Н и массой отдельных фракций фитомассы ели разных категорий угнетенности имеется достаточно тесная связь. В то же время на Европейском Севере этот вопрос изучен недостаточно [1], что объясняется, в частности, региональными особенностями роста деревьев [7, 12].

Для изучения фитомассы нами были заложены пробные площади в естественных сосновых насаждениях на территории Иса-когорского участкового лесничества (4 участка) и в культурах сосны, находящиеся в Усть-Двинском участковом лесничестве Ар-

хангельского лесничества (2 участка). Посев лесных культур сосны был произведен в 1962 году. Все пробные площади представляют собой насаждения черничного типа леса, чистые по составу, с небольшой примесью березы и смешанные.

При проведении полевых исследований применялись общепринятые методики исследований лесных культур [6] и естественных насаждений [3, 4, 10].

После общего изучения насаждений были взяты 46 модельных деревьев, по 6-7 из разных ступеней толщины. После валки у них замеряли длину ствола, расстояние от комля до первого сухого и первого живого сучков, протяженность кроны, диаметр на высоте 1,3 м. Затем модели тщательно изучались по элементам фитомассы в сыром виде путем взвешивания по фракциям: сухих сучьев, сырых веток, древесной зелени, ствола в коре и без нее. Взвешивание проводилось с точностью ±100 г.

Анализ полученных данных показал, что между таксационным диаметром и фракциями фитомассы существует довольно тесная корреляционная связь (табл. 1). Теснота связи характеризуется как высокая и очень высокая. Все рассчитанные коэффициенты достоверны. критерий Стьюдента колеблется от 7-8 до 1600 при критическом значении 4. Более стабильные и высокие показатели имеет зависимость между диаметром деревьев и фитомассой стволовой древесины. коэффициенты корреляции колеблются от 0,919 в естественных сосняках черничных до 0,996 в лес-

Таблица 1

ТЕСНОТА СВяЗИ МЕжДУ ДИАМЕТРОМ ДЕРЕВьЕВ СОСНы И ФИТОМАССОй фракций

Класс возраста Происхождение насаждения Коэффициент корреляции Основная ошибка Достоверность коэффициента корреляции Коэффициент детерминации Теснота связи

Диаметр и масса сухих сучьев

2 Естественное 0,926 0,0400 24,4 0,8575 Очень высокая

3 Естественное 0,916 0,0462 19,8 0,8391 Очень высокая

4 Естественное 0,985 0,0116 233,4 0,9702 Очень высокая

2 Лесные культуры 0,767 0,0921 8,3 0,5776 Высокая

3 Лесные культуры 0,783 0,1167 6,7 0,6131 Высокая

Диаметр и масса сырых ветвей

2 Естественное 0,963 0,0192 50,0 0,9274 Очень высокая

3 Естественное 0,870 0,0704 12,4 0,7569 Высокая

4 Естественное 0,994 0,0043 218,5 0,9880 Очень высокая

2 Лесные культуры 0,874 0,0747 13,0 0,7639 Высокая

3 Лесные культуры 0,896 0,0623 14,4 0,8028 Высокая

Диаметр и масса древесной зелени

2 Естественное 0,926 0,0379 24,4 0,8575 Очень высокая

3 Естественное 0,916 0,0467 19,6 0,8391 Очень высокая

4 Естественное 0,994 0,0455 310,2 0,9880 Очень высокая

2 Лесные культуры 0,913 0,0526 17,4 0,8336 Очень высокая

3 Лесные культуры 0,937 0,0369 25,4 0,8780 Очень высокая

Диаметр и масса коры

2 Естественное 0,983 0,0090 109,8 0,9880 Очень высокая

3 Естественное 0,976 0,0138 70,7 0,9525 Очень высокая

4 Естественное 0,999 0,0006 1639,0 0,9980 Очень высокая

2 Лесные культуры 0,907 0,0562 16,1 0,8226 Очень высокая

3 Лесные культуры 0,999 0,0006 1639,0 0,9980 Очень высокая

Диаметр и масса стволовой древесины

2 Естественное 0,919 0,0415 22,1 0,8446 Очень высокая

3 Естественное 0,977 0,0133 73,7 0,9545 Очень высокая

4 Естественное 0,996 0,0321 310,2 0,9920 Очень высокая

2 Лесные культуры 0,995 0,0250 38,2 0,9841 Очень высокая

3 Лесные культуры 0,996 0,0321 310,2 0,9920 Очень высокая

Примечание. Корреляционное отношение не рассчитывалось из-за недостатка данных.

ных культурах. Интересно, что теснота связи фитомассы этой фракции с диаметром увеличивается с возрастом как в естественных насаждениях, так и в культурах. Например, если во 2-м классе возраста теснота связи оценивалась коэффициентом корреляции 0,919, то в 4-м классе - уже 0,996.

Коэффициент детерминации свидетельствует о том, что в естественных насаждениях во 2-м классе возраста фитомасса древесины на 84 % обусловлена диаметром ствола, а в 4-м классе возраста - уже на 99 %. В лес-

лена другими причинами. По-видимому, это связано с размещением деревьев по площади и густотой культур.

Анализируя пригодность 29 регрессионных уравнений для отражения связи фракций фитомассы с диаметром деревьев на высоте груди, можно отметить, что для характеристики изучаемых нами сосновых насаждений наиболее подходят четыре. Лучшие результаты дает степенное уравнение, которое используется в 18 случаях из 30 (60 %) (табл. 2).

Таблица 2

пригодность моделей регрессионной зависимости массы фракций

ФИТОМАССы ОТ ДИАМЕТРА, число случаев/%

Модель регрессии Фракции фитомассы Всего

сухие сучья сырые ветви древесная зелень кора стволовая древесина

у = аеЬх 1/3 - - - - 1/3

у = а + Ьх + сх2 1/3 1/3 1/4 - - 3/10

у = ахЬ 1/3 3/10 3/10 5/17 6/20 18/60

у = а + Ьх + сх2 + dх3 3/10 2/7 2/7 - 1/3 8/27

ных культурах этот показатель выше. В тех же классах возраста фитомасса древесины обусловлена диаметром на 98-99 % и лишь на 1-2 % другими причинами.

Фракции древесной зелени и коры также имеют очень высокую зависимость от диаметра ствола. Коэффициенты корреляции для зависимости «диаметр - масса древесной зелени» находятся в пределах 0,913-0,994, а для зависимости «диаметр - масса коры» - 0,907-

0,999.

В естественных сосняках черничных отмечена тесная связь массы сухих сучьев и сырых ветвей с диаметром. В то же время в лесных культурах эти зависимости более слабые. Масса сухих сучьев зависит от диаметра лишь на 58-61 %, а масса сырых ветвей - на 76-80 %, примерно на 20-40 % она обуслов-

Общий вид этого уравнения: у = ахь. Также хорошо отражает рассматриваемые зависимости уравнение у = а + Ьх + сх2 + dх3 (27 %), особенно при определении массы кроны (сырые ветви и древесная зелень, сухие сучья).

На основе степенного уравнения у = ахЬ были созданы регрессионные модели взаимосвязи фракций фитомассы сухих сучьев, ветвей, древесной зелени, древесины и коры от таксационного диаметра деревьев. Оказалось, что и для культур, и для естественных древостоев модели фактически одинаковы. Различаются они лишь тем, что для лесных культур крайне мало или нет данных фитомассы разных фракций для крупных диаметров. Причина этого состоит в том, что фактически в культурах не было деревьев с крупными диаметрами. Для наиболее важ-

см

Рис. 1. Зависимость фитомассы древесины от диаметра деревьев в естественных насаждениях

СМ

Рис. 2. Зависимость фитомассы древесины от диаметра деревьев в лесных культурах

ной составляющей фитомассы - древесины -модели и для культур, и для естественных насаждений дают один и тот же результат (рис. 1 и 2). В связи с этим остальные модели мы приводим только для естественных сосняков черничных (рис. 3 и 4).

На основании полученных данных нами составлены таблицы для определения разных

фракций фитомассы деревьев сосны в сосняках черничных по диаметру деревьев на высоте груди (табл. 3, 4).

В результате проведенных нами исследований сделаны следующие выводы:

1) Теснота связи между диаметром дерева на высоте груди и фитомассой отдельных фракций высокая и очень высокая, коэффици-

а

б

Рис. 3. Зависимость фитомассы коры деревьев (а) и древесной зелени (б) от диаметра в естественных насаждениях

см

а

см

б

Рис. 4. Зависимость фитомассы ветвей деревьев (а) и сухих сучьев (б) от диаметра в естественных насаждениях

ент корреляции находится в интервале от 0,767 до 0,999. Достоверность этого коэффициента корреляции - от 6,7 до 1638,0;

2) Наилучшие результаты для построения моделей зависимости фитомассы фракций от диаметра дает степенная функция у = ахЬ;

3) Установлено, что регрессионные модели взаимосвязи фитомассы (сухие сучья, ветви, древесная зелень, древесина и кора) и диаметра

на высоте груди для деревьев в культурах и для сосны естественных насаждений близки;

4) Между диаметром деревьев в древостоях и массой фракций существует высокая корреляционная зависимость, а с возрастом она становится более тесной;

5) Получены таблицы для определения фракций фитомассы деревьев по диаметру на высоте груди.

Таблица 3

фитомасса фракций отдельных деревьев сосны разного диаметра в естественных насаждениях в сосняках черничных

Диаметр, см Фитомасса, кг

сухие сучья ветви древесная зелень древесина кора общая

4 0,19 0,16 0,71 3,26 0,66 4,98

6 0,48 0,50 1,81 9,87 1,80 14,46

8 0,83 1,14 3,51 21,66 3,23 30,37

10 1,28 2,16 5,87 39,83 4,93 54,07

12 1,88 3,63 8,93 65,54 6,91 86,89

14 2,68 5,64 12,75 99,84 9,17 130,08

16 3,73 8,27 17,34 143,78 11,71 184,83

18 5,08 11,57 22,75 198,33 14,54 252,27

20 6,77 15,64 29,01 264,45 17,64 333,51

22 8,85 20,53 36,14 343,07 21,02 429,61

Таблица 4

фитомасса фракций отдельных деревьев сосны разного диаметра в лесных культурах в сосняках черничных

Диаметр, см Фитомасса, кг

сухие сучья ветви древесная зелень древесина кора общая

4 0,13 * 0,89 3,47 0,68 5,17

6 0,16 0,51 2,14 9,62 1,43 13,86

8 0,21 1,54 3,99 19,84 2,44 28,02

10 0,32 2,82 6,46 34,78 3,69 48,07

12 0,55 4,37 9,59 55,02 5,17 74,70

14 0,93 6,19 13,40 81,09 6,88 108,49

16 1,52 8,26 17,90 113,47 8,81 149,96

Примечание. * - ветви входят в состав древесной зелени.

Список литературы

1. Бабич Н.А., Мерзленко М.Д. Биологическая продуктивность лесных культур. Архангельск, 1998. 89 с.

2. Бабич Н.А., Травникова Г.И. Структура фитомассы сосняков искусственного происхождения борового экологического ряда // Лесн. журн. 1990. № 3. С. 10-16.

3. ГОСТ 16128-70. Площади пробные лесоустроительные. Метод закладки. М., 1971. 23 с.

4. ГОСТ 56-69-83. Площади пробные лесоустроительные. Метод закладки. М., 1984. 60 с.

5. Дворецкий М.Л. Пособие по вариационной статистике. М., 1971. 104 с.

6. Огиевский В.В., Хиров А.А. Обследование и исследование лесных культур. Л., 1967. 49 с.

7. Полевой справочник таксатора для таежных лесов Европейского Севера / И.И. Гусев, В.И. Калинин, О.А. Неволин, Н.М. Нефедов и др. Вологда, 1971. 196 с.

8. СемечкинаМ.Г., СемечкинИ.В. Оценка методов определения надземной фитомассы сосновых древостоев // Исследования биологических ресурсов средней тайги Сибири. Красноярск, 1973. С. 105-115.

9. Усольцев В.А. Фитомасса и первичная продуктивность лесов Евразии. Екатеринбург, 2010. 572 с.

10. Феклистов П.А., СоболевА.Н. Лесные насаждения Соловецкого архипелага (структура, состояние, рост). Архангельск, 2010. 201 с.

11. Чмыр А.Ф., Куликова В.Н. Лесные культуры: программа и методические указания по использованию ЭВМ при обработке полевых материалов. Л., 1990. 22 с.

12. Чупров Н.П. Лесотаксационный справочник для северо-востока европейской части СССР. Архангельск, 1986. 258 с.

References

1. Babich N.A., Merzlenko M.D. Biologicheskaya produktivnost’ lesnykh kul’tur [Biological Productivity of Artificial Forest Stands]. Arkhangelsk, 1998. 89 p.

2. Babich N.A., Travnikova G.I. Struktura fitomassy sosnyakov iskusstvennogo prois-khozhdeniya borovogo ekologicheskogo ryada [Phytomass Structure of Artificial Pine Stands]. Lesnoy zhurnal, 1990, no. 3, pp. 10-16.

3. State Standard 16128-70. Sample Forest Plots. Establishment Method. Moscow, 1971. 23 p. (in Russian).

4. Industry Standard 56-69-83. Sample Forest Plots. Establishment Method. Moscow, 1984. 60 p. (in Russian).

BHO^OrHH

5. Dvoretskiy M.L. Posobiepo variatsionnoy statistike [Handbook on Variation Statistics]. Moscow, 1971. 104 p.

6. Ogievskiy V.V., Khirov A.A. Obsledovanie i issledovanie lesnykh kul’tur [Examination and Study of Artificial Forest Stands]. Leningrad, 1967. 49 p.

7. Gusev I.I., Kalinin V.I., Nevolin O.A., Nefedov N.M., et al. Polevoy spravochnik taksatora dlya taezhnykh lesov Evropeyskogo Severa [Afforestation Inspector’s Reference Book for Taiga Forests of the European North]. Vologda, 1971. 196 p.

8. Semechkina M.G., Semechkin I.V Otsenka metodov opredeleniya nadzemnoy fitomassy sosnovykh drevostoev [Evaluation of Methods of Determining Aboveground Phytomass of Pine Stands]. Issledovaniya biologicheskikh resursov sredney taygi Sibiri [Research on Bioresources of Siberia’s Middle Taiga]. Krasnoyarsk, 1973, pp. 105-115.

9. Usol’tsev VA. Fitomassa i pervichnaya produktivnost ’ lesov Evrazii [Phytomass and Primary Productivity of Eurasian Forests]. Yekaterinburg, 2010. 572 p.

10. Feklistov P.A., Sobolev A.N. Lesnye nasazhdeniya Solovetskogo arkhipelaga (struktura, sostoyanie, rost) [Forest Stands of the Solovetsky Archipelago (Structure, Status, Growth)]. Arkhangelsk, 2010. 201 p.

11. Chmyr A.F., Kulikova V.N. Lesnye kul tury: programma i metodicheskie ukazaniya po ispol’zovaniyu EVMpri obrabotke polevykh materialov [Artificial Forest Stands: A Program and Guidelines on the Use of Computers for Field Data Processing]. Leningrad, 1990. 22 p.

12. Chuprov N.P. Lesotaksatsionnyy spravochnik dlya severovostoka evropeyskoy chasti SSSR [Forest Inventory Guide for the North-East of the European Part of the USSR]. Arkhangelsk, 1986. 258 p.

Feklistov Pavel Aleksandrovich

Forestry Engineering Institute, Northern

Kunnikov Fedor Aleksandrovich

Postgraduate Student, Forestry Engineering Institute, Northern

Klevtsov Denis Nikolaevich

Forestry Engineering Institute, Northern

Khabarova Elena Pavlovna

Postgraduate Student, Forestry Engineering Institute, Northern

DEPENDENCE OF PINE TREE PHYTOMASS ON ITS DIAMETER IN BLUEBERRY PINE FORESTS

The problem of biological productivity in the study of ecosystems (including forest ones) gives rise to a number of researches dealing with a whole set of issues on organic matter formation, transformation and accumulation, including the analysis of productivity factors.

The conducted study is of great practical significance, as various phytomass fractions of stands have considerable economic importance. The data obtained allow us to evaluate the potential of biomass fractions traditionally unused and can be applied in forest monitoring and environmental programs.

We studied both natural and artificial blueberry pine stands growing in the northern taiga subzone of the European North of Russia. The phytomass was determined by weighing in fractions: dry twigs, raw branches, wood greens, trunk with the bark and without it.

The paper presents data on the correlation between the phytomass of various pine tree fractions and their diameter at a height of 1.3 m in natural and artificial pine stands. The closeness of this correlation was determined. Equations describing these correlations were developed. The obtained models were analyzed and tables were compiled to determine the aboveground phytomass.

The correlation between the tree diameter at breast height and phytomass of individual fractions is close and very close.

Dependence of fraction phytomass on diameter is best described by the power function y=axb. Regression models of the correlation between the phytomass (dry twigs, branches, tree foliage, wood and bark) and diameter at breast height are close both for natural and artificial pine stands.

There is a close correlation between tree diameter and fraction mass, which is getting even closer with age.

Keywords: aboveground phytomass, diameter, dependency equation, natural stand, artificial stand, blueberry pine forest, northern taiga subzone.

Контактная информация: Феклистов Павел Александрович адрес: 163002, г. Архангельск, Наб. Северной Двины, д. 17;

e-mail: feklistov@narfu.ru Кунников Фёдор Александрович адрес: 163002, г. Архангельск, Наб. Северной Двины, д. 17;

e-mail: fdr1989@mail.ru Клевцов Денис Николаевич адрес: 163002, г. Архангельск, Наб. Северной Двины, д. 17;

e-mail: d.klevtsov@narfu.ru

Хабарова Елена Павловна адрес: 163002, г. Архангельск, Наб. Северной Двины, д. 17;

e-mail: alena.khabarova2010@yandex.ru

Рецензент - Бабич Н.А., доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры ландшафтной архитектуры и искусственных лесов лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова