Расчёт приходной части углеродного баланса при постепенных рубках древостоев основных лесообразующих пород

Расчёт приходной части углеродного баланса при постепенных рубках древостоев основных лесообразующих пород

А.И. Колтунова, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ; В.А. Азаренок, кт.н, профессор, В.А. Усольцев,

д.с.-х.н., профессор, Уральский ГЛТУ

Концепция устойчивого развития включает в себя в качестве составных элементов проблему стабилизации углеродного баланса путём облесения территорий, введения системы природощадящих технологий рубок и замены ископаемого топлива возобновляемой лесной фитомассой. В этой связи правомерен интерес к процессам накопления фитомассы в тех древостоях, где проводятся экологизированные постепенные рубки.

Закономерности изменения линейных характеристик прироста древостоя и подроста, текущего объёмного прироста изучены достаточно полно [1, 2], то же следует сказать и о взаимосвязях текущего прироста запаса и полноты древостоев [3, 4]. Однако динамика среднепериодического текущего изменения фитомассы древостоев в связи с колебаниями полноты последних пока ещё не исследована в полной мере [5]. Что же касается исследований динамики текущего из-

менения фитомассы по фракциям после проведения рубок древостоя, то такие изыскания являются пионерными.

Расчёт приходной части углеродного баланса насаждений при проведении постепенных рубок осуществлён по материалам пробных площадей на основе таблиц биологической продуктивности [6], разработанных с использованием ТХР: Д.В. Миловановича — сосна, ель, берёза, III класса бонитета, а также — нормальные пихтарники Уфимского плато Башкирии; нормальные естественные лиственничники Центральной Башкирии; нормальные осиновые насаждения Центрального горного района Урала, III класса бонитета.

Возраст рубки хвойных в расчётах принят в

VI классе возраста (110 лет), лиственных — в

VII классе (70 лет). Расчёт прироста фракций фитомассы и запасов депонированного углерода проведён применительно к способам рубок:

а) выборка 20% запаса — первый приём длительно-постепенных рубок;

б) выборка 30% запаса — первый приём двухприемных равномерно-постепенных рубок;

в) выборка 50% запаса — первый приём двухприёмных равномерно-постепенных рубок.

Поскольку текущее изменение надземной фитомассы древостоев с относительной полнотой менее единицы, выраженное в долях текущего изменения фитомассы максимально сомкнутого древостоя, взаимосвязано с соотношением запасов стволовой древесины этих насаждений, то установить величину текущего изменения фракций фитомассы и депонированного углерода после проведения рубок возможно на основе следующего уравнения:

/ Zpucx=

где Zpi — текущее изменение (прирост) фракции фитомассы после рубки, т/га в год;

Zp исх — текущее изменение (прирост) фракции фитомассы до рубки, т.е. в исходном возрасте, т/га в год;

M — запас древостоя после рубки, м3/га; Мисх — запас древостоя до рубки, м3/га; и — показатель, который наиболее тесно коррелирует с процентной величиной выборки запаса при рубке.

В случае, когда величина текущего изменения фракции фитомассы после рубки снижается, показатель и имеет положительное значение, если же прирост возрастает, и приобретает отрицательное значение.

Связь указанного показателя с величиной выборки запаса (в нашем случае — от 10 до 50%) достаточно точно отражает уравнение полинома второго порядка в полулогарифмических координатах:

y = a + b  lnx + c + lnx2,

где y = и, x — величина выборки запаса, %.

Представленное уравнение обеспечивает высокий уровень аппроксимации исходных данных и, поскольку отражает взаимосвязи относительных величин процесса депонирования углерода древостоями, от породного состава последних не зависит. То же утверждение справедливо и для базового уравнения (1), где в левой части дана доля изменения прироста, а в правой — величина соотношения запасов, возникших после проведения рубки.

Характеристика параметров уравнения (2) приведена в таблице 1.

1. Характеристика параметров уравнения

Фракция фитомассы a b c R2

Ствол Ветви Хвоя (листва) Нижний ярус -2,2895 -0,4751 0,1236 -3,0601 0,8780 -0,0262 -0,6827 0,8293 -0,0855 0,0279 0,1493 -0,0353 0,917 0,881 0,932 0,982

Уравнения могут быть использованы в прогнозных расчётах только при условии снижения

относительной полноты древостоя после рубок не ниже 0,5. Величины показателя степени и для уравнения (1) приведены в таблице 2.

2. Показатель и уравнения (1) по фракциям фитомассы

Фракция фитомассы Выборка запаса при рубках, %

20 30 50

Ствол Ветви Хвоя (листва) Нижний ярус -0,4266 -0,3031 -0,5821 -0,8922 -0,2924 -0,2413 -0,4718 -0,6474 -0,1633 -0,1504 -0,2629 -0,3556

Таксационная и продукционная характеристики в исходном (VI и VII классы) и контрольном (VII и VIII классы) возрасте взяты по соответствующим таблицам биологической продуктивности и представляют собой сведения о накопленных запасах стволовой древесины и фитомассы, а также — текущем изменении (приросте) запасов и фракций фитомассы (2р исх) в древостоях до рубки — т.е. в исходном состоянии (хвойные — 110 лет, лиственные — 70 лет), и соответствующей динамике показателей без проведения рубок — т.е. контрольный вариант (соответственно 130 и 90 лет).

При проведении рубок характеристика древостоя закономерно изменяется, уменьшается на величину выборки запас, пропорционально снижается фитомасса фракций. Исходная величина нижнего яруса в прогнозных расчётах условно оставлена без изменений.

Анализ данных показывает, что изменение запасов фитомассы по фракциям зависит от породы. Общей закономерностью следует считать снижение среднепериодического текущего изменения фитомассы ствола и ветвей в VII и

VIII классах возраста.

Что касается среднепериодического текущего изменения хвои (листвы) и нижнего яруса, здесь представлены разнонаправленные тенденции, которые могут быть обусловлены как влиянием эдафических факторов, так и статистическими особенностями исходных таблиц хода роста.

Прогноз накопления фитомассы и депонирования углерода после рубок проведён по уравнениям (1, 2), для чего уравнение (1) преобразовано следующим образом:

2р1 = Яр исх

а расчет показателей фитомассы по фракциям на период прогноза осуществлён по соотношению:

Р

где Р — запас фитомассы отдельных фракций после рубки в конце периода прогноза, т/га; Рисх — запас фитомассы отдельных фракций до рубки, т/га;

2р1 — прогнозируемый текущий прирост фитомассы после рубки, т/га-год;

N — период прогноза, лет.

Соотношение запасов до и после рубки в возрасте 110 лет по хвойным и 70 лет по лиственным породам в прогнозных расчётах — 0,8;0,7 и 0,5. Расчёт прогнозируемого текущего прироста фракций (^(-) фитомассы по породам осуществлён по уравнению (1а). В реализуемой прогнозной модели заложено возрастание темпов среднепериодического текущего изменения фракций фитомассы после проведения рубок на основе экспертных оценок данных пробных площадей и материалов базы данных по фитомассе лесов основных лесообразующих пород Северной Евразии [7].

Сравнение данных прогноза прироста после рубок с контрольными в возрасте прогноза показывает, что превышение достигает 50% и более в зависимости от фракций фитомассы и породы. Так, по сосне увеличение темпов изменения массы ствола составляет при выборке запаса от 20 до 50%, соответственно — 39—40%, массы ветвей — 27—30%, массы хвои — 34—38%, массы нижнего яруса — 12—16%. У ели возрастание прироста массы ствола близко к сосне — 38—39%, однако остальные фракции после проведения рубок резко активизируют прирост, так, ветви — от 45 до 47%, хвоя — 42—45%, нижний ярус — 48—50%. У лиственницы темп увеличения массы после проведения рубок ниже, стволы — 35—37%, ветви — 28—30%, хвоя — 54—55%, нижний ярус — 28—31%. Аналогичные тенденции изменения среднепериодического текущего прироста и у других пород. Наибольший темп увеличения массы ствола и ветвей у пихты (58 и 71%), наименьший — у осины (24 и 25%). Активизация накопления массы хвои наибольшая у лиственницы, наименьшая — у пихты. Нижний ярус: по темпам лидируют осинники, в аутсайдерах — сосняки.

Прогноз накопления фитомассы насаждениями через 20 лет после проведения рубок в древостоях рассчитан по уравнению (3). Анализ прогнозных данных в сравнении с контролем позволяет констатировать, что в возрасте 130 лет сосновые насаждения после выборки 20% запаса в 110 лет накопили 85,5% углерода по сравнению с контрольными насаждениями, при выборке 30% запаса — 76,8%, при выборке 50% - -59,4%.

Таким образом, увеличение общей надземной фитомассы в сосняках в течение 20 лет после рубки составляет +5,5; +6,8; +9,4% от контроля с учетом снижения его массы на величину выборки. Это превышение по другим породам достигает соответствено: по ели — +5,3; 6,4; 8,6%; по лиственнице — +3,5; 4,3; 5,9%; по пихте — + 5,8; 6,3; 7,0%; по березе — + 10,8; 12,7; 16,3%; по осине — +5,0; 6,3; 8,8%. Наиболее значительные показатели возрастания общей фитомассы в березняках после рубок следует

объяснить тенденциями изменений показателей соответствующих ТХР, а также, возможно, биологическими особенностями породы.

Верификация прогнозных расчётов осуществлена по данным пробных площадей, где относительная полнота после проведения рубок была не менее 0,5. Фитомасса по фракциям на пробных площадях рассчитывалась по конверсионным коэффициентам (Кх = Р(/М ) соответствующих таблиц хода роста в исходном и прогнозном возрасте.

Контрольные прогнозные характеристики получены на основе зафиксированной в процессе наблюдений на пробных площадях (контрольные секции) величины среднепериодического текущего изменения запасов, конвертированной в величины текущего изменения фитомассы по фракциям, т.е. Ярисх, и расчётов по уравнению (1а).

Пробные площади № 19—22 объединены общей контрольной секцией, данные которой использованы для расчёта прогнозируемого прироста фитомассы (^ (). Запас на контрольной секции в 110 лет составил 407 м3/га, через 23 года он достиг 473 м3/га, среднепериодическое текущее изменение запаса — 2,87 м3/га-год. Среднепериодическое текущее изменение фракций фитомассы, как контрольного варианта, так и прогнозные расчёты для 20, 30 и 50% выборки запаса при рубке представлены в таблице 3.

3. Среднепериодическое текущее изменение фракций фитомассы на контрольной секции и прогноз

Фракции фитомассы Текущее изменение фитомассы, т/га-год

исходный вариант (контроль) прогноз при доле выборки запаса, %

20 30 50

Ствол Ветви Хвоя (листва) Нижний ярус 1,2025 0,1205 0,0550 0,0550 1,3226 0,1289 0,0626 0,0672 1,3347 0,1313 0,0651 0,0693 1,3466 0,1337 0,0660 0,0704

Пробная площадь №21: запас в исходном возрасте (110 лет) составил после вырубки =20% — 315 м3/га. Через 23 года после рубки запас достиг 386 м3/га. Пробная площадь №20: исходный запас (110 лет) — 276 м3/га (после выборки =30%), через 23 года после рубки — 352 м3/га. Пробная площадь №22: выборка запаса в 110 лет =50%, оставшийся исходный запас — 200 м3/га, на момент прогноза — 261 м3/га. Пробная площадь №19: при проведении рубок вырублено =10% запаса, который составил в возрасте 110 лет 363 м3/га, в возрасте 133 года — 436 м3/га.

Продукционная характеристика древостоев пробных площадей исходного (110 лет), контрольного (133 года) и прогнозного (133 года) вариантов приведена в таблице 4. Следует указать, что прогноз осуществлён только для

первого приёма постепенных рубок. Снижение полноты при втором приёме ниже 0,5 не позволяет осуществить прогноз по предложенной модели. Анализируя данные таблицы 4, характеризующей адекватность прогнозных расчётов данным пробных площадей, следует указать, что при выборке 10% исходного запаса фитомассы прогноз осуществлён с точностью до -2,5%, при выборке 20% — -2,5%, при выборке 30% — -3,3%, при выборке 50% — +1,1% по общей фитомассе насаждения, что в среднем дает погрешность -1,8%. По фракциям фитомассы расхождения имеют большую величину, общей тенденцией является занижение древесной массы (ствол, ветви) и завышение массы хвои и нижнего яруса при вырубке 10—30% древостоя и незначительное превышение показателей всех фракций при вырубке 50% запаса древостоя.

Так, масса ствола по прогнозу ниже на 3,0; 3,3 и 4,2%, при выборке исходного запаса — соот-

4. Фитомасса пробных площадей №19—22

Фитомасса, т/га

Фракции контроль в возрасте прогноз

110 лет 133 года 133 года

Пробная площадь №19

Ствол 152,10 184,00 178,56

Ветви 15,25 18,31 17,83

Хвоя (листва) 6,90 7,41 8,15

Нижний ярус 7,01 8,72 8,35

Итого 181,26 218,44 212,89

Пробная площадь №21

Ствол 131,09 162,89 157,55

Ветви 13,23 16,21 15,81

Хвоя (листва) 5,99 6,36 7,62

Нижний ярус 6,08 7,72 7,42

Итого 157,19 193,18 188,40

Пробная площадь №20

Ствол 115,64 148,54 142,34

Ветви 11,60 14,78 14,23

Хвоя (листва) 5,24 5,98 6,54

Нижний ярус 5,33 7,04 7,32

Итого 138,41 176,34 170,43

Пробная площадь №22

Ствол 83,80 110,14 110,73

Ветви 8,40 10,96 11,08

Хвоя (листва) 3,80 4,44 5,12

Нижний ярус 3,86 5,22 5,27

Итого 99,86 130,76 132,20

ветственно 10; 20 и 30% и превышает контроль при выборке 50% запаса на 0,5%, по массе ветвей расхождения находятся в диапазоне — -2,5— -3,7% при небольших долях выборки запаса и +1,1% при изъятии половины запаса древостоя. Прогноз массы хвои завышает контрольные её цифры во всех случаях от +9 до +20%, наибольшее превышение в варианте с выборкой 20% запаса. Масса нижнего яруса прогнозируется с занижением до 4% при малых долях выборки исходного запаса и превышает контроль до 4% при выборке 30—50%.

Таким образом, прогнозирование накопления массы надземной части насаждения достаточно адекватно отражает этот процесс, позволяя получить продукционную характеристику фракций фитомассы с точностью ±5%, за исключением массы хвои (листвы), где имеет место систематическое завышение контрольных цифр. Последнее обстоятельство связано с отсутствием эмпирических данных по воздействию разреживания на характер накопления зелёной массы древостоя и завышенными экспертными оценками этого события.

В целом можно констатировать, что предложенная модель расчёта приходной части углеродного баланса после проведения постепенных рубок, точнее 1-го их приёма, при условии снижения относительной полноты древостоя не ниже 0,5, обеспечивает достаточную надёжность прогноза с лагом 20 лет.

Литература

1. Безгина Ю.Н. Лесоводственно-экономическая эффективность постепенных рубок в сосняках Южной подзоны тайги Урала: автореф. дисс.... канд. с.-х. наук, Екатеринбург: УГЛТА, 2001. 18 с.

2. Куликов Г.М., Агафонов Е.Ю., Козинец В.А. Прирост древесины сосны обукновенной после выборочных рубок в лесостепи Западной Сибири // Леса и лесное хозяйство Западной Сибири. Вып. 8. Тюмень: Изд-во Тюм ГСХА, 2008. С. 20—32.

3. Науменко И.М., Тарасевич В.И. Возрасты и способы рубок сосновых насаждений Северного Казахстана // Науч. зап. Воронежского лесотехнического института, 1956. Т. 15.

4. Хлюстов В.К. Закономерности текущего прироста сосняков Казахского мелкосопочника: автореф. дисс.. канд. с.-х. наук. Красноярск, 1986. 20 с.

5. Усольцев В.А. Рост и структура фитомассы древостоев. Новосибирск: Наука, 1988. 254 с.

6. Усольцев В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: база данных и геграфия. Екатеринбург: УрОРАН, 2001. 708 с.

7. Усольцев В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: нормативы и элементы географии. Екатеринбург: УрОРАН, 2002. 762 с.