Моделирование компонентов фитомассы и определение накопления углерода в полезащитных лесных насаждениях Украины

р- Аграрный вестник Урала № 10 (116), 2013 г. —«

Лесное хозяйство

УДК 630*181.351

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ФИТОМАССЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАКОПЛЕНИЯ УГЛЕРОДА В ПОЛЕЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ УКРАИНЫ

в. в. мороз,

научный сотрудник,

институт агроэкологии и природопользования национальной академии аграрных наук

Ключевые слова: полезащитные насаждения, модель, фитомасса, углерод, ствол, кора, листья, ветки.

Аннотация. В статье рассматривается одна из основных проблем современности связанная с антропогенной деятельностью — это выбросы парниковых газов в атмосферу, особенно диоксида карбона. Улучшение экологической ситуации в Украине в сегодняшнее время связывают с лесными экосистемами, именно они имеют способность поглощать углерод с атмосферы и надолго его связывать в себе, а также продуцировать кислород в атмосферу. В сегодняшнее время почти не изучена углеродопоглощающая роль полезащитных лесных насаждений дуба обыкновенного Quercus robur L. Поэтому, в своих исследованиях мы сосредоточили внимание на изучении надземной фитомассы дуба и количестве абсорбированного ими углерода. На основании исследуемых данных в Правобережной Лесостепи Украины, проведен корреляционный анализ между объемом фракций фитомассы ствола и коры с таксационными показателями — высотой и диаметром дерева. Данный анализ показал тесную взаимосвязь между данными показателями, что дало возможность смоделировать уравнение зависимости. С помощью регрессионного анализа путем установления двух-факторных математических зависимостей нами разработан комплекс уравнений надземных компонентов фитомассы за отдельными фракциями, а именно — ствол, кора, ветви, листья. На основании полученных данных составлены информационно-нормативные таблицы оценки надземной фитомассы и содержания углерода в полезащитных дубовых лесонасаждениях. Для оценки биопродуктивности дуба обыкновенного составлены однофакторные математические уравнения конверсионных коэффициентов в зависимости от возраста насаждения. Используя конверсионные коэффициенты, ними дана сравнительная характеристика накопления фитомассы и поглощенного углерода дубовыми полезащитными насаждениями и массивными лесонасаждениями в условия Правобережной Лесостепи Украины.

research fellow,

Institute of agroecology and environmental National academy of agricultural sciences

Keywords: field-protecting plantings, model, phytoweight, carbon, trunk, bark, leaves, branches.

Abstract. In article one of the main problems of the present bound to anthropogenous activity is considered — these are emissions of greenhouse gases in the atmosphere, especially carbon dioxide. Improvement of an ecological situation in Ukraine in today's time connect with forest ecosystems, they have ability to absorb carbon from the atmosphere and for a long time it to connect in themselves, and also to produce oxygen in the atmosphere. In today's time is almost not studied the role of the shelterbelts forest plantations Quercus robur L. in carbon absorption. Therefore, in the researches we concentrated attention on studying of elevated phytoweight of an oak and amount of the carbon absorbed by them. On the basis of studied data in the Right-bank Forest-steppe of Ukraine, a correlation analysis between the volume of fractions of phytoweight of a trunk and bark with taxation indexes — height and diameter of a tree is carried out. This analysis showed close interrelation between these indexes that gave the chance to simulate the dependence equation. From the regression analysis by establishing two-factor dependency we have developed complex mathematical equations overground phytomass components for individual factions, namely, trunk, bark, branches, leaves. On the basis of the obtained data informational and normative tables of an assessment of elevated phytoweight and carbon content in field-protecting oak afforestations are made. For an assessment of a bioproductivity of an oak ordinary the one-factor mathematical equations of conversion coefficients depending on age of planting are worked out. Using conversion coefficients, they gave the comparative characteristic of accumulation of phytoweight and the absorbed carbon oak field-protecting plantings and large afforestations in conditions of the Right-bank Forest-steppe of Ukraine.

MODEL OPERATION OF COMPONENTS OF PHYTOWEIGHT AND DEFINITION OF CARBON STOCKS IN FIELD-PROTECTING FOREST PLANTINGS OF UKRAINE

V. V. MOROZ,

^^^. - Аграрный вестник Урала №10 (116), 2013 г.-* ^^ ^ ^

Лесное хозяйство т5л

Экологические проблемы современности связанные со значительным влиянием человека на экосферу. В результате антропогенной деятельности на территории Украины, по данным метрологических наблюдений последнего периода среднегодовая температура превышает норму на 0,5-1,3 оС, увеличение температуры зависит от выбросов парниковых газов, особенно диоксида карбона. Основные надежды по выводу избытка углерода из атмосферы и тем самым решение проблемы парникового эффекта ученые связывают с лесными экосистемами.

Как известно [2, 5], площадь 1 га средне продуктивного леса связывает за год 6-7 т углекислого газа и выделяет 5-6 т кислорода. Основная масса углерода которая находится на земном шаре накапливается в растениях, 92 % содержится в лесных экосистемах, в растениях всех других экосистем суши аккумулировано только около 7 % углерода, а в растительных организмах океана — меньше 1 %. В биомассе лесов содержится 1,5 раза больше углерода чем в атмосфере, а в лесном гумусе в 4. Увеличение земельных площадей под лесами, как и повышение их производительности, способствовало бы если не нейтрализации, то замедлению процессов накопления углерода в атмосфере, так как лесные насаждения являются главным наземным поглотителем углекислого газа.

Одна из главных пород полезащитного лесоразведения в Украине — дуб обыкновенный. Изучение количества накопления углерода полезащитными лесными насаждениями дуба обыкновенного невозможно осуществить без определения надземной фитомассы. При изучении биологической производительности и структуры фитомассы древостоев используют научные дисциплины: экология, лесоводство и лесная таксация.

Цель и методика исследований.

Цель исследования — математическое моделирование и разработка нормативно-информационного обеспечения оценки фитомассы и количество поглощенного углерода надземными компонентами дуба обыкновенного.

Процесс разработки нормативов для оценки надземной фитомассы дуба обыкновенного в полезащитных лесонасаждениях включает несколько этапов: сбор, обработка и анализ данных.

Объект исследования — полезащитные лесные насаждения Правобережной Лесостепи Украины. На 31 пробной площади было отобрано 75 модельных деревьев в возрасте от 12 до 35 лет диаметром от 2,2 до 21,8 см и высотой от 3,2 до 15,1 м.

Лесотаксационные исследования проводили за методиками, разработанными А. И. Пилипенко, В. Ю. Юх-

новским и др. [3], при изучении биологической продуктивности насаждения использовались методики П. И. Лакиды, В. А. Усольцева, С. В. Залесова, А. И. Уткина [1, 2, 4, 5].

Результаты исследований.

Моделирование фитомассы осуществлялось регрессионным методом путем установления одно- и многофакторных зависимостей от лесотаксацион-ных признаков насаждений (диаметр, высота). Корреляционный анализ показал тесную связь между объемом фракций фитомассы ствола и основными таксационными показателями (табл. 1).

Самая тесная связь характерна для объемов фракций фитомассы диаметра дерева на высоте 1,3 м = 0,93-0,95). Средняя теснота корреляционной связи отмечена между объемами фракций фитомас-сы и возрастом = 0,67-0,68). Для разработки моделей оценки фракций фитомассы ствола дуба принимали таксационные показатели с высокими коэффициентами корреляции.

модели оценки фракций фитомассы ствола дуба обыкновенного в единицах объема в зависимости от высоты и диаметра ствола на высоте 1,3 м приведены ниже.

Модель 1. Объем ствола в коре:

Модель 2. Объем ствола без коры: Х^9 Х/Л™;

^=8x10"

модель 3. Объем коры:

,0,337

= 1x10^ ХйЛ82 У..Н

Уравнения характеризуются высоким коэффициентом детерминации = 0,99), что подтверждает адекватность и точность определения объема ствола и коры.

Фитомассу ствола без коры и самой коры учитывали в абсолютно сухом состоянии. При этом использовали базисную плотность вещества, которая для ствола дуба обыкновенного полезащитных насаждениях составляет 677 кг (м3)-1, а для коры 579 кг (м3)-1 [6]. Кроме того, для моделирования надземной фитомассы учитывали фитомассу листьев и веток в абсолютно сухом состоянии.

модель 4. Фитомасса листьев:

т„

: 9,5x10

Модель 5. Фитомасса веток:

и =3,6x10^ х^хй0-383.

Таблица 1

Коэффициенты корреляции таксационных показателей ствола дуба и компонентов их фитомассы

Таксационные показатели деревьев Коэффициенты корреляции с объемом

ствола без коры (Убк), м3 коры ствола (К), м3 ствола в коре (Уст), м3

Возраст (а), лет 0,676 0,674 0,681

Высота (И), м 0,824 0,781 0,822

Диаметр на высоте 1,3 м (с[), см 0,947 0,934 0,952

— Аграрный вестник Урала № 10 (116), 2013 г. - ^ ^^^

Лесное хозяйство т

Таблица 2

Надземная фитомасса деревьев дуба обыкновенного, кг

Диаметр, см Высота, м

6 8 10 12 14 16 18 20 22

6 8 10 - - - - - - -

8 15 18 20 - - - - - -

10 23 27 31 35 - - - - -

12 33 39 45 51 - - - - -

14 45 54 62 69 76 - - - -

16 - 71 81 91 100 109 - - -

18 - 91 104 116 128 139 - - -

20 - 114 130 145 160 174 188 - -

22 - - 159 178 196 213 229 - -

24 - - 193 215 237 257 276 295 -

26 - - 231 257 282 306 329 351 -

28 - - 272 303 332 360 387 413 438

30 - - - 354 388 420 451 481 510

Таблица 3

Количество углерода в надземной фитомассе деревьев дуба, кг

Диаметр, см Высота, м

6 8 10 12 14 16 18 20 22

6 4 5 - - - - - - -

8 7 9 10 - - - - - -

10 11 14 16 18 - - - - -

12 16 19 23 25 - - - - -

14 23 27 31 35 38 - - - -

16 - 35 41 45 50 55 - - -

18 - 45 52 58 63 69 - - -

20 - 57 65 73 79 87 94 - -

22 - - 79 89 98 106 114 - -

24 - - 96 107 118 128 138 147 -

26 - - 115 128 141 153 164 175 -

28 - - 136 151 166 179 193 206 219

30 - - - 176 193 209 225 240 255

За результатами моделирования составлена нормативная таблица (табл. 2) для определения надземной фитомассы дуба обыкновенного в абсолютно сухом состоянии.

Нормативы позволяют установить количество углерода, который накапливается отдельными компонентами фитомассы в процессе фотосинтеза. Для определения углерода нами были использованы переводные коэффициенты, установленные Matthews G. [6] Значения коэффициентов для древесины и коры деревьев составляют 0,50, для листьев — 0,45.

По результатам проведенных расчетов были разработаны нормативы содержания объема углерода в надземной фитомассе дуба обыкновенного (табл. 3).

Разработанные нормативы определения надземной фитомассы дуба обыкновенного в полезащитных лесных насаждениях дают возможность оценить биопродуктивность дуба за фрагментами фитомас-сы, а также определить запас углерода в надземной фитомассе дерева.

На современном этапе для изучения фитомассы (углерода) в лесных системах чаще всего используют переводные коэффициенты. Метод конверсионного коэффициента позволяет оценивать запасы фитомас-сы на основе статистических данных от отдельного дерева до целого региона насаждения. Конверсионный коэффициент, то есть отношение массы фракции к запасу древостоя в коре впервые был предложен ф. Флури, позже он получил широкое применение среди исследователей:

,

кк =

М

где КК — конверсионный коэффициент; М^ — фитомасса фракции, кг; М — запас древостоя в коре; а, Ь — постоянные коэффициенты, значения которых приведены в табл. 4; А — возраст насаждения, годы.

Для полученных математических моделей характерны высокие коэффициенты детерминации = 0,92-0,99).

. - Аграрный вестник Урала №10 (116), 2013 г.-. ^^ ^ ^

Лесное хозяйство т3л

Таблица 4

Числовые значения коэффициентов регрессии для таксационных показателей дуба обыкновенного

фракции дуба обыкновенного (для расчетов конверсионных коэффициентов) Значения коэ< )фициентов Коэффициент детерминации

а b

Древесина 2,8 х 10-3 1,62 0,92

Кора 1,9 х 10-3 1,24 0,95

Ветки 0,2 х 10-4 2,62 0,97

Листья 0,6 х 10-3 1,13 0,99

При сравнении количества поглощенного углерода дубовыми массивными лесными насаждениями и дубовыми полезащитными насаждениями указывает на то, что полезащитные лесные насаждения на 1 га площади при одинаковом древесном запасе гораздо больше накапливают надземную фитомассу и абсорбируют углерод, чем дубовые массивные лесонасаждения (рис. 1).

Выводы.

Разработанные математические модели объемов ствола и коры, фитомассы веток и листьев, а также нормативно-информационные таблицы дают возможность оценить количество надземной фитомассы дуба обыкновенного в полезащитных лесных насаждениях. Математические уравнения конверсионных коэффициентов дают возможность оценить биопродуктивность дуба, как отдельного лесонасаждения, так и целого массива.

Сравнительная характеристика дуба обыкновенного в полезащитных лесополосах и массивных лесонасаждениях указывает на то, что полезащитные насаждения имеют значительный потенциал относительно снижения количества углерода в атмосфере. Поэтому своевременным и актуальным является вопрос о сохранении и увеличений полезащитных насаждений на территории Украины.

Литература

1. Лакида П. I., Лащенко А. Г., Лащенко М. М. Бюлопчна продуктившсть дубових деревосташв Подшля : монографiя. Ктв : ННЦ 1АЕ, 2006. 196 с.

2. Лакида П. I. Фггомаса лгав Украши : монографiя. Тернотль : Збруч, 2002. 256 с.

3. Пилипенко О. I., Юхновський В. Ю., Дударець С. М., Малюга В. М. Лiсовi мелюрацп : тдручник. / за наук. ред. В. Ю. Юхновського. К. : Аграрна освгта, 2010. 283 с.

4. Усольцев В. А. Залесов С. В. Методы определения биологической продуктивности насаждений : монография. Екатеринбург : Урал гост. лесотехн. ун-т, 2005. 147 с.

5. Уткин А. И. Методика исследований первичной биологической продуктивности лесов. Биологическая продуктивность лесов Поволожья. М. : Наука, 1982. С. 59-72.

6. Ходаш А. М. Надземна фггомаса дуба звичайного у полезахисних люових смугах Схвдного Полюся i Центрального Люостепу : автореф. дис. на здобуття наукового ступення канд. с.-г. наук : спец. : 06.03.02 «Люовпорядкування та люова таксащя». К., 2010. 20 с.

7. Matthews G. The Carbon Contents of Trees // Forestry Commission. Tech. Paper 4. Edinburgh, 1993. 21 p.

References

1. Lakida P. I., Lasenko A. G., Lasenko M. M. Biological productivity of oak derevostaniv of Podillya : monograph. Kiev : NSC IAE, 2006. 196 p.

2. Lakida P. I. Fitomasa forests : monograph. Ternopil : Zbruch, 2002. 256 p.

3. Pylypenko O. I., Yukhnovsky V Y., Dudarec S. M., Maliuha V. M. Forest reclamation : tutorial. for scientific editors Yukhnovsky V. Y. K. : Agricultural Education, 2010. 283 p.

4. Usoltsev V A. Zalesov S. V. Methods for determining biological productivity of plantations : monograph. Ekaterinburg : Ural. lesotehn. University, 2005. 147 p.

5. Utkin A. I. Research methodology the primary biological productivity. Biological forest productivity Povoloza. M. : Nauka, 1982. P. 59-72.

6. Hodas A. M. Overground fitomasa oak plain in the polezahisnih forest lanes East of Polissya and forest-steppe : avtoref. DIS. for the stupenna candidate. a.-s. science : special. : 06.03.02 "Processing and forest valuation". K., 2010. 20 p.

7. Matthews G. The Carbon Contents of Trees // Forestry Commission. Tech. Paper 4. Edinburgh, 1993. 21p.

запас запас углерода

фитомассы

Рисунок 1

Запас фитомассы и углерода в полезащитных лесополосах

и массивных лесонасаждениях