Моделирование показателей хода роста одновозрастных сосновых насаждений с проведением рубок ухода в разных типах лесорастительных условий

Природопользование

DOI: 10.12737/6264 УДК 630*24: 519.711.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ХОДА РОСТА ОДНОВОЗРАСТНЫХ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ С ПРОВЕДЕНИЕМ РУБОК УХОДА В РАЗНЫХ ТИПАХ ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

кандидат сельскохозяйственных наук В. В. Малышев1 кандидат технических наук Ю. В. Мурзинов1 доктор технических наук, профессор В. С. Петровский1 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»,

г. Воронеж, Российская Федерация

Создавая лесные насаждения, применяемые при этом технические приемы подготовки почвы, агротехнические мероприятия, а также подбор оптимального породного состава и последующие лесоводственные уходы разрабатываются в соответствии с различными типами лесорастительных условий. Эти условия значительно влияют на общую производительность и ход роста древостоев. В статье представлены результаты численного анализа и использования таблиц хода роста насаждений сосны обыкновенной, произрастающих в различных типах лесорастительных условий (А2, В2), отражающих изменения запаса стволовой древесины с возрастом под влиянием рубок ухода. Согласно возрасту рубки (спелости) для сосны обыкновенной представлены оптимальные режимы изреживаний в защитных лесах лесостепного района европейской части Российской Федерации. Для определения оптимальных режимов рубок ухода за лесом использовалась компьютерная программа, позволяющая оптимизировать проведение изреживаний и рассчитать целевую функцию получения стволовой древесины для различных целевых диаметров технической спелости. Компьютерные расчёты дали возможность сравнения эффективности проведения лесоводственных уходов в насаждениях сосны обыкновенной согласно стандартным нормативам и рекомендуемым режимам ухода за лесом. Предложенные варианты изреживаний отличаются проведением более инте-нисвных рубок ухода в возрасте прочисток при формировании состава насаждений и относительно низким процентом изреживаний в возрасте ухода за приростом насаждения. Представлена сравнительная характеристика производительности насаждений сосны обыкновенной и целевая функция выхода стволовой древесины в зависимости от целевого диаметра. В результате численных расчётов получены определённые выводы и даны рекомендации для проведения рубок ухода в сосновых насаждениях в зависимости от типов лесорастительных условий.

Ключевые слова: насаждения, сосна обыкновенная, типы лесорастительных условий, рубки ухода, запас стволовой древесины, режимы изреживаний, целевая функция.

Лесотехнический журнал 3/2014

21

Природопользование

MODELING INDICATORS OF THE GROWTH OF EVEN-AGED PINE PLANTATIONS WITH THINNING IN DIFFERENT TYPES OF FOREST CONDITIONS

PhD in Agriculture V. V. Malyshev1 PhD in Engineering Y. V. Murzinov1 DSc in Engineering, Professor V. S. Petrovsky1 1 - FSBEI HPO «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies»,

Voronezh, Russian Federation

Abstract

Creating forest plantations, used in these soil preparation techniques, agricultural activities, as well as the selection of the optimum species composition and subsequent silvicultural treatments are developed in accordance with different types of forest conditions. These conditions greatly affect the overall performance and progress of growth stands. The results of numerical analysis and the use of tables of plantation growth of Scots pine growing in various types of forest conditions (A2, B2) are given, reflecting changes in the stock of stem wood with age under the influence of thinning. According to the cutting age (maturity) for Scots pine optimal thinning regimes are presented in protected forests of forest-steppe region of the European part of the Russian Federation. To determine the optimal regimes of thinning of forests computer program was used that allows you to optimize conducting of thinning and calculate the objective function of stem wood for different target diameters of technical maturity. Computer calculations made it possible to compare the effectiveness of silvicultural thinning in Scots pine plantations according to standard regulations and recommended modes of forest care. Proposed options of thinning are different in conducting more intensive thinning at the age of clearings at forming the composition of plants and relatively low percentage of thinning at the age of caring for growth stands. The comparative characteristic of the performance of Scots pine plantations and the target output function of stem wood depending on the desired diameter is given. As a result of numerical calculations some conclusions and recommendations for thinning in pine plantations were obtained, depending on the type of site conditions.

Keywords: plantations, Pinus sylvestris, types of forest conditions, thinning, stock of stem wood, thinning modes, objective function.

Методика исследований Успешное решение задач управления процессом выращивания и формирования насаждений возможно лишь при наличии определенного объема знаний или сведений о качественных и количественных внутренних связях между элементами управляемого объекта и внешних связях элементов и всего объекта в целом с окру-

жающей средой [2].

В качестве объектов наших исследований были взяты таблицы хода роста [3] составленные для двух типов лесорастительных условий: свежего бора (А2) и свежей простой субори (В2). Таблицы составлены по пятилетиям для насаждений в возрасте 15-80 лет. Все насаждения подвергались слабым и умеренным рубкам ухода по низо-

22

Лесотехнический журнал 3/2014

Природопользование

вому методу. Использованы лишь культуры с густотой посадки 10 тыс. на 1 га.

Компьютерная программа [1] содержит в себе пакет прикладных программ прогноза, проектирования и оптимизации режимов проведения рубок ухода за лесом с максимальной производительностью. Работа программы основана на имитационном моделировании хода роста сосновых насаждений различных классов бонитета и соотвтествующих типов лесорастительных условий, позволяет отобразить динамику основных таксационных показателей насаждений. При этом наглядно отображаются все преимущества правильного применения системы рубок ухода - улучшается качество древесных стволов, увеличивается размер пользования древесиной с 1 га в год.

Рост дерева и всего насаждения в целом является сложным биологическим процессом. При описании его состояния используются в основном два основных параметра: высота и диаметр на высоте груди. Однако при описании состояния и развития древостоев число параметров увеличивается: возраст насаждения, средняя высота деревьев, средний диаметр на высоте груди, число стволов в насаждении, сумма площадей сечений, видовое число, запас стволовой древесины, класс бонитета, полнота насаждения, средний и текущий приросты насаждения. На основании измерений этих параметров составляются таблицы хода роста древостоев.

Аналитическая часть

При разработке систем оптимизации режимов рубок ухода за лесом необходимо иметь точное математическое описание хода роста древостоев и реакцию их пара-

метров на проведение рубок ухода. Это математическое описание представляется в виде математических моделей зависимости параметров древостоя от времени (возраста). При этом для расчёта оптимальных режимов рубок ухода математические модели должны обладать адекватностью и высокой точностью.

Широкое применение информационных технологий управления рациональным лесопользованием предполагает расчёт режимов рубок ухода для различных типов лесорастительных условий и соотвтест-вующих классов бонитета. При этом может оказаться недостаточным уточнение коэффициентов для уже предложенных моделей, используемых в расчётах, из-за невысокой точности описания хода роста древостоев. В связи с чем возникает необходимость в изменении вида модели и получении новых коэффициентов.

Предполагается в структуре системы оптимизации режимов проведения рубок ухода за лесом предусмотреть механизм формирования более точных моделей хода роста древостоев и их реакций на проведение рубок ухода за лесом.

Выбор вида математической модели является сложной задачей при разработке рассматриваемой информационной технологии. Для получения наиболее точных моделей предлагается следующий алгоритм.

Алгоритм формирования математических моделей хода роста древостоев (рис.) включает:

1. Ввод исходных данных - апробированных в практике таблиц хода роста древостоев.

2. Математический расчёт величин

Лесотехнический журнал 3/2014

23

Природопользование

Рисунок. Алгоритм выбора математических моделей

абсолютных ошибок, получаемых отклонением эмпирической зависимости от экспериментальных данных.

3. Выбор вида модели, соответствующей минимальной абсолютной ошибке.

4. Расчёт коэффициентов эмпирической модели.

5. Визуальная оценка взаимного расположения на графике результатов моде-

лирования в виде эмпирической зависимости и экспериментальных значений. Если модель не удовлетворяет требованиям точности, то осуществляется переход к третьему пункту алгоритма, где производится выбор другого вида модели.

6. Проверка адекватности полученной модели с помощью критериев Фишера и Стьюдента. Если рассчитанная модель после проверки вновь не удовлетворяет требованиям адекватности, то также осуществляется переход к третьему пункту.

7. После всех вычислений и проверок модель принимается. Вид и коэффициенты новой модели передаются другим подпрограммам и используются в дальнейшей работе системы управления.

Введение этой подпрограммы в структуру АСУ ТП ускоренного выращивания одновозрастных хвойных насаждений позволило реализовать механизм уточнения моделей и их коэффициентов с учётом конкретных условий выращивания. Это обеспечило гибкость в получении оптимальных режимов проведения рубок ухода и сделало АСУ ТП ускоренного выращивания одновозрастных хвойных насаждений более универсальной, способной работать с учётом переменных параметров объекта управления.

Система поддержки принятия решения по выбору параметров ускоренного выращивания одновозрастных сосновых насаждений основывается на моделировании показателей хода роста и установлении ограничений использования этих моделей, что можно представить поэтапно:

1. Модель количества деревьев на 1 га в насаждении без рубок ухода:

24

Лесотехнический журнал 3/2014

Природопользование

N = k-T6 + k - T5 + k2 -T + k3 - T3 + k4 - T2 + k5-T+k6.

2. Двухпараметрическая модель средней высоты в насаждении без рубок: Z064 (T,H)= x0 + x - T+x2 - T2 + x3 -H+x4 -H +

+x5 -T - H+x6 -T - H + Xj -T2 - H+x -T2 - H2.

3. Двухпараметрическая модель общего текущего прироста древостоя:

ZpaT (T,H) = Уо + yi-T+y, - T +У- Н+У4-H +

+y-T- H +Уб - T- H +yj-T - H+y - T1-H\

4. Расчёт текущего прироста растущей части древостоя:

H(T, D) = m0 +mx-T+щ-T2 +m - D+m4-D +

+m5 -T-D+m6 -T-D + щ -T2 -D+щ - T2 -D2.

5. Объем удаляемых из насаждения стволов рассчитывается как:

AVp = V . p 100

где р - порядковый номер проводимой рубки.

Далее осуществляется моделирование древесных стволов в насаждении специальной подпрограммой, где рассчитываются численные параметры рубок.

6. Обязательно выполнение условий:

достиг ли текущий средний диаметр значения заданного целевого диаметра (с точностью до 0,5 см):

D - D,,

< 0,5.

J. Запас стволовой древесины разреживаемого древостоя (р > 1) за 1 год будет равен:

V? = V? + Z0

V?-*0

100

8. Запас стволовой древесины контрольного древостоя за 1 год будет равен:

V = V + Zr + Z0.

9. Обязательно выполнение условий:

V < V

p Ф 0.

T < 140 лет.

10. При невыполнении условия (11) считается, что произошло одно из двух (или оба сразу) негативных явлений:

1) Был задан слишком большой целевой диаметр Бц и насаждение просто не в состоянии его достичь за отведенное время лесовыращивания.

2) Был задан режим рубок (процент снижения запасов), который не обеспечивает восстановления запаса разреживаемого древостоя за отведенное время лесовыращивания. В обоих случаях подпрограмма завершает свою работу с выводом сообщения «Слишком длительный срок лесовыращивания».

11. При оптимизации выхода стволовой древесины с 1 га в год критерий оптимальности равен:

Kp, = Q =---|------,

где V - объем стволовой древесины разреживаемого древостоя, n - общее количество рубок. Так как формула (12) рассчитывается после проведения последней

рубки, то фактически V будет представлять собой запас стволовой древесины разреживаемого древостоя на момент сплошной рубки. При этом возраст древостоя, конечно, будет равен Т.

12. После этого, критерий оптимальности необходимо сравнить с максимальным значением этого же критерия, которое

Лесотехнический журнал 3/2014

25

Природопользование

было получено при расчёте с другими режимными параметрами:

к ктах

^opt - Лopt •

13. Если условие (13) выполняется, то принимается:

Kopt=к;*.

Ниже приведен расчёт оптимальных режимов рубок ухода для насаждений сосны обыкновенной, произрастающих в условиях свежего бора (А2) и свежей субори (В2) (табл. 1).

В табл. 2 представлена сравнительная

характеристика общей производительности сосновых насаждений для различных целевых диаметров после проведения рубок ухода по стандартным нормативам и рекомендуемым режимам изреживаний, а также значения целевой функции получения стволовой древесины с 1 га за 1 год лесовыращивания в типах лесорастительных условий А2 - свежий бор и В2 - простая свежая суборь. Можно отметить, что вместе с повышением производительности насаждений снижается возраст технической спелости древостоев.

Таблица 1

Оптимальные режимы рубок ухода для насаждений сосны обыкновенной, произрастающих в условиях свежего бора

Вид рубок ухода Время проведения рубки Средняя высота, м Средний диаметр, см Выбираемая древесина, % от запаса Выбираемая древесина, м3 / га

1 2 3 4 5 6

Целевой диаметр 40 см (Z = 8,53 м3/га/год) в условиях свежего бора А2

Прочистки 15 6,5 6,8 33 20,5

Прореживания 25 10,9 10,8 33 45,2

Прореживания 42 17,3 17,1 33 94,4

Прореживания 56 21,1 21,8 33 125,2

Проходная 78 25,3 28,6 27 129,9

Сплошная 119 29,3 40,1 100 599,3

Всего: 1014,5

Целевой диаметр 46 см (Z = 10,10 м /га/год) в условиях свежей субори В2

Прочистки 15 7,5 7,5 33 26,1

Прореживания 24 12,1 11,6 33 57,1

Прореживания 36 17,5 16,8 21 64,6

Прореживания 47 21,5 21,3 21 85,8

Проходная 60 25,2 26,4 21 103,7

Проходная 79 28,8 33,3 17 98,9

Сплошная 116 32,9 45,6 100 731,9

Всего: 1168,1

26

Лесотехнический журнал 3/2014

Природопользование

Таблица 2

Производительность насаждений сосны обыкновенной и целевая функция

ТЛУ а2 ТЛУ В2

Целевой Возраст Общая Целевая Возраст Общая Целевая

рубки, лет производи- функция рубки, лет производи- функция

диаметр, тельность, м3/га

см расчётный расчётный

табличный расчётная расчётная табличный расчётная расчётная

табличная табличная табличная табличная

14 32 261,5 8,17 29 230,4 7,94

37 336,0 8,40 35 266,0 7,60

16 38 343,3 9,03 34 292, 8,59

45 385,0 8,56 40 411,0 10,28

18 44 425,1 9,66 38 345,7 9,10

55 469,0 8,53 45 471,0 10,47

49 490,2 10,00 43 439,6 10,22

20

60 504,0 8,40 50 526,0 10,52

55 562,8 10,23 48 515,0 10,73

22

70 565,0 8,07 60 626,0 10,43

62 638,4 10,30 53 607,0 11,45

24

80 614,0 7,68 65 561,0 8,63

69 705,6 10,23 58 709,2 12,23

26

- - - 70 721,0 10,30

28 75 748,4 9,98 63 767,3 12,18

- - - 80 593,0 7,41

30 81 788,0 9,73 70 842,2 12,03

75 861,4 11,48

32 — — —

81 920,1 11,36

34

- - -

Выводы:

1. Оптимизация рубок ухода за лесом и расчёт целевой функции получения стволовой древесины для различных целевых диаметров технической спелости показали эффективность проведения предложенных вариантов изреживаний. В условиях свежего бора (А2) и простой свежей субори (В2) максимальный прирост и значение целевой функции наблюдается к возрасту проведения проходных рубок (58-

62 года). Вышеупомянутые таблицы хода роста ограничены возрастом 80 лет и нет возможности проследить динамику таксационных показателей до возраста спелости сосновых насаждений (120 лет).

2. Типы лесорастительных условий значительно влияют на общую производительность и ход роста древостоев. В более производительных условиях происходит увеличение целевого диаметра насаждений. Используя компьютерные расчёты,

Лесотехнический журнал 3/2014

27

Природопользование

предлагаемые оптимальные режимы изре-живаний позволяют к возрасту рубки (спелости) для сосны обыкновенной в условиях свежего бора (А2) получать насаждения со средним диаметром 40 см, а в условиях простой свежей субори (В2) - 46 см.

3. Предложенные варианты изрежива-ний отличаются проведением более интенсивных рубок ухода в возрасте прочисток при формировании состава насаждений и относительно низким процентом изреживаний в возрасте ухода за приростом насаждения.

Библиографический список

1. Мурзинов, Ю. В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010610420. Программа для расчета режимов оптимального ускоренного выращивания сосновых древостоев [Текст] / Ю. В. Мурзинов, В. В. Малышев, В. С. Петровский ; правообладатель ГОУ ВПО "ВГЛТА". - № 2009616205 ; заявл. 6.11.2009 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.01.2010.

2. Петровский, В. С. Автоматизированное проектирование режимов и выбора машин для проведения рубок ухода за лесом [Текст] / В. С. Петровский, В. В. Малышев, Ю. В. Мурзинов. - М. : ФЛИНТА: Наука, 2012. - 216 с.

3. Рубцов, В. И. Биологическая продуктивность сосны в лесостепной зоне [Текст] / В. И. Рубцов [и др.]. - М. : Наука, 1976. - 224 с.

References

1. Murzinov Y.V., Malyshev V.V., Petrovsky V.S. Certificate of state registration of computer program no. 2010610420. Program for calculating the optimal modes of accelerated growth of pine stands [Murzinov Y.V., Malyshev V.V., Petrovsky V.S. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj regi-stracii programmy dlja JeVM № 2010610420. Programma dlja rascheta rezhimov optimal'nogo uskorennogo vyrashhivanija sosnovyh drevostoev. № 2009616205 ; zajavl. 6.11.2009 ; zaregistri-rovano v Reestre programm dlja JeVM 11.01.2010.]. no. 2009616205; appl. 6.11.2009; registered in the Registry of the computer programs 11.01.2010. (In Russian).

2. Petrovsky V.S., Malyshev V.V., Murzinov Y.V. Computer-aided design of modes and selection of machines for thinning of forests [Petrovsky V.S., Malyshev V.V., Murzinov Y.V. Avto-matizirovannoe proektirovanie rezhimov i vybora mashin dlja provedenija rubok uhoda za lesom]. Moscow, Flinat: Nauka, 2012, 216 p. (In Russian).

3. Rubtsov V.I. et al. The biological productivity of pine in the forest-steppe zone [Rubcov V.I. i dr. Biologicheskaja produktivnost' sosny v lesostepnoj zone]. Moscow, Nauka, 1976, 224 p. (In Russian).

Сведения об авторах

Малышев Владимир Викторович - доцент кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», кандидат сельскохозяйственных наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: v_malyshev79@mail.ru.

28

Лесотехнический журнал 3/2014

Природопользование

Мурзинов Юрий Валерьевич - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: kampf87@yandex.ru.

Петровский Владислав Сергеевич - профессор кафедры автоматизации производственных процессов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: appvglta@bk.ru.

Information about authors

Malyshev Vladimir Viktorovich - Associate Professor of Forest Crops, Selection and Afforestation Department of FSBEI HPO «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies», PhD in Agriculture, Voronezh, Russian Federation; e-mail: v_malyshev79@mail.ru.

Murzinov Yury Valeryevich - FSBEI HPO «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: kampf87@yandex.ru.

Petrovsky Vladislav Sergeevich - Professor of Department Automation Production Processes of FSBEI HPO «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: appvglta@bk.ru.

DOI: 10.12737/6265 УДК 630*181

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕНРОФЛОРЫ ПАРКА «ЮЖНЫЙ»

И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ЕЁ РЕКОНСТРУКЦИИ

кандидат биологических наук, доцент В. Т. Попова1 кандидат сельскохозяйственных наук В. Д. Дорофеева1 кандидат сельскохозяйственных наук Ю. В. Чекменева1 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»,

г. Воронеж, Российская Федерация

Проведено обследование дендрофлоры парка «Южный» в г. Воронеже. Определены видовой и ценотический состав растительности, современное состояние древеснокустарниковых видов и насаждений парка, оценена их декоративность. Современная дендрофлора парка представлена 41 видом, гибридами и формами древесных и кустарниковых растений, принадлежащих к 29 родам из 16 семейств. Наиболее обширно представлено семейство Rosaceae Juss. - 9 родов и 11 видов. Менее многочисленны семейства - Aceraceae Juss. - 1 род, 4 вида; Fabaceae Lindl. - 4 рода, 4 вида; Pinaceae Lindl - 3 рода, 4 вида. Незначительным видовым разнообразием отличаются роды хвойных: Pinus L. (1) и Piceae (2 вида). Анализ морфологических показателей и декоративности парковых древесно-кустарниковых насаждений показал, что по степени декоративности можно выделить три группы. Наиболее

Лесотехнический журнал 3/2014

29