Взаимосвязь фитомассы хвои с таксационными показателями древостоев сосны в зоне хвойно-широколиственных лесов

ВЗАИМОСВЯЗЬ ФИТОМАССЫ ХВОИ С ТАКСАЦИОННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДРЕВОСТОЕВ СОСНЫ В ЗОНЕ ХВОЙНО-ШИРОКОЛИСТВЕННЫХ ЛЕСОВ

Старцев А.И.

In researches result of phytomass distribution in the pine stands are established that a logarithm of a needles phytomass is a linear logarithm function of the diameter and length logarithm of trees crowns. The phytomass of needles is related with average age, average crowns length and function parameters of a trees height of the stands.

Ведение лесного хозяйства на принципах устойчивого развития лесов наиболее эффективно при использовании комплекса автоматизированных систем. В основе таких систем лежат математические модели роста древостоев с различными таксационными характеристиками. Для разработки подобных моделей необходимо выявление основных закономерностей формирования биомассы насаждений, соотношений между отдельными компонентами их фитомассы, установление взаимосвязей между различными таксационными характеристиками отдельных деревьев и древостоев. В связи с этим продолжение работ в данном направлении является вполне актуальным.

Объектами исследований явились чистые и смешанные древостои сосны 1а...III классов бонитета, произрастающие на территории Нижегородской области в зоне хвойно-широколиственных лесов. Возраст исследуемых древостоев составил 10.100 лет, состав варьировал от 6С4Б до 10С, средние высоты находились в пределах 3.29 метров, а средние диаметры - 4.36 сантиметров. Всего было заложено 25 пробных площадей.

Для определения фитомассы компонентов крон использовалась методика, составленная с учетом общепринятых методов. В соответствии с ней крона делилась на три неравные части: охвоенная вершина с 3-4 мутовками, верхняя и нижняя части, за основу разделения которых принималась максимальная ширина кроны дерева (Нагимов, 1988).

Верхняя и нижняя части крон после обрубки взвешивались с точность до 50 г. После этого отделялись неохвоенные ветви и также взвешивались. От оставшейся части отбирались навески для определения массы хвои в размере около 20.25% от общего веса фракции. Отобранные навески взвешивались с точностью до 10 г, после чего от них отделялась хвоя и также взвешивалась.

При анализе взаимосвязей массы хвои с биометрическими показателями деревьев было установлено, что она, кроме традиционно используемой величины логарифма диаметра ствола на высоте груди, хорошо коррелирует с комплексным показателем вида:

Хх =1п

где X1 - комплексный показатель, который является произведением логарифма диаметра на высоте груди на аналог логарифма объема кроны,

пропорционального произведению протяженности кроны (Lk) на квадрат диаметра ствола в коре (d).

При использовании такого комплексного показателя масса хвои определяется по формуле

In

где a, b - коэффициенты. Значения массы увеличены на 1 для того, чтобы логарифмы были всегда положительными.

При анализе полученных результатов было выявлено, что в пределах одного древостоя связь, выражаемая уравнением (2) очень тесная. Коэффициенты детерминации, вычисленные для 25 пробных площадей, находились в пределах 0,56...0,98. Однако эти прямые имели индивидуальный характер у каждого древостоя. Поэтому объединение всех данных в одну выборку приводило к существенному возрастанию ошибки аппроксимации, что обуславливало ухудшение точности модели (коэффициент детерминации снижался до значения R2=0,75). Диапазон изменения коэффициентов (а) составил 0,057.0,221, а свободного члена (b) - от +0,98 до -1,63.

Для улучшения характеристик модели (2) были изучены взаимосвязи коэффициентов модели (a, b) с другими таксационными показателями. В результате исследований статистически достоверные зависимости коэффициентов (а, b) уравнения (2) были установлены со средними диаметром и высотой древостоев (Dcp, Hcp). Причем зависимость коэффициента (а) от этих показателей имела вид параболической функции.

В результате обработки данных по всем 25 пробным площадям для расчета коэффициента {а) было получено следующее уравнение:

а = -5,35-1СГ3 Dcp -3,302-Ю"5-D2cp +4,635-1(Г3 Нср +1,118-10^ Н2ср +0,11814. (3) Для определения величины свободного члена (b) была использована его взаимосвязь с вычисленным по (3) угловым коэффициентом (а) и средней высотой древостоев:

b = -7,9503 • а - 0,034816 • Нср +1,17311 .

Порядок расчетов по предлагаемой модели следующий. Сначала по данным перечета на пробных площадях рассчитывается средний диаметр (Dcp), с использованием которого по графику высот определяется средняя высота (Hcp) каждого исследуемого древостоя. Затем по уравнениям (3), (4) рассчитываются значения коэффициентов (a, b) для выбранного насаждения. Используя значения диаметров на высоте груди и протяженности кроны для каждого дерева вычисляется параметр (Х1) по формуле (1). После этого, используя индивидуальные для каждого древостоя значения коэффициентов (a, b) и рассчитанные для каждого дерева в нем величины Х1, можно по формуле (2) рассчитать фитомассу хвои в абсолютно сухом весе.

Однако зависимости (3) и (4) не имеют вид функциональной связи, что обуславливает ошибки при расчете значений коэффициентов. Поэтому для избежания накопления систематических ошибок использована своеобразная итерационная процедура Вычисленная по формуле (2) величина фитомассы принимается как первое приближенное значение (Yx), по которому далее

рассчитывается уточненное значение массы хвои в абсолютно сухом весе по аналогичному (2) уравнению:

ln

Как видно из приведенного уравнения, такая поправка оказалась незначительной. Систематическая составляющая в логарифмическом масштабе составила всего +4,2%, а угловая поправка делает ее еще меньше.

С использованием рассмотренного способа можно вычислять фитомассу хвои как для отдельных деревьев, так и для древостоя в целом. Для этого достаточно рассчитать вес хвои для одного дерева в каждой ступени толщины и на основании данных перечета установить ее массу на единице площади или во всем насаждении. При отсутствии материалов перечета можно использовать теоретические модели распределения деревьев по ступеням толщины в зависимости от среднего диаметра, суммы площадей поперечных сечений, среднего возраста и других таксационных показателей, т. е. данные стандартного таксационного описания выделов.

Приведенный метод расчета позволяет повысить точность определения фитомассы хвои деревьев сосны. При использовании только модели (2) коэффициент детерминации, полученный по данным расчетов для 226 деревьев сосны, составлял 0,75. Среднеквадратическая ошибка была равна ±2,233.

При использовании предлагаемой схемы расчета индивидуальных для каждого древостоя коэффициентов (a, b) модели (2) с последующим уточненным расчетом фитомассы по (5) коэффициент детерминации возрастает до 0,85, а среднеквадратическая ошибка снижается до ±1,675, т. е. на 25%.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Масса хвои деревьев сосны тесно связана с диаметром и протяженностью крон деревьев. В логарифмическом масштабе такая зависимость имеет линейный характер, однако параметры уравнения индивидуальны у каждого древостоя. Величина углового коэффициента колеблется в пределах 0,057.0,211, составляя в среднем 0,12.0,15. Значения свободного члена линейного уравнения находится в пределах +0,98.-1,63. Коэффициент детерминации модели, использующей только уравнение (2), коэффициенты которого рассчитаны по всей совокупности изученных деревьев, составляет 0,75.

Коэффициенты модели (2) в общем случае являются не константами, а параметрами, величина которых зависит от среднего диаметра и средней высоты конкретных древостоев. Предлагаемая модель, учитывающая влияния этих факторов, позволяет повысить точность расчетов массы хвои. Коэффициент детерминации ее больше и составляет 0,85.

Рассмотренный метод позволяет рассчитывать фитомассу хвои как отдельных деревьев сосны, так и древостоев в целом. При этом в определенной степени учитываются такие индивидуальные таксационные характеристики древостоя, как средние высота и диаметр. Однако предлагаемая схема лишь частично снимает неопределенность в расчетах фитомассы хвои деревьев сосны и для получения более надежных результатов необходимо проведение дополнительных исследований.