Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 8
2. Программа, методика исследования и объем выполненных работ
2.1. Программа работ 26
2.2. Методика исследований 26
2.3. Объем и характеристика экспериментального материала 30
3. Модели и таблицы хода роста лесных культур дуба Нижнего Поволжья 37
3.1. Модель хода роста отдельного дерева 37
3.2. Модель хода роста древостоев лесных культур дуба 44
3.3. Модели стандартных таблиц сумм площадей сечений и запасов при полноте 1,0 55
4. Сортиментная структура древостоев лесных культур дуба Нижнего Поволжья 63
4.1. Распространенность пороков древесины в древостоях лесных культур дуба Нижнего Поволжья 63
4.2. Сортность древесины лесных культур дуба Нижнего Поволжья
4.2.1. Разработка шкалы разрядов высот 66
4.2.2. Сортиментные таблицы лесных культур дуба Нижнего Поволжья. Вариант-1 69
4.3. Алгоритм и математическая модель поиска оптимальной сортиментной структуры в
нормативных таксационных таблицах 82
4.3.1. Анализ факторов, влияющих на сортиментную структуру запаса элемента леса 82
4.3.2. Математическая модель оптимизации сортиментной структуры в нормативных таксационных таблицах 86
4.3.3. Алгоритм оптимизации сортиментной структуры в нормативных таксационных таблицах для лесных культур дуба Нижнего Поволжья 87
5. Товарные таблицы для таксации древостоев лесных культур дуба Нижнего Поволжья 103
5.1. Строение по диаметру лесных культур дуба Нижнего Поволжья 103
5.1.1. Методика составления товарных таблиц 103
5.1.2. Моделирование рядов распределения числа стволов по диаметрам . Алгоритм расчета товарных таблиц 111
5.3. Товарные таблицы лесных культур дуба Нижнего Поволжья. Варианты 1, 2 114
Заключение 128
Выводы 128
Рекомендации производству 130
Обозначения и сокращения 131
Список использованной литературы
- Методика исследований
- Модель хода роста древостоев лесных культур дуба
- Сортность древесины лесных культур дуба Нижнего Поволжья
- Моделирование рядов распределения числа стволов по диаметрам
Методика исследований
Увеличение ствола дерева в толщину и в высоту происходит путем ежегодного нарастания конуса ксилемных и флоэмных производных камбия, поэтому на поперечном разрезе ствола видны кольца древесины ежегодного прироста. У хвойных и кольцесосудистых пород, произрастающих в умеренной зоне, годичные кольца хорошо различимы вследствие различий анатомического строения трахеид и сосудов, произведенных камбием в начале и в конце вегетационного периода. У рассеяннососудистых пород различимость годичных колец, как правило, значительно хуже.
Толщина годичных колец - мера ростовой активности камбиальных клеток в данном участке ствола за весь сезон роста. В благоприятных местах обитания у деревьев по всей окружности ствола формируются широкие годичные кольца, причем ширина их из года в год колеблется в незначительных пределах. Установлено влияние климатических факторов на прирост по высоте и диаметру деревьев, у которых обычно хорошо выражено закономерное изменение темпов роста с возрастом [156].
Результаты многочисленных исследований показывают, что в каждом конкретном случае возрастные изменения ширины годичных колец только в общих чертах соответствуют большому периоду роста. В некоторых работах сделаны попытки аналитическими методами выделить периоды роста отдельных деревьев, резко различающихся темпами роста и условиями произрастания [104].
Использование годичных колец деревьев для установления изменений климатических условий в прошлом хорошо изложено в обзорных работах [19; 20; 21; 42; 127]. Изучение хронологии ширины ростовых колец у деревьев дуба показало, что 52-64% изменчивости роста объясняются климатом (температура и количество осадков) региона, и только 13-27% изменчивости роста связано с месячными климатическими показателями североатлантической осцилляции [155].
В благоприятные по метеорологическим условиям годы формируются более широкие кольца, в неблагоприятные - узкие. В связи с этим у большей части деревьев синхронно изменяется ширина годичных колец во времени и в пространстве в пределах однородного в климатическом отношении района [137; 138; 138].
Изучение многолетней динамики радиального прироста в оптимальных условиях свежей снытевой дубравы Шипова леса (ТЛУ-Д2) показало снижение радиального прироста по мере увеличения летней температуры воздуха, что подтверждается графическими и математическими методами, которые можно использовать для прогнозирования прироста в связи с изменением климата [82].
Миленин А.И. [57] проанализировал динамику ширины годичного кольца рано- и позднораспускающихся форм дуба в сухой и свежей байрачных дубравах за 50-летний период и дал прогноз радиального прироста.
Интенсивность и ход сезонного роста ствола в толщину определяются условиями произрастания дерева [80; 81; 21]. Так, деревья дуба в Воронежской области на сильно увлажненных почвах имели приблизительно равный процент прироста в июне и июле, в то время как у деревьев на умеренно увлажненной почве прирост древесины наибольшим был в июне [81].
На сезонный рост дерева кроме условий внешней среды влияют его возраст и различные фитоценотические факторы. Например, повышение густоты древостоя уменьшает общий прирост древесины и изменяет его распределение в стволе и ветвях. Эти изменения - результат поздней инициации камбиального роста, раннего прекращения и уменьшения продолжительности роста в нижних частях ствола в условиях жесткой конкуренции [143].
Исследования в области сортиментной и товарной структуры древостоев проводятся более 100 лет. В разработку сортиментных и товарных таблиц и совершенствование методики их составления внесли свой вклад Верхунов П.М. [17], Гусев И.И. и Коптев СВ. [26; 27], Михайлов А.С. [59], Поляков B.C. [59], Семечкин Н.В. [59], Аглиуллин Ф.В. [2], Выводцев Н.В. [22], Гире А.А. [23], Залесов СВ. [34], Зелинский Н.Н. [35], Книзе А.А. [41], Кряжевских Н.А. [34], Мошкалев А.Г. [65; 66; 67], Машковский В.П. [56], Третьяков Н.В. [98], Соколов П.А. [91], Черных В.Л. [111] и многие другие.
Составлены единые для всей страны таблицы для древостоев ели и липы [2], сосны, лиственницы, пихты, кедра [22], дуба [87], лиственницы, граба и березы [98], сосны [73] и других.
В связи с лесотаксационным районированием территории России разрабатываются региональные таблицы. Например, для Архангельской, Вологодской и Пермской областей, республик Коми и Карелия - по березе и осине [151], Красноярского края - по хвойным породам [22], северо-запада РСФСР [66], Ленинградской области - по осушенным соснякам [41], Украины - по осине [23], юга Молдавии - по порослевой акации белой [35], центральных и южных регионов Европейской части РСФСР [94], Горного Урала - по основным лесообразующим породам [93], Восточного Казахстана - по лиственнице и осине [151], Средней Сибири - по лиственнице [111], лиственничников Приохотья [22], северо-таежных ельников [26], среднетаежных ельников [27].
В совершенствование методики разработки сортиментных таблиц внесли свой вклад: Михайлов А.С.[60] предложил построение эскизов сортиментных и товарных таблиц с помощью ПЭВМ; представлены методы составления математических моделей для определения сортиментной структуры дерева [145]; Мошковский В.П. [56] привел регрессионные модели сортиментных таблиц по березе; Черных В.Л., Чернов А.П. [111] предложили расширение сортиментных таблиц на основе математических моделей, а также методику пересчета сортиментных и товарных таблиц для Крайнего Севера европейской части России; Михайлов А.С, Поляков В.И. и Семечкин И.В. [59] предложили определение сортиментной и товарной структуры древостоев с применением непараметрических статистических методов.
Модель хода роста древостоев лесных культур дуба
Для выявления закономерностей товарной структуры деревьев и древостоев дуба использовались материалы полевых работ на пробных площадях. Пробные площади нами подбирались и закладывались в соответствии с ОСТ-56-69-83 «Площади пробные лесоустроительные. Метод закладки.» [78].
Пробные площади для изучения хода роста, производительности, товарной и сортиментной структуры закладывались на участках, наиболее типичных для определения категорий таксируемых насаждений, с условием охвата возможно большего разнообразия спелых насаждений исследуемой породы по классу бонитета, полноте и составу.
Отбор учетных деревьев на пробных площадях производился методом систематической выборки в пределах ступени толщины. На пробной площади срубается 6-20 учетных деревьев, которые выбираются механическим путем, как каждое 8-е дерево, попавшее в перечет из числа деловых и дровяных деревьев [65]. При таком подходе к отбору учетных деревьев мы получаем информацию и о дровяных стволах.
Указанные деловые и дровяные деревья при средних высотах 16 и более метров размечались на высотах от пня: 1; 1,3; 3; 5; 7 м и т.д. через 2 метра, последнее сечение при диаметре, равном 4...5 см. Если высота дерева была меньше 16 м, то измерения производились на высотах 0,5; 1.5; 2.5 м и т.д. через 1м.
Измерялись диаметры в коре, толщина коры по диаметру и прирост по диаметру за 10 лет на пне, на высоте 1,3м и указанных высотах. Диаметры округлялись до 0,1 см.
Деловой ствол разделяли на деловую, дровяную часть и вершину. Это определялось по диаметру и наличию пороков древесины. Практиковалась откомлевка в дрова при наличии напенной гнили.
Минимальный диаметр: дров топливных в коре - 3,0 см; сырья для технологической переработки без коры - 3,6см; деловых сортиментов без коры: лиственных - 6,0 см. Допускаемые пороки не более указанных размеров в деловых сортиментах лиственных пород учитывались в соответствии с ГОСТ 9462-88 [74]. Нормы допуска остальных реже встречающихся пороков см. по ГОСТ 2140-81 [24]. Дровяная часть делового или дровяного ствола разделялась на дрова топливные и сырье для технологической переработки, согласно нормам допустимых пороков (ГОСТ 9462-88) [74]. Длина отрезка сырья для технологической переработки не ограничивалась, но принималась кратной 0,5 м с разметкой по стандартной длине для деловых стволов. Деловая часть разделывалась на отрезки стандартной длины - 4,0 м по дубу. Если последний отрезок был короче 1 м, то он присоединялся к предыдущему. Определялся сорт каждого отрезка для основных пороков по ГОСТ 9462-88 [74]. Диаметр в верхнем отрезе деловых отрезков обычно не измерялся (он был установлен камеральным путем), но определялся, если устанавливалась граница между деловой и дровяной частью.
Пороки древесины описывались для каждого метра до 11 м высоты (а в верхней части ствола на двухметровых секциях) и фиксировались в бланк учетного дерева.
Остальные измерения проводились по составленной методике, то есть у каждого дерева замерялись диаметр, толщина коры, прирост по диаметру за последние 10 лет через каждые 2 метра; определялись возраст, высота ствола от пня, длина бессучковой части и живой кроны, диаметр кроны, высота пня. С учетом всех данных проводилась сортиментация. Измерения параметров учетного дерева записывались в бланк «Учетное дерево».
Камеральные работы по разработке сортиментных таблиц проводились на персональных компьютерах с использованием программного обеспечения, разработанного на кафедре лесной таксации и лесоустройства ПГТУ. Расчеты по элементам леса и учетным деревьям для дуба осуществлялись по программе
зо PROBA99, PROBA2005 [109].
Расчет таксационных показателей деревьев и элемента леса производится по общепринятым в лесной таксации формулам.
Для целей моделирования лесотаксационных закономерностей хода роста древостоев была использована программа «Michxod» [ПО].
Для проведения статистического анализа товарной структуры и таксационной характеристики учетных (модельных) деревьев служили программы studlk, stabd2v2. Разработка математических моделей товарной структуры древостоев лесных культур дуба производилась с использованием стандартного статистическго пакета Statistica [9; 91].
Расчет невыравненных сортиментных таблиц производился по программам stabd2v2 и stabd4v2. Другие методические вопросы, связанные с моделированием, освещены при написании конкретных разделов.
Объектом исследований послужили древостой лесных культур дуба (Quercus robur L.) в условиях степной зоны Нижнего Поволжья, которые были созданы за период с 1930 по 2010 гг. В ходе полевых работ на территории Волгоградской, Саратовской и Самарской областей было заложено 23 пробных площади в лесных культурах дуба. Схема размещения пробных площадей представлена на рисунке 2.1. Средние таксационные показатели приведены в таблице 2.1 и приложении 1, а по типам леса в таблице 2.2. Таблица 2.1 - Таксационная характеристика пробных площадей
Сортность древесины лесных культур дуба Нижнего Поволжья
В 1920 г. Пюттер А. предположил, что увеличение веса животных определяется двумя противоположными процессами (синтезом и распадом). К таким же выводам (скорость роста животных пропорциональна разности между поверхностью и объёмом тела) пришли Винберг Г.Г. (1966), Зотин А.И. (1974), который вывел уравнение роста животных [36].
Шолохов А.Г. (2000) предложил уравнение для описания всех таксационных показателей (кроме густоты) [128]. Он предполагал, что силы роста линейные, а силы противодействия росту - нелинейные.
Логическое рассмотрение процесса, явления в экосистеме позволяет построить общие дифференциальные модели роста, а их решение, представленное в алгебраическом виде, дает модель для исследования конкретных локальных задач. Для разработки таблиц хода роста мы приняли методику, предложенную Черных В.Л. [109], которая базируется на основе функции роста Митчерлиха с изменяющимися параметрами в динамике.
Опираясь на анализ функций роста и существующий опыт многих исследователей для составления моделей и таблиц хода роста древостоев различной густоты мы разработали следующий алгоритм.
1. Формируется база данных по лесорастительному району по материалам пробных площадей и массовой таксации выделов и древесной породе. Основные показатели: тип леса, тип лесорастительных условий, возраст (лет), высота (м), диаметр (см), запас (м ), сумма площадей сечений (м ).
2. По материалам пробных площадей выявляется закономерность влияния на видовую высоту древостоев средних значений высот и диаметров. Полученная модель видовой высоты является основой для вычисления суммы площадей сечений древостоя элемента леса в базе данных таксационных показателей лесных культур дуба.
На следующем этапе по сгруппированным по возрасту рассчитываются статистические показатели: дисперсия и коэффициент изменчивости возраста, высоты, диаметра, запаса, суммы площадей сечений.
Алгоритм разработки таблиц хода роста древостоев Egcp - экспериментальное значение суммы площадей сечений древостоя в исследуемом возрасте, м2; С Eg - расчетное среднее значение изменчивости суммы площадей сечений древостоя в исследуемом возрасте, %. 6. Для каждой группы густоты формируется база исходных и расчетных показателей: возраст (лет), высота (м), диаметр (см), запас (м ), сумма площадей сечений (м2). 7. Проводится автоматизированное построение модели хода роста древостоя по программе «MICHXOD» [109;110] 8. Выполняются анализ и оценка результатов моделирования хода роста древостоя элемента леса (точность, корректность, адекватность). 9. Модель хода роста представляется в табулированном виде с заданным шагом (1, 5 или 10 лет). Практическая реализация этого алгоритма (рис. 3.6) нами выполнена на материалах пробных площадей и массовой таксации выделов.
По экспериментальным материалам получены следующие уравнения связи, отражающие влияние густоты древостоя элемента леса на таксационные показатели лесных культур дуба Нижнего Поволжья.
Полученная система уравнений в целом характеризует ход роста в динамике по группам густоты. По нашим расчетам, остаточная дисперсия по моделируемым таксационным показателям оказалась минимальной, а множественный коэффициент детерминации находится в пределах от 0,865 до 0,912.
Как показали исследования, по существующим нормативам «В/О Леспроект» [75] обеспечивается определение относительной полноты, а следовательно, и запаса с систематической ошибкой в -8,4 ..+9,0%, а по таблицам Дударева А.Д. -33,5..+7,2.
Таким образом, новые таблицы хода роста повышают точность оценки запаса и полноты. Новые нормативы рекомендуются автором для оценки производительности дубовых насаждений искусственного происхождения Нижнего Поволжья.
Модели стандартных таблиц сумм площадей сечений и запасов при полноте 1,0 для основных древесных пород европейской части России разрабатывались в середине прошлого века.
Концепцией устойчивого управления лесами, государственной программой Российской Федерации «Развитие лесного хозяйства» на 2012 - 2020 годы поставлены важные задачи в области ведения лесного хозяйства и рационального лесопользования в России. Предусматривается улучшить воспроизводство и использование лесосырьевых ресурсов, шире внедрять достижения науки, зональные системы лесного хозяйства. Успешное решение этих задач возможно лишь на основе применения на производстве современных лесотаксационных нормативов оценки производительности лесов, построенных на зонально-типологической основе, учитывающих географические закономерности развития и строения лесных насаждений.
Основная цель исследований заключалась в выявлении лесотаксационных закономерностей и составление на их основе нормативов оценки производительности насаждений лесных культур дуба в виде стандартных таблиц сумм площадей сечений, видовых высот и запасов при полноте 1,0 и таблиц динамики таксационных показателей древостоев различных полнот в основных группах типов леса. Методика исследований и объем выполненных работ приведены в разделах 2.2 и 2.3.
Разработка стандартных таблиц сумм площадей сечений основана на классическом положении о том, что запас древостоя породы является функцией сумм площадей сечений и средних видовых чисел, а при одинаковых средних высотах запасы имеют одинаковые значения.
Моделирование рядов распределения числа стволов по диаметрам
В настоящее время широкое применение в практике управления и распределения ресурсов получила теория оптимизации экономических процессов. Математическое понятие оптимизации состоит в заданном наборе переменных и области их изменения (верхние и нижние пределы) и функции от этих переменных (критерий оптимальности), которые должны принимать максимальные или минимальные значения [126].
Для построения математической модели оптимизации сортиментной структуры в таксационных таблицах необходимо учитывать такие факторы, которые существенным образом влияют на экономические результаты. Важным является то обстоятельство, что не все факторы можно выразить числовыми характеристиками, а значить и включить в модель.
Например, рабочие, занятые на раскряжевке хлыстов, сортировке и штабелевке древесины за повышение выхода деловой древесины и ценных сортиментов могут быть премированы. Выход сортиментов зависит от технологии сортировки (время осмотра сортимента), способа раскряжевки (пакетный, подеревный и т.д.), квалификации рабочих. Все эти факторы учесть в модели очень трудно. Факторы, которые невозможно предвидеть и выразить в виде числовых характеристик, можно отнести к случайным.
Анализ факторов, влияющих на сортиментную структуру объекта, свидетельствует о том, что основным обобщающим фактором служит качественная и количественная характеристика лесов объекта, представленная в виде оценки сортности деловой древесины по категориям крупности.
Размеры расчетной лесосеки для конкретной территории предопределяют перебазирование лесозаготовок из лесодефицитных районов в лесоизбыточные, что влияет на межобластные перевозки древесины. При детальной характеристике товарной структуры по лесному фонду увеличиваются затраты на первичную обработку 1 м сортимента. Включение данного показателя в математическую модель даст возможность учесть качество древесины на уровне лесного фонда лесотаксационного района. По нашему мнению, математическая модель расчета сортиментной структуры в таксационных таблицах должна учитывать следующие экономические факторы:
При постановке любой проблемы экономического характера наиболее ответственным является этап выбора критерия оптимальности. От того, насколько удачно выбран критерий оптимальности, будет зависеть правильность решения проблемы.
Критерий оптимальности - это показатель, который выражает предельную меру экономического эффекта принимаемого хозяйственного решения для сравнительной оценки возможных решений (альтернатив) и выбора наилучшего из них [ПО].
Критерий, предназначенный для оценки оптимального развития лесного хозяйства и лесного комплекса (локальный критерий), по своей сущности должен быть адекватен общехозяйственному критерию (глобальный критерий), который отражает основную цель общества - удовлетворение потребностей общества и всех его членов в лесных ресурсах.
В самом общем виде цель деятельности лесного комплекса может быть сформулирована как удовлетворение потребностей страны в древесном сырье.
По нашему мнению, критерий оптимизации сортиментной структуры в нормативных таксационных таблицах должен наиболее полно выражать конечный эффект.
Если, например, в качестве критерия оптимальности принять максимум дохода и максимум удовлетворения потребностей страны в древесине, то в этом случае, принимая во внимание качественную сторону ресурсов (их неоднородность), мы получим диспропорцию (при максимуме дохода увеличится выпуск ценных сортиментов, а при максимуме удовлетворения потребностей в древесине выпуск некоторых сортиментов будет превышать фактическую потребность). Существую несколько подходов к определению выхода сортиментов при разработке нормативных лесотаксационных таблиц. Например, Анучин Н.П. [4] и Верхунов П.М. [92] для определения сортиментов использовали информацию о сложившейся структуре потребления сортиментов.
Мошкалев А.Г. [65] предложил выполнять расчет выхода сортиментов с учетом ценности сортиментов, в первую очередь выбирались ресурсы высококачественного сырья. В 1982 году Черных В.Л. разработал сортиментные таблицы для Мурманской области и использовал для расчета сортиментов экономико-математическую модель, которая учитывала структуру лесного фонда лесничества и пункты потребления круглых лесоматериалов. В дальнейшем эта модель была реализована при разработке выхода сортиментов при составлении сортиментных таблиц: Черных В.Л., Колесников Р.В., Домрачев А.А., Елсуков А.С., Охотин Н.Н., Киселева Н.Г. [121].
Исходя из вышесказанного, а также согласно анализу экономических факторов можно в качестве критерия оптимальности при обосновании сортиментной структуры объекта принять максимум рыночной стоимости сортиментов. Математическая модель оптимизации сортиментной структуры в нормативных таксационных таблицах Анализ наших данных и материала, изложенного в разделе 4.3.1 показал, что обоснование сортиментной структуры в нормативных таблицах необходимо проводить расчетным путем. Основное назначение математической модели - обоснование оптимальной сортиментной структуры дубрав Нижнего Поволжья при составлении таксационных таблиц.
