Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы 8
1.1. Общие принципы регрессионного моделирования фитомассы 8 деревьев
1.2. Выбор структуры модели фитомассы 22
1.2.1. Парная зависимость фитомассы от диаметра ствола 22
1.2.2. Многофакторная зависимость фитомассы от таксационных показателей деревьев 32
1.2.3. Некоторые альтернативные зависимости 42
1.3 Анализ попыток построения «всеобщих» регрессионных моделей фитомассы деревьев 63
1.3.1. Модели парной связи фитомассы с диаметром ствола 64
1.3.2. Многофакторные модели 97
Глава 2. Общая характеристика районов и объектов исследования 116
2.1. Природные условия Сухоложского лесхоза Свердловской области 116
2.2. Природные условия Семиозерного лесхоза в Северном Казахстане 123
2.3. Объекты исследований и объем работ 134
Глава 3. Методика исследований 147
3.1. Выбор и обоснование метода исследований 147
3.2. Методика полевого опыта. Закладка пробных площадей 149
3.3. Отбор, рубка и обработка модельных деревьев 150
Глава 4. Фитомасса культур сосны в предлесостепи и сухой степи и нормативы их оценки 152
4.1. Регрессионные модели и таблицы для оценки фитомассы деревьев 152
4.2. Закономерности изменения фитомассы в древостоях по возрастному и густотному градиентам .159.
4.3. Таблицы возрастной динамики фитомассы в культурах сосны 163
Глава 5. Обобщенные модели фитомассы деревьев и связанные с ними ошибки 170
5.1. Сравнение эмпирической модели фитомассы с фрактальной моделью Веста 170
5.2. Модели фитомассы разных уровней сложности и обобщения и оценка их применимости в локальных условиях 177
5.2.1. Сопоставление "всеобщих" моделей надземной фитомассы деревьев разного уровня сложности по коэффициенту детерминации 177
5.2.2. Анализ смещений региональных моделей фитомассы деревьев относительно "всеобщей" модели 186
5.2.3. Сопоставление региональных моделей фитомассы деревьев двух уровней сложности с учетом фракционного состава 191
5.2.4. Анализ применимости моделей разного уровня обобщения в локальных условиях 195
Заключение 206
Литература 209
Приложения 231
- Выбор структуры модели фитомассы
- Природные условия Семиозерного лесхоза в Северном Казахстане
- Методика полевого опыта. Закладка пробных площадей
- Закономерности изменения фитомассы в древостоях по возрастному и густотному градиентам
Выбор структуры модели фитомассы
Публикация первичных материалов по биопродуктивности, практиковавшиеся главным образом на первых этапах ее изучения, представляют ценность для будущих обобщающих исследований на основе системного подхода. Последующие работы с демонстрацией парных связей фитомассы с тем или иным фактором в этом плане несколько утрачивают свою ценность, но зато представляют интерес при выявлении определяющих факторов воздействия, хотя возможности таких связей в последнем направлении ограничены. Принцип единственного фактора в парных связях, реализуемый в точных науках или в так называемых «чистых» природных закономерностях, в биологии оказывается менее эффективным (Лиепа, 1980). Свидетельством этого являются безуспешные попытки поиска так называемого «закона роста» на основе парной связи показателя роста с возрастом древостоя. Количество ростовых функций уже превысило сотню (Peschel, 1938).
С внедрением ЭВМ появилась возможность сравнения множества функций с одним аргументом для описания исследуемой закономерности. Однако в силу невозможности элиминировать при этом влияние остальных факторов та или иная аппроксимирующая функция оказывается наиболее приемлемой при данном сочетании или фоне неучтенных варьирующих факторов и менее приемлемой или совершенно непригодной при другом их сочетании (Лиепа, 1980).
Тем не менее, при исследовании структуры фитомассы одновозрастного древостоя, представляющего сравнительно однородный биологический объект, высокие показатели точности аппроксимирующих уравнений достигаются при использовании лишь одного аргумента, например диаметра ствола: где Р - фитомасса дерева, кг; D - диаметр ствола на высоте груди, см. Число таких уравнений, предложенных в разное время разными авторами, по-видимому, не уступает количеству имеющихся функций роста.
Из имеющегося множества функций, аналитически описывающих зависимость (1.3), наиболее часто применяют уравнение прямой линии (Яблоков, 1934; Ефимович, Никитин, 1934; Слемнев, 1969) либо полином второго порядка (Штибе, 1967; Иванчиков, 1974; Семечкина, 1978; Fiedler, 1986; Зинченко, 1986)
При выявлении степени пригодности различных выравнивающих функций обычно используют в качестве критериев коэффициент детерминации R2, характеризующий степень приближения эмпирической зависимости к функциональной (при которой R2= 1), и ошибку уравнения SE.
Например, полином (1.5) может дать лучшую аппроксимацию по сравнению с аллометрическим уравнением (1.7) (Семечкина, 1978; Singh, 1984), но при этом сместить значения функции при малых значениях аргумента за пределы реальных величин (рис. 1.1). Некоторые авторы даже рекомендуют подправлять эту зависимость «от руки», забывая при этом, что аналитическое выражение зависимости не является самоцелью.
Природные условия Семиозерного лесхоза в Северном Казахстане
Район исследований относится к провинции Тоболо-Убаганской равнинной степной зоны Казахстана (Казахстан, 1969), которая расположена между Зауральским плато на западе, Тургайским плато на юге, левобережьем Ишима на востоке и колочной лесостепной равниной на севере. Исследования проведены в бору Аман-Карагай, находящемся на левобережье р. Убаган, в ПО км к юго-востоку от г. Кустанай (рис. 2.2). Бор площадью 80,9 тыс. га (Грибанов и др., 1970) представляет собой два песчаных, вытянутых в северо-восточном направлении, разобщенных массива, которые располагаются на территории Баса-манского и Семиозерного лесхозов Кустанайской области (на рис. 2.2 обозначены цифрой III).
Геологическое строение и рельеф. Тургайская ложбина является эрозионно-тектоническим образованием. Ее плоское днище, достигающее ширины 80-100 км (Гвоздецкий, Николаев, 1971), сложено средне-верхнечетвертичными слоистыми аллювиальными и аллювиально-озерными отложениями. Они представлены зеленовато-серыми, коричневыми, местами желтоватыми карбонатными глинами и прослоями песков и алевролитов мощностью до 20 м. Склоны ложбины сложены более древними третичными породами. А.Г. Доскач и Ф.Я. Левина (1959) отмечают тенденцию к прогрессирующему иссушению тальвега ложбины. Это подтверждается широким распространением здесь засоленных почв.
Рельеф равнинный столово-ступенчатый, состоящий из нескольких геоморфологических уровней. Происхождение его связано с аллювиальными и последующими золовыми процессами. Верхние ступени представлены пластовыми плато с абсолютной высотой 250-320 м, нижние - равнинами с отметками 150-200 м (Гвоздецкий, Николаев, 1971). Основной фон рельефа представляют повышенные бугристо-грядовые песчаные массивы, как правило, занятые ландшафтами островных сосновых боров. Эоловые формы рельефа чередуются с пологими песчаными валами и покатыми всхолмлениями. Среди повышенных бугристых песков извилистую сеть рукавов образуют лугово-степные равнинные участки.
Своеобразие рельефа, а также различия почвообразующих пород придают относительно большую пестроту почвам и растительному покрову.
Климат. Климат района исследований резко континентальный, характеризуется жарким и сухим летом, которое сменяется холодной и малоснежной зимой (Агроклиматический справочник Кустанайской области, 1958, 1969).
Анализ годового хода метеорологических элементов по средним многолетним данным показывает, что среднемесячная температура самого теплого месяца - июля составляет 20,1, а самого холодного - января - 18,1 мороза. Годовая амплитуда абсолютных температур воздуха равна 89, среднегодовая температура 1,6. Теплый период со средней суточной температурой выше 0 длится 199 дней, начинаясь 9 апреля и заканчиваясь 24 октября. Сумма положительных температур за этот период равна 2800.
Относительная влажность воздуха в среднем за год равна 70 %, максимальные ее значения отмечаются в зимний период (80-81 %), минимальные - в летний (25-30 %). Низкая влажность воздуха и высокая его температура определяют атмосферные засухи, которые быстро вызывают снижение запасов влаги в почве до уровня недоступного для растений (Бирюкова, 1974).
Годовое количество осадков составляет 242 мм, из них в теплый период (с апреля по октябрь) - 198 мм, в холодный (ноябрь-март) - 44 мм (рис. 2.3). Снежный покров держится около полугода, однако, незначительная его толщина обусловливает глубокое промерзание почвы. Сход устойчивого снежного покрова приходится на первую половину апреля, его образование - на ноябрь месяц.
Число дней со скоростью ветра более 15 м/сек составляет в среднем около десяти в год. В зимнее время нередки снежные метели и бураны. В летний период господствующими являются ветры северных и северо-западных румбов. Сила ветра возрастает весной, особенно с начала марта, более слабые ветры отмечаются летом - в июле-августе.
Методика полевого опыта. Закладка пробных площадей
Перед полевыми работами на основе маршрутного обследования районов исследований были подобраны участки насаждений для закладки пробных площадей. Пробные площади закладывались с учетом теоретических положений лесной таксации согласно ОСТ 56-69-83 "Пробные площади лесоустроительные". Размеры пробных площадей устанавливали в соответствии с требованиями, предъявляемыми при изучении хода роста древостоев. Для закладки пробных площадей выбирали насаждения, наиболее однородные по всем таксационным показателям и условиям местопроизрастания. Во избежание опушечного эффекта они закладывались не ближе 20 м от просек, дорог, прогалин и других открытых участков.
На пробных площадях выполняли сплошной перечет деревьев по элементам леса, категориям технической годности (деловые, полуделовые, дровяные) и ступеням толщины без выделения подчиненной части. Сухостойные деревья учитывались отдельно. При среднем диаметре древостоя до 10 см ступени принимались равными 1 см, от 10 до 20 см - 2 см и выше 20 см - 4 см. В этом случае общее число ступеней, как правило, колеблется в пределах 5 - 10.
После перечета для элементов леса, представленных в составе тремя единицами и более при помощи высотомера измеряли высоты у 15-20 растущих деревьев. При этом деревья отбирались механическим путем. Для элементов леса с меньшими коэффициентами состава ограничивались измерением высот у трех деревьев из центральной ступени толщины. У деревьев, отобранных для измерения высот, определяли также диаметры с точностью до одного миллиметра. По этим данным строили графики высот деревьев в зависимости от диаметров, которые использовались для определения средней высоты древостоя элемента леса.
Для определения фитомассы деревьев и древостоев взяты модельные деревья. Систематическая выборка их формируется в соответствии с рядом распределения деревьев по диаметру. Модельные деревья отбирались средними по диаметру, высоте и размерам кроны для ступени толщины в пределах всего диапазона варьирования их диаметров на площади.
Модельные деревья брали в августе месяце после полного формирования хвои. После рубки измерялись длина дерева, протяженность бессучковой части, диаметр ствола у основания кроны. Ствол делили на секции длиной, равной 1/10 высоты дерева. На середине секций и на высоте груди определяли диаметры ствола в коре. В каждом сечении выпиливали диск, измеряли его толщину и диаметры в коре и без коры в двух направлениях с целью определения объема. Затем отделяли кору, взвешивали с точностью до 0,1 г отдельно древесину и кору до и после сушки при температуре 100-105 С до постоянного веса. Рассчитывали базисную (условную) плотность древесины и коры дисков и по полученным результатам переводили показатели ствола из объемных единиц в весовые. Возраст устанавливался по числу годичных слоев на пне.
После валки дерева обрубали последовательно каждую мутовку в направлении от нижней части кроны к верхней. Взвешивали мутовку целиком, а затем отбирали среднюю ветвь, взвешивали с точностью 5 г и удаляли всю хвою, в том числе хвою текущего года. По навескам хвои и ветвей, взятым в средней части каждой трети кроны, и взвешенным до и после сушки до постоянного веса, рассчитывалась доля хвои в массе каждой мутовки и определялась масса хвои всего дерева и скелета кроны (ветвей).
Экспериментальные значения фитомассы на пробных площадях в расчете на 1 га определены регрессионным методом.
Математико-статистическая обработка материалов производилась на персональных компьютерах IBM PC по программам STATGRAFICS и EXCEL.
Закономерности изменения фитомассы в древостоях по возрастному и густотному градиентам
Фактические данные фитомассы получены на пробных площадях в культурах сосны Тургайского прогиба, произрастающих в свежих условиях (I класс бонитета), по схеме двумерного "креста", т.е. по возрастному градиенту для наиболее распространенного класса бонитета и по густотному градиенту при фиксированном уровне возраста (табл. 4.3). В таблице 4.3 приняты следующие обозначения таксационных показателей древостоев: Нюо - класс бонитета, выраженный средней высотой древостоя в возрасте 100 лет по бонитетной шкале М.М. Орлова, м; А - возраст древостоя, лет; G — сумма площадей сечений, м /га; D - средний диаметр стволов, см; Н — средняя высота древостоя, м; М — запас стволовой древесины в коре, м3/га.
Для аналитического описания зависимости фитомассы от двух массооп-ределяющих факторов (таксационных показателей) — возраста и густоты - принята структура модели где Pt - фитомасса насаждения по фракциям: ствол в коре, ветви, хвоя и общая соответственно-Р& PB,PF иРлво,т/га.
При расчете констант уравнений (4.3) значимость константы аз при lniV оказалась ниже статистически достоверного уровня: для массы ветвей и хвои соответственно Цакг = 0,48 tos =2,0 и Цакт = 0,68 tos =2,0. Для массы стволов и надземной получены уравнения соответственно
Графическая интерпретация (4.4) и (4.5) в диапазоне возраста (от 10 до 30 лет) при густоте 3-4 тыс. деревьев на 1 га и в диапазоне густоты от 2 до 5 тыс. деревьев на 1 га в возрасте 15-20 лет дана на рис. 4.4 и 4.5. Судя по рис. (4.4) и (4.5), фитомасса стволов и надземная на 1 га при одной и той же густоте (3-4 тыс. деревьев на 1 га) увеличиваются соответственно в 9 и 5 раз, а при одном и том же возрасте (15-20 лет) возрастают при увеличении густоты с 2 до 5 тыс. деревьев на 1 га соответственно на 85 и 54 %.
Для построения таблиц возрастной динамики фитомассы в исследованных регионах по данным таблицы (4.3) были рассчитаны регрессионные модели в два этапа.
На первом этапе ставилась задача выявить различия культур сосны пред-лесостепи Зауралья и сухой степи Тургая по надземной фитомассе, произрастающих в одних и тех же условиях увлажнения, а именно во влажном типе, характеризуемом I классом бонитета. По фактическим данным фитомассы каждой фракции Р, (табл. 4.3) рассчитаны регрессионные модели: где А - возраст древостоя, лет. Два региона закодированы в (4.6) бинарной фиктивной переменной: X = 0 для культур предлесостепи и X = 1 для культур сухой степи. Коэффициенты детерминации составили для массы стволов, ветвей и хвои соответственно 0,898; 0,771 и 0,583, т.е. уравнения (4.6) объясняли от 90 до 58 % изменчивости фитомассы разных фракций.
Однако влияние принадлежности культур к двум разным регионам на их фитомассу оказалось статистически не достоверным: для массы стволов Цй1СТ = 1,0 t05 =2,0, для массы ветвей Цакт = 0,5 К tos =2,0 и для массы хвои Цакт = 0,68 tos=2,0.
Таким образом, культуры сосны двух регионов не различаются по надземной фитомассе, несмотря на то, что относятся к двум разным природным подзонам, имеют разную густоту посадки и разные уровни промышленного загрязнения.
Поэтому на втором этапе пробные площади для культур предлесостепи и сухой степи, произрастающих в одинаковых эдафических условиях (I класс бонитета) объединены в одну группу и выполнено сопоставление фитомассы культур сосны во влажных (I класс бонитета) и сухих (III класс бонитета) условиях с последующим составлением таблиц возрастной динамики.
Поскольку для культур сосны в предлесостепи Зауралья экспериментальный материал по их фитомассе получен впервые и в ограниченном количестве, для составления таблиц возрастной динамики фитомассы принят метод выравнивания возрастных трендов как таксационных показателей, так и значений фитомассы древостоев.
