Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы 12
1.1 О географических закономерностях продуктивности березовых насаждений Северной Евразии 12
1.2. Морфоструктура и продуктивность березовых насаждений семен ного и порослевого происхождения 29
1.3 Состояние исследований по оценке запасов углерода на лесопо- крытых площадях Евразии 44
Глава 2. Общая характеристика районов и объектов исследования 66
2.1. Природные условия района исследования 66
2.1.1. Местоположение, рельеф, геология и гидрология. 66
2.1.2. Климат 69
2.1.3. Природные зоны и почвенный покров 71
2.2. Характеристика и состояние лесного фонда в районе исследования 73
2.3. Объекты исследований и объем работ 78
2.4. Характеристика базы данных о содержании углерода в фитомассе березовых насаждений Северной Евразии 79
Глава 3. Методика исследований 87
3.1. Выбор и обоснование методов исследований 87
3.2. Методика отбора модельных деревьев на пробной площади 91
3.3. Обработка модельных деревьев на пробной площади 95
Глава 4. Определение запаса углерода в надземной фитомассе березовых насаждений семенного и порослевого происхождения в колочной лесостепи 99
4.1. Результаты определения запаса углерода в фитомассе отдельных деревьев 99
4.2. Модели и таблицы запасов углерода в фитомассе на уровне древостоя 110
Глава 5. База данных о запасах углерода в фитомассе березовых насаждений Северной Евразии и их географический анализ 117
5.1. Структуризация базы данных по основным массообразующим показателям, построение эмпирических моделей и возрастных трендов запаса углерода в березняках 117
5.2. География распределения запасов углерода, полученных по материалам базы данных 132
Глава 6. Составление таблиц хода роста березовых насаждений по за пасу углерода в их фитомассе по регионам Северной Евразии 146
6.1. Принципы агрегации моделей для оценки углерода в фитомассе с региональными таблицами хода роста древостоев 147
6.2. География табличных показателей запасов углерода 148
Глава 7. Расчет верхних пределов запаса органического углерода в березовых насаждениях Северной Евразии и их география 153
7.1. Моделирование верхних пределов массообразующих показателей древостоев 153
7.2. Моделирование верхних пределов запаса углерода в фитомассе древостоев 158
7.3. Географические закономерности распределения предельного запаса углерода в фитомассе древостоев 159
Заключение 165
Литература 168
Приложения 191
- Морфоструктура и продуктивность березовых насаждений семен ного и порослевого происхождения
- Характеристика базы данных о содержании углерода в фитомассе березовых насаждений Северной Евразии
- Методика отбора модельных деревьев на пробной площади
- Модели и таблицы запасов углерода в фитомассе на уровне древостоя
Введение к работе
Актуальность темы.
Накопление углеродсодержащих газов С02, СО, СЩ, хлорофлюороуг-леродов и др., из которых абсолютно преобладает первый, приводит к так называемому парниковому эффекту как следствию минимизации фитомассы растительного покрова планеты при одновременной максимизации содержания С02 и других парниковых газов в атмосфере (Межжерин, 1994). Согласно прогнозам (Gammon et al., 1985), в ближайшие 200—300 лет содержание СОг в атмосфере может подняться в 10 раз и за сравнительно короткое время достичь уровня, который уже был на Земле 100 млн лет назад. Исходя из этой тенденции в следующем столетии может наступить глобальное потепление климата с непредсказуемыми и необратимыми катастрофическими последствиями.
Но есть и противоположная точка зрения, согласно которой сегодня наиболее реальна перспектива антропогенной потери устойчивости биосферы, которая по своей опасности для человечества превалирует над последствиями глобального потепления, антропогенный характер которого пока не доказан (Сун и др., 2001; Тарко, 2001; Яншин, 2001; Котляков, 2001; Иноземцев, 2002; Кондратьев, 2002). Более того, деятельность Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) и решения ООН по вопросам глобального потепления иногда характеризуются как «примеры недобросовестного использования науки для решения геополитических проблем» (Демирчян и др., 2002. С. 45). Сторонниками подобной точки зрения являются геофизики и метеорологи, специалисты по теории и истории климата Земли. Показателен в этом отношении результат исследований, проведенных на Урале Из приведенной диаграммы очевидно следует, что температура поверхности Земли в средневековье (1100-1200 гг.) была примерно на 0,4 °С выше температуры в XX веке (1900-1980 гг.), и «теперешнее потепление -пока еще естественный процесс» (Демежко, 2003«. С. 5).
В качестве одного из вариантов решения проблемы компенсации антропогенных выбросов СОг предлагаются приемы повышения продуктивности фитомассы лесов (Dyson, 1977) и интенсификации лесного хозяйства (Winjum et al., 1993). Потенциальный уровень глобальной компенсации содержания углерода в атмосфере составляет около 10 Гт/год, в том числе в тропиках, умеренной и бореальной зонах соответственно 70, 20 и 10 % (Global ВЮМЕ Program, 1991).
Последние расчеты (Brown, 1996) показывают, что путем интенсивных лесоводственных мероприятий в течение предстоящих 50 лет можно скомпенсировать 11—15 % антропогенных выбросов СОг в атмосферу за тот же период. При этом предполагается но существу тройной эффект: депонирование излишков углерода, повышение ресурсного потенциала и улучшение природной среды (Яблоков, 1995).
Однако климатические изменения влекут за собой трудно предсказуемые последствия для самих лесов на уровнях растения, экосистемы, биома (Krauchi, Xu, 1995). Разные виды растений имеют разные адаптивные реакции. Поскольку на ближайшие десятилетия предсказываются изменения климата более существенные, чем за последние тысячелетия, легко приспосабливающиеся виды будут находиться в лучших условиях. Быстрое изменение климата может вызвать разрушение лесных экосистем, снижение их продуктивности и возобновительной способности. Если в ближайшие 50 лет среднегодовая температура поднимется на 1,5 °С, то граница лесов в Европе и Северной Америке сместится к северу на 200 км. При более существенных климатических изменениях бореальные хвойные леса Европы продвинутся на крайний север Скандинавии, широколиственные неморальные леса сместятся из Англии в Шотландию, а склерофильная растительность Средиземноморья достигнет Англии (Holdgate, 1995). Сейчас невозможно предвидеть последствия такого перераспределения растительного покрова для планетарной фитомассы лесов и интенсивности связывания ими атмосферного углерода.
Среди наземных экосистем эффективность фотосинтеза лесов (0,33 %) намного выше по сравнению с агроценозами (0,25 %) и травянистой растительностью (0,1 %) (Агесс, 1982). Поэтому Международной Конвенцией ООН но климату, принятой в 1992 г., предусмотрено максимально облесить земли, неудобные для других видов пользования. В США разрешение на строительство новых тепловых станций на ископаемом топливе связано с обязательствами облесения соответствующих площадей в странах тропического пояса, ежегодно теряющих вследствие рубок более 3 млрд. т фитомассы. В лесах умеренной зоны лесопосадки ежегодно проводятся на площади около 1 млн. га. Однако роль такого процесса, видимо, ограничена. Подсчитано, что для компенсации всех антропогенных выбросов углекислоты в атмосферу потребуется засадить площадь размером с Европу — от Атлантики до Урала (Nilsson, 1992). Нереально изыскать такие свободные площади в мире, где население составляет 6 млрд. человек, а к середине XXI столетия необходимо будет обеспечить средствами существования 8,5—10 млрд. людей.
В этой связи наряду с облесением предполагается замена ископаемого топлива "энергетической" древесиной путем переключения энергетики на активный углеродный цикл. Данная проблема экономическая: сегодня стоимость 1 кВт/ч составляет 1,5—2,0 пенса, а "энергетические" плантации становятся рентабельными при его цене 3—5 пенсов (Holdgate, 1995).
Новую экономическую значимость приобретает биосферная роль лесов в целом, предстоит смена приоритетов в системе кадастровой оценки лесных земель. При необходимости компенсации антропогенных выбросов СОг получает стоимостную оценку каждая тонна депонируемого лесной растительностью углерода. Эти оценки варьируют и разных странах от 2-31 (Winjum et a 1., 1993) до 79 (Hoen, Solber, 1994) американских долларов, а в расчете на 1 га лесопокрытой площади — от 80 до 1700 (Winjum et al., 1993) и даже до 3000 (Медведев, 1997) долларов.
Предстоит не просто смена парадигм в лесоводстве и лесопользовании (Тупыця, 1977; Тепляков, 1994; Уткин, 1995), но глубокая перестройка всей экономики. В рамках международных соглашений предполагается распределение квот на выбросы углекислоты. Увеличение таких квот в одних странах за счет компенсирующего снижения выбросов в других получило название углеродного кредита. Имеется в виду увеличение квоты НА выброс СОг от энергетики одних стран за счет их инвестиций и лесовосста-новления в других. В пределах страны такой принцип может быть перенесен и на отношения между регионами. Предусматривается не только плата за загрязнение в ходе экологизации системы налогообложения, но и формирование особого рынка разрешений на загрязнение (Гусев, Гусева, 1996).
В этой связи мировое научное сообщество проявляет повышенный интерес к изучению биологической продуктивности и углерододепони-рующей способности лесов, необходимым для оценки их роли в глобальных экологических циклах. Реализации этой задачи на примере естественных березовых лесов Северной Евразии посвящена настоящая работа.
Исследования автора проводились в 2002-2004 гг. в рамках проектов «Оценка запасов углерода и углеродно-кислородного бюджета в лесных экосистемах Уральского региона» и «Картирование углерододепонирующей емкости лесных экосистем Уральского региона», гранты РФФИ №№ 01-04-96424 и 04-05-96083 (руководитель проектов - профессор Усольцев В. А.).
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучение структуры органического углерода, депонируемого в фитомассе березовых насаждений, на двух уровнях - локальном и глобальном. В первом случае ставилась цель оценки распределения углерода в фитомассе березняков семенного и порослевого происхождения в условиях колочных лесов, а во втором - анализировались географические особенности распределения по регионам Северной Евразии запасов углерода в фитомассе березняков, полученных: (а) по материалам сформированной базы данных, (б) по таблицам хода роста березняков по запасу углерода и (в) по предельным (по условию самоиз-реживания) густотным траекториям. В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования были:
• изучить особенности структуры органического углерода, депонируемого в фитомассе березняков семенного и порослевого происхождений в условиях колочных лесов;
• на основе привлечённых и собственных экспериментальных данных о фитомассе березовых древостоев выявить зональные и провинциальные закономерности распределения запаса углерода в них;
• составить таблицы хода роста березняков по содержанию углерода в их фитомассе по регионам Северной Евразии и установить географические закономерности его распределения;
• выявить зональные и провинциальные закономерности изменения предельных запасов углерода в фитомассе березовых древостоев.
Научная новизна. Впервые выполнена сравнительная оценка березняков семенного и порослевого происхождения по содержанию углерода в их фитомассе в условиях колочных лесов. Собрана наиболее полная коллекция экспериментальных данных о запасах углерода в фитомассе березовых насаждений Северной Евразии, существенно превышающая объем всех известных сводок подобных данных. Это позволило впервые для березняков разработать систему универсальных региональных моделей для оценки запасов углерода в фитомассе и проанализировать на их основе географические закономерности распределения запасов углерода: а) полученных непосредственно по материалам пробных площадей, б) взятых из составленных таблиц хода роста естественных бе 10
резняков по содержанию углерода в их фитомассе и в) рассчитанных по предельным густотным траекториям.
Практическая значимость работы состоит в разработке нормативных материалов, необходимых при расчетах углеродного бюджета лесных экосистем Северной Евразии, при реализации систем лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения березовых насаждений Северной Евразии. Результаты работы могут быть полезны при разработке лесного кадастра, осуществлении лесного мониторинга и экологических программ разного уровня.
Разработанные нормативы используются Свердловской лесоустроительной экспедицией (имеется справка о внедрении) при устройстве березовых лесов.
Обоснованность выводов и предложений. Использование обширного экспериментального материала и современных методов статистического анализа, системный подход при содержательном анализе фактических материалов и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне многофакторных регрессионных моделей, использование современной вычислительной техники и адекватных компьютерных программ определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов и предложений.
Личное участие автора. Все виды работ по теме диссертации от сбора экспериментального материала до анализа и обработки полученных результатов осуществлены автором или при его непосредственном участии.
Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», Вологда, 2003; 2-й Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье», Белгород, 2004; на 5-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса», Брянск, 2004; на % Международной научно-практической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития», Брянск, 2004.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и 4 приложений. Список использованной литературы включает 250 наименований, в том числе 48 иностранных. Текст иллюстрирован 19 таблицами и 45 рисунками.
Морфоструктура и продуктивность березовых насаждений семен ного и порослевого происхождения
Морфологические особенности берез семенного и порослевого происхождений. Обширные территории лесостепной и степной подзон на равнинах Западной Сибири и Северного Казахстана заняты колками, обычно произрастающими в блюдцеобразных понижениях. Межколочные пространства часто заняты сельхозугодьями, поэтому семенное возобновление ограничено пределами колков. Однако в естественных березняках всех типов леса на протяжении всей жизни вследствие разреженности полога формируется мощный напочвенный покров из травянистой растительности. Лесная подстилка сплошного покрытия не образует, а сосредоточена лишь под кронами деревьев. Вследствие этого под пологом семенное возобновление протекает слабо, несмотря на хорошие урожаи семян. После вырубки древостоя семенному возобновлению препятствует развитие травяного покрова и задернение злаковыми, а в свежих типах леса - обильная корнеотпрысковая поросль осины. В результате береза возобновляется семенным путем только на 7 % площадей березовых вырубок (Данченко, 1982; Данченко и др., 1991).
Поэтому в лесостепной и степной зонах Западной Сибири абсолютно преобладают порослевые березняки (Бобко, 1968). Они характеризуются специфичной морфоструктурой (рис. 1.9 и 1.10), зависящей от структуры материнского древостоя, возобновительной способности пней, связанной в свою очередь с сезоном и возрастом рубки, а также - от числа порослевых генераций (Кузьмичев, 1963; Шандер, 1970; Усольцев, 1985). Н. А. Лохматое (1964) полагает, что молодой куст поросли в сущности является бесствольным. деревом, с кроной у самой почвы. После зимней или ранневесенней рубки на одном пне может появиться до 150 порослевий, а их высота в первый год достигает иногда 2 м, поскольку мощная корневая система, обслуживавшая ранее материнское дерево, обеспечивает теперь молодые растения обильным питанием, интенсивно формируя новую крону. При летних рубках возобновление растягивается на два года, при этом в первый год поросль растет очень слабо. При позднелетних или осенних рубках возобновление появится только на следующий год (Данченко, 1982),
Характер формирования поросли у всех лиственных пород примерно один и тот же. Порослевины возникают обычно по всей окружности пня (рис. 1.11) и интенсивно изреживаются в первые годы жизни. У твердолиственных дуба и ясеня поросль очень слабо соединена с древесиной пня, поскольку внутрикорковая ее часть ущемлена грубой коркой. В результате часть порослевий обламывается (рис. 1.12). У березы наиболее крупные порослеви ны в возрасте 10-13 лет иногда выворачиваются из земли вместе с корневой "лапой", так как к этому времени сгнивает надпочвенная "пневая" часть материнской корневой системы.
Независимо от лесорастительных условий порослевая способность березы, или число пней, давших поросль, в возрасте до 40-60 лет достигает 70-90 %, а с увеличением возраста рубки снижается до 56-75 % (Шандер, 1970). а на Алтае береза после 50 лет дифференцирована по данному показателю: у семенной он составляет 38 %, а у порослевой способность возобновляться теряется полностью (Калачев, 2000).
Особенности хода роста и продуктивности березняков семенного и порослевого происхождений. Продуктивность модальных (т.е. наиболее представленных в лесном фонде) порослевых березняков Западной Сибири и Северного Казахстана в возрасте спелости (50 лет) снижается по зональному градиенту и характеризуется в подзоне умеренно-засушливой степи запасом 155 м /га; в подзоне засушливой степи - 103 м /га и еще южнее, в подзоне сухой степи - 91 м/га (Данченко и др., 1991). Таким образом, профиль продуктивности березняков на южном пределе ареала повторяет в зеркальном отражении таковой на его северном пределе (см. рис. 1.7).
Продуктивность нормальных (сомкнутых) порослевых березняков в возрасте спелости существенно выше и составляет в условиях колонной лесостепи (Курганская область) в древостоях I, II и III классов бонитета соответственно 250, 209 и 171 м7га (Бобко, 1969).
Более высокая продуктивность порослевых древостоев в первые десятилетия роста по сравнению с семенными общеизвестна и отражена в соответствующих бонитировочных шкалах М. М. Орлова (рис, 1.13). Согласно упомянутым шкалам, семенные древостой обгоняют порослевые по высоте лишь к возрасту около 100 лет.
Как показали сравнительные исследования березняков семенного и порослевого происхождений в степной зоне Тургайского прогиба (Усолыдев, 1979), выравнивание показателей роста и прироста тех и других на уровне дерева происходит гораздо раньше: по объему ствола среднего дерева в древостое - в 27 лет (рис. 1.14) и по объемному приросту ствола - в 12-22 года, причем у деревьев высших рангов выравнивание прироста наступает раньше, чем у деревьев низших рангов (рис. 1.15),
Известно, что рост конкретного древостоя и даже некоторых их совокупностей обычно отклоняется от общебонитировочных шкал. М. В. Давидовым (1975, 1976, 1978) показано, что эти отклонения могут иметь закономерный характер в древостоях как семенного, так и порослевого происхождения. Исследованиями установлено, что древостой лиственных пород (береза, ольха, дуб, бук) не всегда следуют "обычному" типу (Т0), т.е. с умеренным ростом в высоту, нашедшим отражение в опытных таблицах хода роста. Часто они растут с. различной энергией, особенно в молодом возрасте; с убывающей (Ту) или возрастающей (Тв). На примере черноольховых насаждений М. В. Давидов (1976) показал, что типы роста имеют лесотипологическую приуроченность (рис. 1.16).
Характеристика базы данных о содержании углерода в фитомассе березовых насаждений Северной Евразии
Для оценки запасов углерода в надземной фитомассе в чистых естественных березняках семенного и порослевого происхождения на территории Согровского лесхоза вблизи границы между Тюменской и Северо-Казахстанской областями (см. рис. 2.1) заложены соответственно 4 и 5 пробных площадей (табл. 2.1). Подобраны наиболее характерные, типичные для подзоны южной лесостепи участки. Модельные деревья взяты в количестве 10 шт. на каждой пробной площади, в пределах всего диапазона ступеней толщины. Получены данные о запасах углерода в структуре надземной фитомассы 90
Составленная база данных о запасах углерода в фитомассе березняков включает в себя 476 определений, которые позаимствованы из 130 литературных источников и сопровождаются полной таксационной и частично лесотипо-логической характеристиками пробных площадей (приложение 1).
Для территории России разработано множество схем ландшафтного, геоботанического, лесохозяйственного, лесотаксационного, лесоэкономического, лесосеменного, лесопирологического районирования (Сочава, 1953; Крылов, 1959; Цепляев, 1961; Шумилова, 1962; Курнаев, 1973; Смагин и др., 1978; За-греев, 1978; Лесосеменное..., 1982; Софронов, Волокитина, 1990; Исаченко, 1996). С целью выявления в пределах каждой лесорастительной зоны (подзоны) провинциальных закономерностей углерододепонирующеи емкости лесов на зональную схему Н. И. Базилевич (Базилевич, Родин, 1967) нами наложены схемы лесорастительного районирования (Курнаев, 1973; Смагин и др., 1978; Коротков, 1978). При этом провинции, выделенные С. Ф. Курнаевым (1973) на территории Восточной Европы, укрупнены в широтном направлении: в Скандинавско-Русскую провинцию включен также юг Русской равнины; в Восточную часть Русской равнины включена Западно-Казахстанская провинция, а в Западно-Сибирскую вошла Восточно-Казахстанская провинция. Экспериментальные данные о запасах углерода после нанесения на схему зонально-провинциального деления территории распределились по 29 регионам (рис. 2.4).
Однако в базу данных не включены абиотические (климатические) характеристики, поскольку они либо проигнорированы исследователями, либо приводились с разным периодом осреднения и были несопоставимы. С учетом же специфики принятого нами метода анализа необходимости в них не было. Эти показатели по мере надобности могут быть получены дополнительно из соответствующих справочников.
То же самое относится и к вертикальной составляющей местоположения пробных площадей: обычно исследователями высота над уровнем моря не фиксировалась, но ее ориентировочные значения по мере необходимости могут быть получены по приводимым в базе данных координатам.
Исходный массив данных включает в себя экспериментальные показатели запасов углерода по фракциям фитомассы (ствол, ветви, хвоя, корни, нижние ярусы) и запаса стволовой древесины, а также - основные массообразующие показатели и состоит из 452 определений для В. pendula и В. pubescens, (провинции Средне-Европейская, Скандинавско-Русская, Восток Русской равнины, Уральская, Западно-Сибирская, Средне-Сибирская, Восточно-Сибирская, Дальний Восток (Приморье), Забайкальская, Алтае-Саянская, Кавказско-Малоазиатская); 6 - для В. tortuosa (лесотундра Востока Русской равнины и средняя тайга Восточно-Сибирской провинции), а также по 1-3 определений для В. kusmisscheffii (северная тайга Востока Русской равнины), В. ermani (северная тайга Дальнего Востока, южная тайга Забайкалья и Япония), В. platyphylla (средняя тайга Дальнего Востока и Япония), В. costata (Дальний Восток, Приморье), В. maximowicziana и В. grossa (Япония), В, gmelini и В. lanata (южная тайга Забайкалья). Подавляющая часть экспериментальных данных (95%) приходится на долю В. pendula и В. pubescens , анализируемых далее совместно. Аналогичным образом совместно проанализированы В, ermani, В. platyphylla, В. maximowicziana и В. grossa в Японии, а остальные малочисленные данные (Д tortuosa, В. kusmisscheffii, В. japonica, В. ermani, В. costata, В, platyphylla, В. gmelini, В. lanata) включены в анализ по регионам вместе с В. pendula и В. pubescens.
Заслуживает специального упоминания вопрос методически обусловленной точности определения запасов углерода на пробных площадях. Она была разной, поскольку применялись разные методики: по надземной части методы как среднего дерева, так и ступеней толщины, по подземной - методы площади питания среднего дерева, малых или больших почвенных монолитов; корни как отмывались, так и отбирались вручную, с отсеиванием или без него; мелкая фракция корней иногда вообще не учитывалась. Имела место и неопределенность с разделением фитомассы на надземную и подземную, поскольку точку гипокотиля (начала роста) обычно не устанавливали и в подземную фитомассу включали весь пень, куда входила и какая-то часть ствола.
В базу данных включены показатели запасов углерода в фитомассе не только основных (собственно древостоя), но и нижних ярусов: подлеска, подроста и напочвенного покрова. Наличие или отсутствие каждого из перечисленных нижних ярусов в отдельности определяется многими факторами, которые в базе данных учесть не представляется возможным. Кроме того, не все исследователи ставили целью учесть все нижние ярусы, тем более с разделением их фитомассы на надземную и подземную. Последняя часто игнорировалась или включалась в фитомассу корней древостоя. Поэтому в базу данных введен один показатель запаса углерода, общий для всех нижних ярусов. Другая неопределенность, связанная с названным показателем, - отсутствие разграничения между пробными площадями, где нижние ярусы не были учтены исследователями, и площадями, где они отсутствовали вследствие высокой сомкнутости полога либо из-за специфичных эдафических условий.
Не все регионы обеспечены данными о запасе углерода в фитомассе корней и нижних ярусов. Для таких регионов значения констант соответствующих блоковых переменных принимали равными таковым для соседних регионов. Упомянутый прием дает какое-то расхождение между фактическим (но пока неизвестным) и рассчитанным таким способом (условным) показателем запаса углерода в фитомассе корней или нижних ярусов.
Методика отбора модельных деревьев на пробной площади
Фитомассу насаждения на пробной площади можно определить методом сплошной рубки и взвешивания всех деревьев. Именно таким образом оценивается надземная фитомасса саксаульников в пустынях Средней Азии. Саксаул представлен биоморфой, близкой к кустарниковому типу, и его характеризуют многоствольность, отсутствие четкого распознавания ствола и ветвей, а также -отсутствие привычного листового аппарата (фотосинтез осуществляется молодыми неодревесневшими побегами). Высокая плотность (выше 1,0) и относительно низкая влажность древесины довершают перечень особенностей, определяющих правомерность применения в саксаульниках такого метода, при котором учитывается надземная фитомасса в целом, т.е. без ее фракционирования (Усольцев, 1988).
Подобный метод не может быть применен к насаждениям лесной зоны, где требуется расчленение фитомассы и ее первичной продукции на составляющие фракции древесину ствола, кору ствола, листву, древесину ветвей, кору ветвей, корни. (Исключение составляют случаи, когда сплошной учет фитомассы и ее продукции необходим для проверки либо оценки точности того или иного метода выборочного учета). Затем необходимо взвешивание и определение в каждой фракции содержания сухого вещества, поскольку фитомасса и ее продукция должны оцениваться в абсолютно сухом состоянии: влажность фракций чрезвычайно изменчива и варьирует в зависимости от многих факторов, даже в течение суток. Практиковавшийся в начальный период изучения биопродуктивности учет фитомассы в воздушно-сухом состоянии в настоящее время полностью отвергнут, поскольку названное состояние не имеет количественной характеристики.
В такой ситуации единственную возможность оценки фитомассы и продукции насаждения дает выборочный метод, когда взвешиваются и фракционируются не все деревья на пробной площади, а лишь определенная их часть, репрезентативная (типичная) по отношению к генеральной совокупности. Выборка осуществляется двумя способами, соответственно по учетным и модельным деревьям.
Отбор учетных деревьев по сравнению с модельными в большей мере обеспечивает репрезентативность выборки, поскольку исключает субъективность подхода того или иного исследователя. Деревья отбираются путем систематической выборки в процессе перечета на пробной площади. Отмечается и рубится каждое 5-е, 10-е или 20-е дерево, в зависимости от требуемой точности учета. Но в любом случае выборка должна быть достаточно большой, чтобы исключить влияние на результат нетипичных (дефектных) деревьев. Подобный метод используется, например, при сортиментации древостоя или составлении сортиментно-сортных и объемных таблиц.
В нашей работе при определении запасов углерода насаждений, вследствие высокой трудоемкости процедур фракционирования, взвешивания фитомас-сы и исключения из нее воды, применен метод модельных деревьев. Их отбор осуществлялся не в ходе перечета, а после его завершения, с использованием полученной ведомости перечета, или ряда распределения деревьев на пробной площади по диаметру ствола. Модельные деревья соответствовали средним условиям роста деревьев в пределах изучаемого насаждения или в пределах ступени толщины. Отбору модельных деревьев предшествовало предварительное натурное определение структурных и дендрометрических характеристик насаждения, т.е. расчет его таксационных показателей.
Считается, что точность учета фракций фитомассы насаждения зависит от метода отбора модельных деревьев (Молчанов, Смирнов, 1967; Горбатенко, Протопопов, 1971; Семечкина, 1978). На начальном этапе исследований, в том числе в ходе выполнения Международной биологической программы (МБП) в 1960-х годах, практиковалось определение фитомассы древостоя по массе среднего дерева и числу деревьев на 1 га. Однако отклонения от фактических значений массы древесного полога в этом случае достигали 110 % и более (Поздняков и др., 1969). Низкая точность такого метода объясняется тем, что места среднего дерева в ряду распределения различаются для разных фракций фитомассы и запаса стволовой древесины, и даже для отдельной фракции место среднего дерева может существенно смещаться от древостоя к древостою (Се-мечкина, 1978).
Лучшие результаты дает отбор нескольких модельных деревьев на пробной площади в пределах всего диапазона варьирования их размеров. Методы их отбора и общее число разными исследователями рекомендуются самые разнообразные. Лучшим признается отбор деревьев, типичных для каждой ступени толщины, по пропорционально-ступенчатому представительству (Горбатенко, Протопопов, 1971), когда форма распределения всех деревьев по диаметру на пробной площади как бы повторяется в распределении модельных деревьев. По существу, подобное повторение распределений имеет место и при взятии учетных деревьев, с той лишк разницей, что модельные деревья являются типичными для ступени толщины, а для учетных это условие йе принимается.
Степень варьирования разных фракций фитомассы различная: менее всего изменчива масса ствола и более всего - масса листвы и ветвей. Поэтому число модельных деревьев, взятых на- пробной площади, определяется по требуемой точности учета наиболее изменчивых фракций кроны, и чем больше число моделей, тем точнее учет фитомассы. По свидетельству М. Г. Семечкиной (1978), при числе модельных деревьев 1, 5 и 15 ошибки определения массы крон сосны на 1 га имели соотношение 100 : 40 : 24.
Модели и таблицы запасов углерода в фитомассе на уровне древостоя
Экспериментальные значения запасов углерода в фитомассе березы на пробных площадях в расчете на 1 га определены, как уже упоминалось в главе 3, регрессионным методом (табл. 4.4). Для того, чтобы можно было судить в целом о запасах углерода в насаждениях в зависимости от их происхождения в условиях колонной лесостепи, данные таблицы 4.4 были подвергнуты статистическому анализу с использованием бинарной переменной X. Для семенных березняков принято значение X = 0, для порослевых X 1. Поскольку фактические данные запасов углерода получены в возрастном диапазоне с I по IV классы возраста, то вследствие возрастного накопления запасов углерода сопоставление березняков разного происхождения выполнено не на уровне соответствующих совокупностей экспериментальных данных, а на уровне уравнений парной связи запаса углерода с возрастом (табл. 4.5): где С - запас углерода в фитомассе / -й фракции (стволов, листвы и ветвей), т/га; А - возраст, лет; X - бинарная переменная, характеризующая происхождение древостоев — семенное или порослевое. R - коэффициент детерминации; SE - ошибка уравнения. Установлена статистически достоверная связь запаса углерода с возрастом лишь в стволах ( критерий Стьюдента t = 6,0 2,0) и ветвях (t = 3,1 2,0), а для листвы названная связь не достоверна (t= 0,5 2,0). Константа при бинарной переменной X недостоверна во всех трех случаях (t - 0,14-И ,29 2,0). Это означает, что при выбранном способе сравнения березняков по происхождению и соответствующей структуре уравнений (4.6) запасы углерода в фитомассе всех фракций не зависят от происхождения березняков.
При выборе структуры зависимости (4.6) предполагалась линейная связь запасов углерода с возрастом, тогда как в действительности эта связь всегда нелинейная. Поэтому на втором этапе сопоставление березняков по происхождению выполнено посредством уравнений: характеристика которых приведена в таблице 4.6. В результате применения более адекватной структуры уравнения коэффициенты детерминации в (4.7) повысились, тем не менее и при данной структуре уравнений запасы углерода в фитомассе всех фракций не зависят от происхождения березняков, поскольку константа при бинарной переменной X недостоверна во всех трех случаях (t = 0,05- 0,67 2,0). Отсутствие статистической достоверности различий семенных и порослевых березняков по запасу углерода может быть следствием того, что в структуре (4.6) и (4.7) учтен только возраст, в то время как продуктивность насаждения определяется также особенностями его морфоструктуры, а именно - средними диаметром и высотой стволов и густотой древостоя. Поэтому на третьем этапе сопоставление выполнено посредством рекурсивного совмещения двух совокупностей уравнений, одна из которых рассчитана для морфоструктурных характеристик (Si): где Si - одна из морфоструктурных характеристик древостоев: средний диаметр (Д см), средняя высота (Н, м), число стволов на 1 га (N, тыс. экз/га). Вторая совокупность уравнений рассчитана для запасов углерода: С целью учета различий семенных и порослевых березняков по изменению их морфоструктуры и запасов углерода в связи с возрастом и густотой в уравнения (4.8) и (4.9) введены соответствующие произведения Х(1п/4) и Х(\п№). Константы при всех переменных в уравнениях статистически значимы на уровне t05. Характеристика (4.8) и (4.9) дана в таблице 4.7. Уравнения имеют высокие коэффициенты детерминации - от 0,89 до 0,98. Соотношение фактических и расчетных значений запасов углерода в листве семенных и порослевых березняков по уравнению (4.9) показано на рис. 4.2.
