Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы 13 .
1.1 Методы и результаты учета фитомассы деревьев и насаждений 14
1.2. Методы и результаты учета первичной продукции насаждений 35
1.3 Регрессионное моделирование структуры и динамики биопродуктивности лесных насаждений 47
Глава 2. Общая характеристика районов и объектов исследования 64
2.1. Природные условия Саргатского лесхоза Омской области 64
2.2. Природные условия Семиозерного лесхоза в бору Аман-Карагай 73
2.3. Объекты исследований и объем работ 81
Глава 3. Методика исследований 97
Глава 4. Фитомасса и первичная продукция деревьев в культурах сосны лесостепной и степной зон и нормативы их оценки 108
4.1. Регрессионные модели и таблицы для оценки фитомассы деревьев 109
4.2. Регрессионные модели и таблицы для оценки годичного прироста фитомассы деревьев 119
4.3. Плотность и содержание сухого вещества в фракциях фитомассы деревьев 128
Глава 5. Фитомасса и первичная продукция древостоев в культурах сосны лесостепной и степной зон и нормативы их оценки 136
5.1. Таблицы возрастной динамики'фитомассы и первичной продукции в культурах сосны 136
5.2. Сравнение двух способов моделирования и экстраполяции на лесо- покрытую площадь первичной продукции культур сосны 149
Заключение 156
Литература 159
Приложения 183
- Методы и результаты учета первичной продукции насаждений
- Природные условия Семиозерного лесхоза в бору Аман-Карагай
- Регрессионные модели и таблицы для оценки годичного прироста фитомассы деревьев
- Сравнение двух способов моделирования и экстраполяции на лесо- покрытую площадь первичной продукции культур сосны
Введение к работе
. Общая характеристика работы.
Актуальность темы. Ухудшение экологической обстановки на планете создает опасность существенного повышения содержания углерода в атмосфере. Атмосферный углерод находится в непрерывном круговороте: в результате фотосинтеза он усваивается растительностью, а в результате сжигания и разложения органики — освобождается и выбрасывается в атмосферу (рис. 1.1). Атмосферный углерод совершает круговорот посредством наземной биоты через каждые 7 лет, и на планетарные леса приходится около 90 % атмосферно-наземного круговорота. Поток углерода через наземную биоту вследствие фотосинтеза растений, дыхания и разложения составляет ежегодно около 100 Гт (ги-га-тонн, или млрд. т). Океан имеет больший резерв углерода, но годичный нет-то-поток в атмосферу через его биоту примерно равен наземному (Solomon et al., 1985).
Леса играют особо важную роль в глобальном углеродном цикле, поскольку представляют экосистемы с-наибольшими запасами фитомассы. Согласно одной из оценок (Olson et al., 1983), живой растительный покров содержит около 600 млрд т углерода, в том числе: 440—550 — лесная растительность, 20—50 — травянистая растительность, 17—30 — сельскохозяйственные культуры, 5—15 — болота, 10—40 - -тундра и аридные территории, 1—45 — океан. Согласно более поздней оценке (Dixon et al., 1994), запасы углерода в мировых лесных экосистемах составляют 1100 млрд т, распределенные по зонам бореальных, умеренных и тропических лесов в соотношении 49, 14 и 37 %.
Оценки эмиссии атмосферного углерода, связанной с технической деятельностью человека и с интенсивным сжиганием ископаемого топлива и сведением лесов, составляют от 3 (Tans et al., 1990) до 7 Гт/год (Krauchi, 1993). Особенно интенсивно процесс идет в последние десятилетия. Начиная с 1958 г., наблюдалось соответствие между нарастанием эмиссии и количеством сжигаемого ископаемого топлива. Но в начале 80-х годов взаимосвязь названных двух тенденций внезапно нарушилась и первая из них стала все более преобладать над второй. Причины такого расхождения кроются в интенсивном сведении лесов, особенно тропических, и в нарастающих масштабах сжигания органики, или фитомассы растительного покрова, в том числе вследствие лесных пожаров.;:
Сжигание фитомассы дает 40 % мировой эмиссии С02 (Levine, 1991), или 50 % эмиссий от сжигания всех ее видов (Andrasko et al., 1991). На планетарном уровне общее количество ежегодно сжигаемой фитомассы составляет около 8,7 Гт сухого вещества (что дает в результате около 3,5 Гт С02), в том числе 3,7 Гт — от выжигания растительности саванны в целях повышения продуктивности ее кормовых угодий, 2,0 Гт — от сжигания отходов сельхозкультур, 1,4 Гт — от сжигания топливных дров и 1,6 Гт ь - в результате лесных пожаров (Levine, 1991). Другие оценки глобальной эмиссии С02 от сжигания фитомассы колеблются от 3,0 до 6,2 Гт/год (Crutzen, Andreae, 1990), в том числе от лесных пожаров — от 0,4 до 2,6 Гт/год (Tans et al:, 1990). К. Вонг (Wong, 1978) дает значение эмиссии углерода от сжигания фитомассы 5,7 Гт/год, в том числе от лесных пожаров в бореальной и умеренной зоне 0,47 Гт/год. Г. Фанесток (Fahnestock, 1979) показал, что данные К. Вонга по эмиссии углерода вследствие лесных пожаров завышены примерно в 4 раза, поскольку были получены в предположении полного сгорания, лесной фитомассы. Г. Фанесток показал, что при верховых пожарах сгорает только хвоя, листва и ветви тоньше 6 мм, т. е. фракции, составляющие лишь 8 % живой надземной фитомассы.
Бореальные леса России играют существенную роль в углеродном цикле планеты и составляют свыше 25 % мировых лесных ресурсов. Прямая и косвенная эмиссия С02 в результате лесных пожаров в России достигает 0,33 Гт/год (Dixon, Krankina, 1993) и лишь немного уступает количеству С02, связываемому лесной растительностью—0,41 Гт/год (Sedjo, 1992).
Накопление углеродсодержащих газов С02, СО, СКЦ, хлорофлюороугле-родов 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 антропогенного С02 в атмосфере может подняться в 10 раз и за сравнительно короткое время достичь уровня, который уже был на Земле 100 млн лет назад (рис. 1.2). Исходя из этой тенденции в следующем столетии может наступить глобальное потепление климата с непредсказуемыми ьи необратимыми катастрофическими последствиями.
Но есть и противоположная точка зрения, согласно которой сегодня наи-. более 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).
Сторонниками подобной точки зрения являются геофизики и метеорологи, специалисты по теории и истории климата Земли. Показателен в этом отношении результат исследований, проведенных на Урале (Институт геофизики УрО РАН) с использованием уникальной методики геотермической реконструкции палеоклимата (рис. 1.3). Из приведенной диаграммы 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, 2003а. С.5). Отличие ныненшей ситуации в том, что при относительно небольшой доле антропогенного фактора (20 %), во-первых, он никогда ранее такого уровня не достигал, и во-вторых, его действие нарастает экспоненциально. Если естественные факторы не имели следствием долговременное потепление катастрофического уровня по причине уравновешивания отрицательных и положительных обратных связей, то этот ныне 20-процентный и неуклонно нарастающий вклад может оказаться пусковым механизмом для доминирования положительной обратной связи, когда климатические изменения станут необратимыми (Perry etal., 1991).
Уже есть первые признаки І подобной тенденции, обнаруженные британскими учеными при мониторинге торфяных болот Земли, запасы углерода в которых эквивалентны суммарным выбросам антропогенного углерода нынешнего уровня за 70. лет. По неизвестным пока причинам повышение уровня СОг в атмосфере вызывает спонтанную утечку газа из болот.;: Аналогичная ситуация складывается в тундрах, которые на северо-востоке Евразии и Аляски уже превратились из поглотителя в источник углерода, т.е. "работают" на дальнейшее потепление климата. "Похоже, мы нарушили стабильность углеродного цикла на нашей планете", пишет Ф. Уоррен (цит. по: Немченко, 2005). . В качестве одного из вариантов решения проблемы компенсации антропогенных выбросов С02 предлагаются приемы повышения продуктивности фито-массы лесов (Dyson, 1977) и интенсификации лесного хозяйства (Winjum et a 1., , 1993). Последние расчеты (Brown, 1996) показывают, что путем интенсивных лесоводственных мероприятий в течение предстоящих 50 лет можно скомпенсировать 11—15 % антропогенных выбросов СО2 в атмосферу за тот же период. При этом предполагается по существу тройной эффект: депонирование излишков углерода, повышение ресурсного потенциала и улучшение природной среды (Яблоков, 1995).
В этой связи мировое научное сообщество проявляет повышенный интерес к изучению биологической продуктивности и углерододепонирующей способности лесов, необходимым для оценки их роли в глобальных экологических циклах. Реализации этой задачи на примере культур сосны двух природных зон посвящена настоящая работа.
Исследования автора проводились в 2003-2005 гг. в рамках проектов «Оценка запасов углерода и углеродно-кислородного бюджета в лесных экосистемах Уральского региона» и «Картирование углерододепонирзлющей емкости лесных экосистем Уральского региона», гранты РФФИ №№ 01-04-96424 и 04-05-96083 (руководитель проектов - профессор Усольцев В. А.).
Цель и задачи исследования.Щель диссертационной работы - изучение; структуры фитомассы и ее годичного прироста в искусственных фитоценозах сосны обыкновенной, произрастающих в двух территориально удаленных регионах и соответственно в двух природных зонах - лесостепи Омской области и сухой степи Тургайского прогиба в Северном Казахстане (Кустанайская область).
В связи с поставленной целью конкретными задачами исследования были:
• изучить особенности структуры фитомассы и ее годичного прироста в сосняках искусственного происхождения в условиях лесостепи и сухой степи;
• установить закономерности изменения содержания сухого вещества и плотности различных фракций фитомассы;
• составить нормативы оценки фитомассы и ее годичного прироста на уровнях отдельного дерева и древостоя;
• разработать метод моделирования экспериментальных данных годичного прироста фитомассы сосны и сравнить его с существующими методами.
Перечисленные положения выносятся на защиту.
Научная новизна. Впервые выполнена сравнительная оценка сосняков искусственного происхождения по их фитомассе и годичному приросту в в двух природных зонах - лесостепи Омской области и сухой степи Тургайского прогиба. Выполнен сравнительный анализ основных квалиметрических показателей (содержания сухого вещества и базисной плотности) фракций фитомассы. Впервые составлены нормативные материалы (таксационные таблицы) по оценке фитомассы и ее годичного прироста на уровнях отдельного дерева и древостоя.
Практическая значимость работы состоит в разработке нормативных материалов, необходимых при расчетах углеродного бюджета лесных экосистем.. в условиях лесостепи и сухой степи, при реализации систем лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения сосновых насаждений названных регионов. Результаты работы могут быть полезны при разработке лесного кадастра, осуществлении лесного мониторинга и экологических программ разного уровня.
Разработанные нормативы используются Омской лесоустроительной экспедицией (имеется справка о внедрении) при инвентаризации культур сосны в Западной Сибири.
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; II Международной научно- практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье», Белгород, 2004; 5-й Международной научно-технической конференции «Лес-2004», Брянск, 2004; 4-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса», Брянск, 2004; Всероссий- ской научно-технической конференции студентов и аспирантов, Екатеринбург, ;. 2004; Международной научно-технической конференции "Социально-, экономические и экологические проблемы лесного комплекса", Екатеринбург, 2004; Международной научно-практической конференции «Лесопользование, экология и охрана лесов: фундаментальные и прикладные аспекты», Томск, . 2005; 6-й Международной научно-технической конференции «Лес-2005», Брянск, 2005.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 16 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 120 страни- ; цах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения и 13 при-... ложений. Список использованной литературы включает 239 наименований, в том числе 112 иностранных. Текст иллюстрирован 19 таблицами и 38 рисунками.
Методы и результаты учета первичной продукции насаждений
Расчет первичной продукции насаждений обычно выполняется согласно соотношению APt = AP + AL + AG, (4) где APt - первичная (чистая) продукция общей фитомассы насаждения за. период времени А2-А\\ АР- фитомасса, вновь произведенная насаждением за период времени А2-А\; AL - опад (естественное отмирание) не всей общей фитомассы, а лишь той ее части, которая произведена насаждением за период времени А2-А ь AG - фитомасса, потребленная консументами лишь из той ее части, которая произведена насаждением за период времени А2-А\. В данном, случае первичная продукция определяется обычно путем ретроспективных измерений, например, объемного прироста ствола и ветвей с последующим пересчетом его на массу.
В соотношении (4) обычно остаётся не учтенной компонента фитомассы,. включающая в себя опад крон, отпад стволов и корней и массу, изъятую консументами, т.е. пошедшую на корм насекомым и животным. На величину этой компоненты, трудно поддающейся учету, различаются первичная продукция и текущий прирост фитомассы. В большинстве случаев этой разницей в соотношении (4) пренебрегают в предположении, что она в течение года достаточно мала, и в этом случае определяют видимую первичную продукцию как фактическую, отождествляя ее с текущим приростом фитомассы (Satoo, Madg-wick, 1982). Тогда общий прирост фитомассы насаждения APt определяется как сумма приростов составляющих насаждение фракций APt = APs+APb + APf + APr, (5) где APS, APb, APf и АРГ - годичный прирост соответственно стволов, ветвей, листвы и корней.
Метод основан на валке адекватного, количества деревьев, которое тем больше, чем сложнее структура насаждения. Модельные деревья должны соответствовать средним условиям1 роста деревьев в пределах изучаемого насаждения или в пределах ступени толщины. Отбору модельных деревьев предшествует предварительное натурное определение структурных и дендрометрических характеристик насаждения, т.е. расчет его таксационных показателей. Сюда входят распределение деревьев по ступеням толщины (перечетная ведомость), средняя высота деревьев в пределах каждой ступени толщины и соотношение между высотой и диаметром деревьев (график высот) (Scarascia-Mugnozza et al., 2000).
Рассмотрим особенности некоторых методов определения первичной продукции, наиболее распространенных и наиболее точных. Первичная продукция древесины стволов. Для древесных частей, таких как стволы и ветви, прирост можно определить путем их "расчехления" по годичным кольцам. Сюда входит определение объемов стволов в моменты времени А\ и А2и перевод полученного по их разности объемного прироста в единицы массы путем умножения на базисную (условную) плотность древесины, приросшей за данных период.
Обычно используют пробные выпилы толщиной несколько сантиметров, взятые вдоль по стволу через 1 или 2 м. В двух взаимно перпендикулярных направлениях измеряются диаметры в коре, без коры, а также - диаметры в момент времени А\, т.е. за вычетом годичных колец исследуемого периода. Для д молодых культур принимается интервал времени А2-А\, равный одному году, а для естественных насаждений и старовозрастных культур - от 2 до 5 лет. Есть несколько формул для перевода линейных измерений в показатели объема, и одна из них следующая: Vn = a(ga + gn+1)/2 , (6) где Vn — объем и-го отрезка ствола; gn и gn+i — площади сечения стволов п-й и (п+1)-й секций; а - длина отрезка ствола. Для вершинки применяется формула конуса.
В случаях, когда требуется определить прирост ствола в высоту за период Ат-А ь предполагается, что за пределами верхнего выпила ширина годичного кольца постоянна. Плотность древесины изменяется вдоль по стволу (Hirai, 1947), поэтому необходимо брать образцы древесины из зоны прироста для определения ее плотности (Satoo, Senda, 1958). Первичная продукция коры стволов. Для определения прироста коры нет метода, подобного описанному для древесины ствола. Годичный прирост массы коры при четкой идентификации годичных . колец флоэмы можно определить по проценту объемного прироста коры и ее общей массе (Уткин, 1975). Но обычно прирост массы коры рассчитывается пропорционально годичному приросту массы стволовой древесины (Уткин, Дылис, 1966; Молчанов, Смирнов, 1967; Родин и др., 1968; Newbould, 1970; Whittaker, Woodwell, 1971).
Первичная продукция ветвей. Применив метод, аналогичный методу "расчехления" ствола (Forward, Nolan, 1961), можно определить прирост ветвей по площади сечения или объему. Предварительно ветви сортируются по поряд-; кам ветвления либо по ступеням толщины, измеряются их длина и возраст, затем взвешиваются. Прирост массы ветвей рассчитывается пропорционально их приросту по площади сечения за последние 5 или 10 лет (Программа и методика..., 1974). Однако подобный метод трудно реализуем на практике, что обусловлено сложной схемой ветвления кроны и наличием очень узких и многочисленных выпадающих годичных колец (Ogawa, 1977).
Ветви состоят из двух разных частей - побегов текущего года и ветвей прошлых лет. Последние включают в себя кроме прироста текущего года массу прироста предыдущих лет. Соответственно различаются методы оценки продукции упомянутых двух фракций. Побеги текущего года полностью представ-. лены первичной продукцией, но возможно ее занижение в случае продолжающегося роста в конце сезона. Ветви толщиной менее 5 см делятся по ступеням толщины, и от каждой берутся выборки для измерения диаметра сечений и радиального прироста последнего года. По этим замерам определяют относительный прирост ветвей по площади сечений, умножая который на сухую массу всех ветвей данной ступени, получают первичную продукцию. Для ветвей толщиной более 5 см первичная продукция определяется по аналогии со стволом, т.е. путем деления на отрезки и «расчехления» последних (Satoo, 1968). Эта процедура может быть применена либо ко всей кроне, либо к кроне, пред- .; варительно разделенной на секции в продольном направлении.
Подобное деление рекомендовано Л. Е. Родиным с соавторами (1968) со взятием 2-3 средних модельных ветвей из каждой трети кроны. Обезлиственная ветвь (без коры) взвешивается, измеряется ее длина за вычетом прироста текущего года и из середины ветви выпиливается цилиндрик для определения прироста по диаметру по простой формуле Губера. Предполагается, что прирост по диаметру ветвей пропорционален приросту по массе. Текущий прирост массы коры ветвей определяется по приросту массы их древесины с использованием соотношения масс древесины и коры во взятых цилиндриках.
Чаще применяют несколько упрощенные варианты приведенных методов. Например, по значениям, радиального прироста модельной ветви, взятой из средней мутовки, рассчитывают ее объемный прирост, объем ветви определяют ксилометрическим методом, а затемшо относительному объемному приросту и общей массе всех ветвей, установленной прямым взвешиванием, рассчитывают прирост массы ветвей кроны (Каменецкая, 1970). Либо делят все ветви по ступеням толщины, взвешивают, а затем измеряют диаметры у основания ветвей, взятых в качестве модельных от каждой ступени толщины, «восстанавливают» по этим же сечениям годичный прирост диаметра и по относительному приросту суммарной площади сечений ветвей рассчитывают относительный прирост их массы (Scarascia-Mugnozza et al., 2000).
Природные условия Семиозерного лесхоза в бору Аман-Карагай
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. Геологическое строение и рельеф. Тургайская ложби- . на 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 глинамШй 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 Пластовы-, ми 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 равнин- ные 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 поло- \ жительных 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) выпадает 198 мм, в холодный (ноябрь-март) 44 мм. 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 око- . ло 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.
В целом, весна короткая (20-30 дней); сухая и прохладная. Лето жаркое и сухое, несмотря на большое количество осадков. Дожди имеют ливневый ха- ; рактер и часто сопровождаются грозами. Весной и летом, дующие сухие ветры, усиливают и без того большую испаряемость влаги. Осень ранняя, пасмурная, нередко дождливая. Первые заморозки наблюдаются со второй половины сентября. Зима суровая, холодная, часто пасмурная, но сравнительно малоснежная. Снежный покров устойчивый и держится долго.
Таким образом, анализ климатических условий показал, что сочетание/, таких факторов, как сухость климата,: суровость зимы, знойность лета и напря- женность ветрового режима создают относительно жесткие условия для произрастания естественных фитоценозов сосны и приживаемости лесных культур. Почвы. Согласно почвенному районированию (Евстифеев, 1966) ост ровные боры степной зоны отнесены к подзоне темно-каштановых почв. Ос новными почвообразующими породами являются четвертичные песчаные от ложения, которые с глубины 1-6 м подстилаются заиленными песками и свитой чеганских глин (Маланьин, 1975). Мощность гумусового горизонта темно каштановых почв не превышает 30-40 см, а содержание гумуса колеблется от 1,5 до 4%. Л-. Согласно А.Г. Гаелю (1962), на вершинах высоких песчаных бугров и верхних частях склонов, где грунтовые воды залегают глубже 7 метров от дневной поверхности, почвы являются непромачиваемыми. На более понижен- . ных песчаных всхолмлениях, с глубиной грунтовых вод не более 6-7 метров от поверхности, почвы относятся к периодическим промываемым, а в западинных и более обширных понижениях среди песков почвы характеризуются промывным типом увлажнения. В районе исследования широко распространены как зональные (дерново- : боровые) почвы, сформированные древесной растительностью, так и интразо-нальные (темно-каштановые), сформированные степной растительностью, окружающей лесные массивы.
Регрессионные модели и таблицы для оценки годичного прироста фитомассы деревьев
При расчете регрессий для годичного прироста фракций фитомассы деревьев в культурах сосны за основу взята структура уравнения (37), принятого в разделе 4.1 для моделирования фракционного состава фитомассы. Кроме годичного прироста фитомассы (Z,-, кг), в качестве зависимой переменной в уравнени-ях проанализированы показатели объемного прироста стволов без коры (ZK, дм ) с целью составления таблиц объемного прироста деревьев.
Анализ полученных уравнений (39) в табл. 4.3 позволяет сделать вывод, что равновеликие деревья в культурах сосны двух регионов по годичному приросту массы древесины стволов, коры стволов, ветвей и хвои и объемному приросту стволов деревьев различаются статистически достоверно (значимость Цлкт констант при X составляет соответственно -19,3; -6,1; +2,2; -6,8 и -18,3, что превышает tos =2,0). Судя по знакам при критерии Стьюдента, культуры омской лесостепи уступают культурам сухой тургайской степи лишь по показателю годичного прироста массы ветвей (при условии равной величины деревьев), а по остальным фракциям превышают тургайские культуры.
Уравнения, представленные в табл. 4.3, характеризуются высокой степенью адекватности и имеют коэффициенты детерминации R2 в пределах от 0,922 до 0,957. Адекватность уравнений и отсутствие корреляции остатков подтверждаются также графиками на рис. 4.5-4.8.
Путем последовательного табулирования рекурсивной цепочки уравнений (39) получены таблицы для подеревной оценки годичного прироста надземной фитомассы деревьев (приложения 9 и 10), которые могут быть использованы в расчетах депонирования углерода культурами 10-50-летнего возраста соответственно в омской лесостепи и тургайской сухой степи.
Анализ приведенных в приложениях 9 и 10 таблиц дает количественную характеристику выше упомянутых различий по структуре годичного прироста фитомассы деревьев двух регионов (см. их фрагмент в табл. 4.4): прирост массы стволов в культурах омской лесостепи выше соответствующего показателя тургайской степи на 75%, масса хвои выше на 37%, а масса ветвей, напротив, ниже на 16 % по сравнению с соответствующими показателями культур тургайской степи.
В пределах одного региона структура годичного прироста фитомассы равновеликих деревьев изменяется с возрастом в значительно большей степени, нежели структура валовых показателей фитомассы: 10-летние деревья диаметром 8 см по сравнению с 50-летними того же размера имеют прирост массы ствола, больший в 27 раз, массы ветвей, больший в 22 раза и массы хвои, больший в 7 раз. Это явление по приростам, как и по показателям фитомассы, связано с изменением рангового положения дерева одного и того же размера в молодняках и древостоях старших возрастов.
Отмеченная в гл. 1 неопределенность в отношении роли лесов в наземных углеродных циклах обусловлена нехваткой эмпирических данных о биологической продуктивности растительного покрова, несовершенством) методов их экстраполяции на лесопокрытую площадь, огромными пробелами в сведениях о расходных составляющих упомянутых циклов и др. Неопределенность в оценках углеродного пула лесов объясняется неполным учетом определяющихjего факторов, в том числе принятием: усредненных значений квалиметрических показателей (плотность и содержание сухого вещества) фракционного состава фитомассы древостоев. Названные показатели служат в качестве экологической меры концентрации органического вещества в единице объема или свежей массы той или иной фракции фитомассы (Shipley, Vu, 2002). ;г, Изменение квалиметрии кроны по ее профилю, а также в связи с возрастом и размером дерева, обусловлено разным физиологическим состоянием ассимиляционного аппарата в связи с изменяющимся радиационным режимом в пологе и с процессом старения дерева. Например, в естественных сосняках-черничниках Архангельской области- содержание сухого вещества (S, в долях единицы) в хвое деревьев повышается с 0,33-0,35 в возрасте 17 лет до 0,50-0,56 в возрасте 204 лет (Молчанов, 1971). Содержание сухого вещества в древесине и коре ветвей сосны изменяется как в связи с диаметром ствола на высоте груди, так и по профилю полога, и это изменение статистически достоверно (Усольцев, 1988). В осинниках содержание сухого вещества в древесине на статистически достоверном уровне изменяется в связи с возрастом дерева, его це-нотическим положением в пологе и густотой древостоя (Усольцев, 1985).
Наряду с изложенным, различия в содержании сухого вещества в фракциях кроны у осины могут быть статистически не достоверными в довольно удаленных друг от друга местообитаниях. Например, значения S для листьев и ветвей в осинниках Приобья (Новосибирская область) составляют соответственно 0,376 - с и 0,549 (Габеев, 1976), а тот же показатель в осинниках Северо-Казахстанской области, отстоящих от осинников Приобья на 800 км, равен соответственно 0,380 и 0,546 (Усольцев, 1985), т.е. значения S различаются лишь в третьем знаке.
Следовательно, квалиметрическим оценкам фракционного состава фитомассы при определении углерододепонирующей емкости лесов; необходимо уделять внимание в каждом конкретном случае.
С целью установить, насколько велики различия квалиметрических показателей надземной фитомассы в ее полном фракционном составе в насаждениях разных регионов, нами выполнено специальное исследование названных показателей, полученных в культурах сосны Саргатского, лесхоза в количестве 71 модельного дерева (см. приложение 3) и Семиозерного лесхоза в количестве 92 модельных деревьев (см. приложение 4). Возраст деревьев - от 9 до 50 лет. Кроме того, были привлечены данные 38 модельных деревьев на 5 . пробных площадях, заложенных в культурах сосны в возрасте от 15 до 32 лет в; Сухоложском лесхозе Свердловской области, которые предоставлены нам Е.В. Белоусовым.
Сравнение двух способов моделирования и экстраполяции на лесо- покрытую площадь первичной продукции культур сосны
В лесной таксации общеизвестна обратно пропорциональная зависимость процента текущего прироста стволов (т.е. частного от деления текущего прироста древостоя по запасу на его запас, выраженного в процентах) от возраста, выражаемая обычно гиперболической либо иной, близкой по биологическому смыслу функцией. Эту зависимость распространяют на определение показателя, представляющего собой частное от деления годичного прироста (первичной продукции) той или иной фракции фитомассы Z, (т/га) на запас стволо—. вой древесины (М, м3/га), в зависимости от возраста древостоя (А, лет) (Замо-лодчиков, Уткин, 2000; Уткин и др., 2003).
Однако вскоре было обнаружено, что названная взаимосвязь не является однозначной. Н.Ф. Поляковой-Минченко (1961) установлено, что характер связи массы листвы дерева с текущим объемным приростом ствола (угол наклона линии регрессии) существенно варьирует от года к году даже в одном и том же насаждении как в силу индивидуальной изменчивости реакции деревьев на внешние условия, так и изменчивости самих условий по годам. Тем более вероятна неустойчивость зависимости (42) для совокупности насаждений разного возраста разных условий произрастания. Поэтому К.-М. Меллер (М61-ler, 1947) пишет: "...Очевидно, что. простое соотношение между листвой и приростом, предполагаемое некоторыми исследователями и лесными . практиками, нельзя считать постоянным даже в случае отдельного одновидового древостоя" (с. 394). « . В нашей работе зависимость (42) корректируется некоторыми таксационными показателями - возрастом древостоя (лет), средними высотой (м) и диа- . метром (см), а также запасом стволовой древесины (м /га), обозначенными в уравнениях соответственно как А, Н, D, М. В соответствии с двумя методами аналитического описания прироста фитомассы по совокупности 19 определений годичного прироста фитомассы культур (см. табл. 5.1) рассчитаны системы уравнений (43) и (44).
Судя по коэффициентам R2, зависимости (43) по сравнению с (44) детерминированы в среднем менее на 20% (с колебаниями по фракциям в пределах от 5 до 46 %). Например, для прироста хвои уравнение (44) (т.е. зависимость лишь от наличной массы хвои) дает коэффициент детерминации на 34 % более высокий, чем (43), описывающее зависимость от двух факторов - возраста и запаса - : древостоя.
При сопоставлении двух методов коэффициент детерминации является критерием необходимым, но недостаточным для окончательного суждения, особенно если учесть, что в первом варианте, в отличие от второго, зависимая переменная представлена относительным показателем. Поэтому по каждому методу (варианту) рассчитаны ошибки регрессионного определения годичного прироста фракционного состава фитомассы по отношению к фактическим значениям (табл. 5.7).
Сопоставление полученных результатов показывает, что при определении годичного прироста хвои, ветвей, стволов и корней преимущество по точности имеет второй вариант, в котором продукция фитомассы ставится в зависимость от массы ассимиляционного аппарата. Преимущество выражается в меньшей " случайной ошибке определения годичного прироста фитомассы по уравнению (44) по сравнению с уравнением (43) для хвои, ветвей, стволов и корней соответственно в 5,5; 1,2; 1,4 и 3,3 раз.
Аналогичное сопоставление названных двух методов эмпирического моделирования годичного прироста фитомассы было нами выполнено на примере северотаежных ельников европейской России и Урала с использованием опубликованных эмпирических данных 24-пробных площадей, сведенных в соответствующую базу данных (Усольцев, Ненашев и др., 2005).
Судя по коэффициентам R2, зависимости (45) в данном примере по сравнению с выше приведенным сопоставлением моделей для культур сосны, еще менее (на 50-95%, в среднем на 77%) детерминированы по сравнению с (46) и к тому же оказались достоверными лишь для хвои и стволов.
Таким образом, сопоставление полученных результатов в приведенных двух примерах показывает, что при определении годичного прироста фитомассы насаждений по полному фракционному составу, преимущество по точности имеет второй вариант, в котором продукция фитомассы ставится в зависимость от массы ассимиляционного аппарата. Это необходимо учитывать при расчетах депонирования углерода насаждениями на лесопокрытых площадях.
