CC BY
110
УДК 630*181.62:630*531
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 3-4. С. 14-20
ФОРМА КРОН ДЕРЕВЬЕВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (Pinus silvestris L.)
В ЧИСТЫХ ВЫСОКОГУСТОТНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
А. А. Вайс
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: vais6365@mail.ru
С целью выяснения некоторых лесоводственных вопросов, касающихся различных форм леса и различных приемов ухода за ним, нужно знать размеры крон деревьев (их длину, поперечное сечение, объем, боковую поверхность). Методы определения указанных элементов еще недостаточно разработаны. Объектом исследования был относительно однородный изолированный лесной массив, в котором произрастают сосновые насаждения. Основной целью нашей работы являлось определение формы кроны сосны обыкновенной различного размера и оценка их объема. Согласно лесорастительному районированию территория исследований относилась к Алтае-Саянскому горнотаежному району лесорастительной провинции кедровых и пихтовых лесов (Сисимский округ горно-таежных пихтовых и кедровых лесов).
Изучая совокупность форм крон сосны обыкновенной, можно выделить несколько групп преобладания той или иной формы. В ступенях толщины 8 и 12 см, имеет наибольшее распространение цилиндрическая форма, редко встречается конус наклонный. Наличие данной формы можно объяснить еще не сомкнувшимся пологом, при этом климатические факторы благоприятно влияют на развитие кроны, не наблюдается выраженной конкуренции. В 28 и 32 ступенях сложно выделить преобладание какой-либо одной формы. В этом случае форма зависит от полноты древостоя, от наличия света и конкуренции. Недостаток света, высокая густота насаждения и видовая конкуренция способствует формированию различных форм крон.
В результате выполненной работы установлено, что сравнить крону с какой либо определенной геометрической формой не представляется возможным, так как габитус крон разнообразен. Такая вариация по ступеням толщины указывала на то, что у сосны крона очень подвержена влиянию ветровой нагрузки. Предложить одну универсальную формулу для определения формы кроны сосны не возможно, так как ошибки в объемах составляют значительную величину. Объем кроны сосны рекомендуется определять отдельно для крупномерных и маломерных деревьев.
Ключевые слова: форма кроны, сосна обыкновенная, горизонтальная структура, вертикальная структура.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 3-4, P. 14-20
FORM OF TREE CROWNS PINE (Pinus silvestris L.)
IN PURE PLANTATIONS HIGH DENSE MINUSINSK BASIN OF THE KRASNOYARSK REGION
A. A. Vаis
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: vais6365@mail.ru
For the purpose of clarification of some the silvicultural of the questions concerning various forms of the wood and various methods of care of him it is necessary to know the sizes of crowns (their length, cross section, volume, a lateral surface). Methods of definition of the specified elements still are insufficiently developed. Rather uniform isolated forest area in which pine plantings grow was object of research. A main objective of our work was definition of a form of crone of a pine ordinary various size and an assessment of their volume. According to forest vegetation division into districts the territory of researches belonged to Altai-Sayansk to the mountain-taiga district of the forest vegetation province of the cedar and fir woods (the Sisimsky district of the mountain and taiga fir and cedar woods).
Studying set of forms of kroner of a pine ordinary, it is possible to allocate several groups of prevalence of this or that form. In steps of thickness of 8 and 12 cm, has the greatest distribution a cylindrical form, the cone inclined seldom meets. Existence of this form can be explained with yet not closed bed curtains, at the same time climatic factors favorably influence development of crone, the expressed competition isn't observed. In 28 and 32 steps it is difficult to mark out prevalence of any one form. In this case the form depends on completeness of a forest stand, on existence
of light and the competition. The lack of light, high density ofplanting and the specific competition promotes formation of various forms of kroner.
As a result of the performed work it is established that it isn't possible to compare crone to any certain geometrical form as kroner it is various. Such variation on steps of thickness indicated that at a pine the crone is very subject to influence of wind loading. It isn't possible to offer one universal formula for definition of a form of crone of a pine as mistakes in volumes make considerable size. The volume of crone of a pine is recommended to be determined separately for large-sized and undersized trees.
Keywords: krone form, (Pinus silvestris L.), horizontal structure, vertical structure.
ВВЕДЕНИЕ
Говоря о степени изученности морфологии насаждений, а в частности формы крон, можно сказать, что данная проблема изучена недостаточно. Как отметил в своей статье Н. Д. Скоробогатько [6], в настоящее время нет специальной отрасли знаний - морфологии насаждений и, следовательно, нет научно обоснованных показателей, характеризующих внешний их облик. В литературе приводятся отдельные данные по формам вертикальной и горизонтальной проекции крон, их изменениям и количеству в зависимости от возраста, полноты, возрастной структуры и других показателей. Вместе с тем эта проблема весьма актуальна не только для целей автоматизированного дешифрирования космических АФС, но и для лесоводственных, биолого-экологических и физиологических исследований.
О. С. Бахур [2] в своей статье указывал, что изучение формы крон деревьев позволяет глубже познать природу леса, особенно в пространстве и во времени. Установлено, что деревья одной породы при одном и том же возрасте, имеющие одни и те же формы крон и, произрастающие в одних и тех же типах леса и лесо-растительных условиях, растут быстрее, чем деревья с другими формами крон. Проекции крон в пределах древостоя варьируют в значительной степени, для каждой породы характерна своя, типичная, преобладающая форма; она изменяется в зависимости от возраста, условий местопроизрастания и строения полога.
Формы вертикальной проекции крон по Г. Г Са-мойловичу [7] объединены в восемь типов, а каждый ряд в зависимости от характера ветвления и формы верхних и нижних частей крон - на 3-5 видов. Наиболее распространенные формы горизонтальной проекции крон объединены в четыре группы (округлые, эллипсовидные, односторонне сжатые и неправильные), и в каждой из них выделяют по пять видов. На разнообразие крон влияют не только биологические свойства породы и характер расположения ветвей в пологе, но и другие факторы, связанные с солнечным освещением.
Т. Роувинен [5] считает, что повышение эффективности работы по сбору данных в лесу является одним из краеугольных вопросов лесной таксации и лесоустройства. Мобильные технологии создают уникальную возможность для решения этой задачи, а также для повышения точности измерений, обеспечения объективности данных и независимого контроля результатов. Технология Трестима основывается на получении таксационных характеристик древостоя, таких как площадь сечений, диаметр стволов, высота деревьев и породный состав по фотографиям древостоя и модельных деревьев, выполненным мобильным
телефоном. Обработка данных осуществляется автоматически, а в случае необходимости - с помощью оператора, что позволяет автоматизировать все последующие расчеты.
Методика измерения высот деревьев по материалам цифровой наземной фотосъемки представлена в статье О. С. Артемьева [1]. Измерение высот деревьев при инвентаризации городских насаждений или таксации лесов является одной из наиболее трудоемких и дорогостоящих операций полевых работ. С целью уменьшения затрат времени и снижения стоимости, обмеры деревьев предлагается проводить не в полевых, а в камеральных условиях путем дешифрирования этого таксационного показателя по материалам наземной цифровой фотосъемки.
Е. В Кох [4] изучала вертикальную структуру фи-томассы в сосняках искусственного происхождения. В связи с возрастающей биосферной ролью лесов исследование вертикально-фракционного распределения фитомассы и продукции разных органов древесных растений в толще лесного полога приобретает все большую актуальность. Материалы вертикально-фракционной структуры лесной фитомассы служат основой для анализа гетерогенного по многим параметрам слоя древесного полога как функционально дифференцированной фотосинтезирующей системы и как экрана и фильтра в обмене биогеохимических элементов и воды в потоках солнечной радиации между компонентами лесной экосистемы.
С целью выяснения некоторых лесоводственных вопросов, касающихся различных форм леса и приемов ухода за ним необходимо знать размеры крон деревьев (их длину, поперечное сечение, объем, боковую поверхность). Методы определения указанных элементов еще недостаточно разработаны.
ПРОГРАММА И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЙ
Основной целью исследования являлось определение формы крон сосны обыкновенной различного размера и оценка их объема. Программа исследований включала:
- подбор лесных участков (выделов);
- съемку фотографическим методом деревьев сосны обыкновенной по ступеням толщины (8-44 см);
- измерение проекций крон по диаметрам деревьев;
- камеральную обработку (оценку вертикальной структуры дерева; выявление закономерностей формы кроны по вертикали и горизонтали; сопоставление формы кроны с правильными стереометрическими формами; определение объема кроны с использованием математических формул).
В лесном массиве Курагинского лесничества было выбрано 28 модельных деревьев. В каждой ступени толщины от 8 до 40 см отобрано по три дерева, в ступенях 40-44 см по два. У каждого дерева была измерена проекция кроны по сторонам света, включая промежуточные (с-в, ю-в, ю-з, с-з) (см. таблицу). Затем эти деревья были сняты с помощью цифрового фотоаппарата «Fujifilm T300» с фокусным расстоянием объектива 28 мм. Во время съемки к каждому дереву приставлялся 3-х метровый шест для того, чтобы на фотографии можно было определить масштаб и выполнить дальнейшие расчеты (рис. 3). Производить съемку деревьев, так, чтобы в кадр входило все дерево при расстоянии до него - 20-25 м.
Для оценки высоты дерева изображение дерева вносилось в память компьютера. Затем на распечатанных фотографиях определялась высота дерева, высота первого мертвого сучка, первого живого сучка и длина кроны. С помощью сравнения фотографий на компьютере и в распечатанном виде, устанавливалась стандартная форма кроны, которая обводилась цветовым фильтром (рис. 1). Вертикальный масштаб определялся с помощью 3-метрового шеста. Высота шеста делилась на его длину, измеренную по фотографии. Горизонтальный масштаб вычислялся как отношение максимальной длины по сторонам света к максимальному диаметру на фотографии.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
Согласно лесорастительному районированию, разработанному Институтом леса и древесины СО РАН, территория лесничества отнесена к Алтае-Саянскому горнотаежному району лесорастительной провинции
Рис. 1. Модельное дерево с формой кроны - шаровый сектор
кедровых и пихтовый лесов (Сисимский округ горнотаежных пихтовых и кедровых лесов).
Объект исследований представлял собой относительно однородный лесной массив.
Тип леса - сосняк зеленомошно-разнотравный, 2-й класс бонитета, полнота 1,0. Два исследованных участка были идентичны друг другу по бонитету, полноте, составу, типу леса и запасу.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Форма проекций крон в пределах древостоя варьирует. Для каждой породы характерна своя, типичная, преобладающая форма; она изменяется в зависимости от возраста условий местопроизрастания и строения полога. На разнообразие форм горизонтальной проекции крон влияют не только биологические свойства породы и характер расположения крон в пологе, но и другие факторы, связанные с солнечным освещением. С целью более полного изучения формы кроны необходим анализ поперечного сечения крон. Он нужен для того, чтобы понять какой геометрической фигурой будет представлено сечение, которое в дальнейшем позволит понять, можно ли привести крону к какой-нибудь правильной геометрической фигуре для последующего определения объема. У каждого модельного дерева был измерен максимальный радиус по сторонам света. Так как для определения объема нам понадобится не только радиус, но и диаметр, он также был установлен и являлся максимальным для горизонтальной проекции крон.
С целью выявления закономерности связи между диаметрами крон (БК) и размерами деревьев (^13) сосны был построен график (рис. 2).
На диаграмме видно, что поле точек делиться на две зоны: до и после 16 см. Соотношение диаметров может зависеть от условий освещенности, местопроизрастания и сомкнутости полога. Поэтому можно сделать вывод, что деревья до 16 ступени имеют достаточный уровень солнечной энергии. На этом основании диаметр кроны в этих ступенях даже больше, чем у крупномерных деревьев:
БК = 0,177 • ¿13 + 0,136,
Я2 = 0,534 - диаметр до 16 см;
БК = 0,270 • - 3,600,
Я2 = 0,534 - диаметр 16 см и более.
С помощью статистического анализа была получена таблица средних радиусов проекций крон (см. таблицу).
Для определения статистической значимости различий средних величин использовали критерий '-Стьюдента.
'ф =
Л
т1 +т2
(1)
где хь х2 - средние значения сравниваемых величин; т1, т2 - стандартные ошибки.
'фс-ю = 0,47;
/фв-з = 0,68;
'фсв-юз = 0,35, /табл = 2,03;
'фсз-юв = 0,81.
Для сравнения берем табличное значение равное двум. Значение рассчитанных '-критериев Стьюдента меньше табличных ('ф < /табл), а это значит, различия величин статистически не значимы. Поскольку существенных отличий между радиусами нет, проекцию целесообразно рассматривать как круг. Это позволяет сравнивать кроны с правильными объемными фигурами, таким, как цилиндр, шар, конус и т. д.
В дальнейшем на цифровых фотографиях на каждом модельном дереве были отмечены три вертикальные зоны: высота первого мертвого сучка, высота первого живого сучка и длина кроны (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость среднего диаметра крон от ступеней толщины
Статистический анализ максимальных радиусов крон по сторонам света
Статистические показатели С С-В В Ю-В Ю Ю-З З С-З
Среднее 2,1 2,0 2,3 2,0 1,9 1,9 2,0 1,7
Стандартная ошибка 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,3 0,3
Медиана 1,6 1,7 1,9 1,8 1,5 1,6 1,5 1,6
Мода 1,6 0,5 0,7 0,5 1,6 0,7 0,6 0,7
Стандартное отклонение 1,4 1,4 1,6 1,4 1,4 1,3 1,5 1,3
Дисперсия выборки 2,1 1,9 2,6 1,8 2,1 1,7 2,4 1,8
Эксцесс 1,6 1,3 0,3 1,4 2,2 0,0 0,3 2,9
Асимметричность 1,3 1,2 1,0 1,3 1,6 1,0 1,2 1,7
Интервал 5,8 5,3 5,7 5,4 5,8 4,5 5,2 5,3
Минимум 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Максимум 6,2 5,7 6,1 5,8 6,2 4,9 5,6 5,7
Точность опыта 13,1 13,0 13,3 12,6 14,4 13,3 14,6 14,6
Коэффициент варьирования 69,5 68,8 70,5 66,9 76,4 70,4 77,2 77,0
Для каждой части вертикальной структуры дерева был построен свой график зависимости высоты данных элементов от ступеней толщины (рис. 3). Коэффициент варьирование показателей находился в пределах 21-50 % (изменчивость большая). Высота первого мертвого и живого сучка примерно идентичны друг другу (с увеличением диаметра изменяются несущественно). При этом рост длины кроны явно выражен. Это связанно с интенсивным приростом деревьев в высоту. Если изучать данный показатель с лесоводственной точки зрения, то деревья с максимальными диаметрами выполняют более значительную углеродо-депонирующую функцию и при хозяйственном использовании следует оставлять деревья более крупных размеров.
Формы крон оказывают значительное влияние на рост и развитие деревьев, поэтому их исследование позволит более точно определить все таксационные показатели по АФС методом автоматизированного дешифрирования (Т. Роувинен [5]). Наиболее распространенные формы горизонтальной проекции крон объединены в четыре группы (округлые, эллипсовидные, односторонне сжатые и неправильные). В свою очередь, изучая вертикальную структуру формы крон сосны обыкновенной, была предложена своя классификация. Для каждого модельного дерева по цифровым фотографиям установили форму кроны, предварительно отметив контур кроны цветовым фильтром (рис. 1). Сравнив каждую крону, с какой либо определенной фигурой было выделено 5 типов крон (цилиндр, конус наклонный и круговой, шар, шаровый сектор и полушарие). Для подтверждения формы замеряли крону в трех точках,
в верхней и нижней части кроны на расстоянии один метр, учитывая масштаб и середину длины кроны. Разница между этими частями позволила определить, насколько адекватно установлена форма кроны. К примеру, у шаровой формы верхняя и нижняя части и должны быть примерно равны между собой, а середина быть больше; у цилиндра замеры на этих точках приблизительно равны друг другу.
Сравнив визуально определенные по фотографиям формы крон и замеры можно сказать, что ошибки были незначительные, и это позволяет с высокой вероятностью рассматривать крону как правильную геометрическую фигуру.
Изучив совокупность форм крон сосны обыкновенной можно выделить несколько групп преобладания той или иной формы. В ступенях толщины 8 и 12 см имеет наибольшее распространение цилиндрическая форма, редко встречается конус наклонный. Наличие данной формы можно объяснить еще не сомкнувшимся пологом при этом климатические факторы благоприятно влияют на развитие кроны, не наблюдается выраженной конкуренции.
У деревьев 16 и 20 ступеней преобладает шарообразная форма, с редко встречающейся конусообразной формой. Такая форма как шаровой сектор встречается единично в 20 и 24 ступенях, данная форма, скорее всего, сформировалась из-за видовой конкуренции, так как шаровый сектор представляет собою фигуру с узким основанием и увеличивающимся диаметром. Представленный контур кроны способствует большему поглощению солнечной энергии.
Рис. 3. Вертикальная структура дерева и сосновых насаждений
В 24 и 28 ступенях хорошо выражена шаровая форма кроны.
В 28 и 32 ступенях нельзя выделить преобладание какой-либо одной формы. В этом случае форма зависит от полноты древостоя, от наличия света и конкуренции. Недостаток света, высокая полнота насаждения и видовая конкуренция способствует формированию различных форм крон.
Начиная со ступени 36 см и заканчивая 44 см, преобладает шаровая форма, редко встречается полушарие и шаровой сектор.
Сделав необходимые расчеты, установили, что горизонтальная проекция крон сосны обыкновенной представляет собой круг, что позволяет привести крону к определенной стереометрической фигуре, и рассчитать ее объем (И. Н. Ветошкина, А. А. Вайс [3]).
Для каждой формы кроны, которая была определена ранее, применили свою стереометрическую формулу:
1 2
V =—ш1 к, цилиндр круговой; (2)
4
12
V = — ъЛ к, конус круговой; (3)
1 2
V = 6 ъй , шар; (4)
1 2
V = — ъЛ , полушарие; (5)
2 2
V = — ъг к, шаровой сектор. (6)
где Л - диаметр кроны, м; к - длина кроны, м; г - радиус кроны, м; к - высота сектора, м.
По измеренным ранее радиусам и вычисленным диаметрам определяли объем кроны каждого модельного дерева по ступеням толщины. Для этого использовали стереометрические формулы вычисления объема (2)-(6). Для того чтобы зафиксировать степень разброса точек по объемам, был построен график зависимости объема от диаметра на высоте груди. По диаграмме было установлено, что до 20-й ступени толщины разброс точек незначительный. Поэтому для маломерных стволиков использовали линейное уравнение. Вид модели следующий: V = 0,951 • Л13. Коэффициент корреляции 0,922, стандартная ошибка 6,1 м3. Уравнение надежное и достоверное, ^ > 3(62), коэффициент уравнения оказался значимым. Для получения итоговой таблицы исходная модель была про-табулирована по ступеням толщины (8-20 см).
Определение объема кроны для крупномерных деревьев требует учета ряда показателей: диаметра ствола, места дерева в пологе, вертикальную структуру кроны, конкуренцию со стороны соседей и т. д.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что форма крон в пределах древостоя варьирует в значительной степени. При этом для каждой породы характерна своя, типичная, преобладающая форма. В результате, изучив формы крон со-
сны обыкновенной в условиях Курагинского лесничества, определено, что форма кроны маломерных стволиков соответствует цилиндру. Деревья до 28 см -форме шара, и шарового сектора. Для диаметров с 28 по 32 см привести какую-то определенную форму не представляется возможным, так как габитус крон разнообразен. Крупномерные деревья (36-44 см) характеризуются формой шара. Такое разнообразие крон по ступеням толщины указывает на то, что у сосны крона очень подвержена влиянию ветровой нагрузки.
Предложить одну универсальную формулу для определения объема кроны сосны затруднительно, так как ошибки при этом составляют значительную величину. Объем кроны рекомендуется вычислять отдельно для крупномерных и маломерных деревьев.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Артемьев О. С. Измерение высот деревьев при помощи цифровой наземной фотосъемки // Лесной и химический комплексы-проблемы и решения. 2013. Т. 1. С. 15-18.
2. Бахур О. С. Закономерности строения полога сосновых древостоев // Тр. БГТУ. Лесное хозяйство. 2014. № 1. С. 11-14.
3. Ветошкина И. Н., Вайс А. А. Форма горизонтальной проекции крон деревьев сосны обыкновенной в условиях Идринско-Курагинского лесостепного округа Минусинской котловины [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 1. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/01/ 62475 (дата обращения: 01.04.2016).
4. Кох Е. В. Вертикальная структура фитомассы в сосняках искусственного происхождения : автореф. дис. ... канд. с-х. наук / УГЛУ. Екатеринбург, 2013. 24 с.
5. Роувинен Т. Трестима - цифровые фотографии для таксации леса // Сибирский лесной журнал. 2014. № 5. С. 69-76.
6. Скоробогатько Н. Д. Строение дешифровочных показателей полога модальных еловых древостоев в равнинной части Прикамья и сосновых насаждений Курской области для автоматизированного дешифрирования аэрофотоснимков // Научные стремления.
2013. С. 313-317.
7. Самойлович Г. Г. Применение аэрофотосъемки и авиации в лесном хозяйстве. Л., 1972. 64 с.
8. Тюрин А. В. Таксация леса. М. : Гослесбумиз-дат, 1945. 376 с.
REFERENCES
1. Artem'yev O. S. Izmereniye vysot derev'yev pri pomoshchi tsifrovoy nazemnoy fotos"yemki // Lesnoy i khimicheskiy kompleksy-problemy i resheniya. 2013. T. 1. S. 15-18.
2. Bakhur O. S. Zakonomernosti stroyeniya pologa sosnovykh drevostoyev // Tr. BGTU. Lesnoye khozyaystvo.
2014. № 1. S. 11-14.
3. Vetoshkina I. N., Vays A. A. Forma gorizontal'noy proyektsii kron derev'yev sosny obyknovennoy v uslovi-yakh Idrinsko-Kuraginskogo lesostepnogo okruga Minus-inskoy kotloviny [Elektronnyy resurs] // Sovremennyye nauchnyye issledovaniya i innovatsii. 2016. № 1. URL:
http://web.snauka.ru/issues/2016/01/ 62475 (data obrashcheniya: 01.04.2016).
4. Kokh E. V. Vertikal'naya struktura fitomassy v sosnyakakh iskusstvennogo proiskhozhdeniya : avtoref. dis. ... kand. s-kh. nauk / UGLU. Ekaterinburg, 2013. 24 s.
5. Rouvinen T. Trestima - tsifrovyye fotografii dlya taksatsii lesa // Sibirskiy lesnoy zhurnal. 2014. № 5. S. 69-76.
6. Skorobogat'ko N. D. Stroyeniye deshifrovochnykh pokazateley pologa modal'nykh elovykh drevostoyev v
ravninnoy chasti Prikam'ya i sosnovykh nasazhdeniy Kurskoy oblasti dlya avtomatizirovannogo deshifriro-vaniya aerofotosnimkov // Nauchnyye stremleniya. 2013. S. 313-317.
7. Samoylovich G. G. Primeneniye aerofotos"yemki i aviatsii v lesnom khozyaystve. L., 1972. 64 s.
8. Tyurin A. V. Taksatsiya lesa. M. : Goslesbumizdat, 1945. 376 s.
© Вайс А. А., 2017
Поступила в редакцию 20.01.2017 Принята к печати 20.11.2017
