CC BY
48
УДК 630*0; 502.911.2; 504.54; 515.125; 519.876; 523.21; 574 П.М. Мазуркин, С.И. Михайлова, Е.В. Светлакова Марийский ГТУ, Йошкар-Ола
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ТАКСАЦИОННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДЕРЕВЬЕВ
Геоэкологический мониторинг территории, причем не только относящейся к лесному фонду, можно проводить с помощью таксационных параметров множеств растущих деревьев [1 - 11]. При этом существенно расширяется роль и функции предприятий «Леспроекта». Они могут и должны заниматься лесоустройством не только для оценки массы древесины на данной лесной площади. но одновременно и экологическим мониторингом лесных и нелесных территорий с помощью общеизвестных таксационных измерений деревьев и древостоев. Объем лесной таксации значительно увеличится за счет измерений не эксплуатационных массивов леса.
Предлагаемый способ относится к лесной таксации и может быть использовано в лесном хозяйстве преимущественно при изучении насаждений без использования пробных площадей, обосновании биологически оправданных лесохозяйственных мероприятий на основе данных полного или ленточного перечета деревьев на выбранных пробных площадях различных видов, а также в инженерной экологии, природоохранном обустройстве территорий, экологическом мониторинге и охране окружающей среды путем учета закономерностей роста древостоя по распределениям диаметров ствола и высот деревьев.
Известен способ измерения деревьев и анализа древостоя (см., например, учебник: А.В. Тюрин. Лесная таксация. - М.: Гослестехиздат, 1945. - С.131, 133, 139-140, 150-155), включающий перечет всех деревьев, распределение деревьев по ступеням толщины в 1, 2, 3 или 4 см, причем перечет, как правило, ведется тремя лицами, при этом высотомером измеряют высоту деревьев, а диаметры деревьев на высоте 1.3 м измеряются мерной вилкой. Значения диаметров и высот наносят на график. Нанесенные на рисунке точки располагаются узкой полоской. Посередине этой полоски проводят кривую линию, характеризующую соотношение высот и диаметров данного насаждения и называемую кривой высот. Для построения кривой необходимо иметь значительное число обмеров высот деревьев всех ступеней толщины. Только при этом условии на чертеже достаточно ясно наметится направление самой полоски. В зависимости от этого направления нужно провести кривую высот так, чтобы она, оставаясь плавной, разделила точки на всем её протяжении кверху и книзу на две половины. Только в этом случае она явится средней, а сумма положительных отклонений от нее будет равна сумме отрицательных отклонений. Тщательно проведенная кривая высот позволяет без особого труда определить для каждой ступени толщины соответствующую ей высоту. Среднему диаметру насаждения соответствует средняя высота насаждения.
Недостатком известного способа является высокая трудоемкость анализа древостоя. При этом существующий способ анализа древостоя разработан на основе перечета высококачественных прямоствольных деревьев не тронутого рубками и другими воздействиями насаждений. К сожалению, девственных насаждений уже не осталось. Все современные насаждения являются производными (лесные культуры) или расстроенными естественными лесами. Именно это обстоятельство создает значительный разброс высот и полоска значений на графике становится весьма значительной ширины, при том она неодинакова по ступеням толщины. Для современных лесов становится неправомерным утверждение проф. А.В. Тюрина (там же, с. 139) «... если определить для всех деревьев одной и той же ступени толщины среднюю высоту, то отклонения от неё для отдельных деревьев будут весьма незначительны». В связи с этим утверждение о том, что «среднему диаметру насаждения соответствует средняя высота насаждения» является сильным упрощением и становится только частным случаем, мало распространенным на практике среди расстроенных лесных насаждений.
Известен также способ измерения деревьев и анализа древостоя (см., например, отраслевой стандарт ОСТ 56-69-83), включающий перечет деревьев древостоя с измерением диаметров на высоте 1.3 м от корневой шейки и высот, выбор ступени толщины в зависимости от среднего диаметра преобладающего элемента леса, причем для построения графика высот преобладающего элемента леса измеряют высоты у 20-25 деревьев, которые распределяют по ступеням толщины пропорционально суммам площадей сечений. Причем среднюю высоту преобладающей породы определяют по графику высот для дерева среднего диаметра.
Таким образом, измерение происходит не только при перечете деревьев, но и при выравнивании графика высот ручным способом на масштабной сетке (подробно описано в аналоге), а также при распределении высот в пределах одной ступени диаметра. Поэтому измерение происходит на всех этапах анализа древостоя, но в камеральных условиях. Однако на каждом этапе анализа древостоя происходит искажение исходной информации от перечета всех деревьев дальнейшими упрощениями, группировками данных и искажение от ручного выравнивания графика высот.
Недостатком известного способа является предположение о том, как это было и в аналоге, что среднему диаметру насаждения соответствует средняя высота насаждения.
В расстроенных лесных насаждениях этого не наблюдается.
Главным недостатком известного способа является распределение деревьев по ступеням толщины. Способ анализа древостоя путем группировки значений диаметров по ступеням толщины был создан почти 300 лет назад для упрощения расчетов, которые выполнялись вручную.
Недостатком является также ручное выравнивание графика высот. В наш век компьютерных информационных технологий можно обрабатывать любые массивы информации лесной таксации. В связи с этим необходимо вернуться в лесной таксации к исходным данным полного перечета деревьев всего
древостоя в естественных его границах, причем без разделения статистических данных по элементам леса и без закладки пробных площадей. Поэтому древостой вначале следует принять в естественных границах территории, занимаемой биологическим сообществом деревьев. В этом случае древостой принимается как единая постоянная пробная территория, на которой регулярно проводится перечет всех деревьев для изучения хода роста и развития всего древостоя.
Технический результат - повышение точности анализа древостоя путем сопоставления диаметров на высоте 1,3 м от корневой шейки и высот деревьев также от корневой шейки и расширение применения способа анализа древостоя в инженерной экологии и природоохранном обустройстве территорий.
Сущность технического решения заключается в том, что значения диаметра и высоты деревьев, растущих в одном древостое, принимаются за взаимно зависимые параметры древостоя и по результатам измерений диаметров и высот подвергаются статистическому моделирования, причем без предварительного распределения измеренных значений по ступеням толщины и разрядам высоты (эти группировки были придуманы для облегчения ручных расчетов таксаторами).
Сущность способа заключается также в том, что древостой принимается за цельную биологическую популяцию, имеющую общие для всех деревьев закономерности роста и развития. Эти общие для популяции деревьев закономерности проявляются в сопоставлении диаметров и высот деревьев, входящих в популяцию как отдельные организмы (биологические особи).
Положительный эффект заключается в том, что способ позволяет выявить закономерности сопоставления диаметров и высот деревьев древостоя и на этой основе оценить экологическое состояние древостоя на момент измерений диаметров и высот. Ранговое распределение остатков высот, полученных после выявления закономерности изменения высоты от диаметра, позволяет оценить конкурентоспособность деревьев между собой, а также степень влияния на рост каждого дерева свойств места его произрастания. Периодическое измерение деревьев древостоя как постоянной общей пробной площади позволяет измерить динамику хода роста древостоя и отдельных его деревьев (если номера их зафиксированы постоянно). После получения статистических моделей можно проводить компьютерные расчеты, имитирующие различные воздействия на древостой и на отдельные деревья в отдельности (выборочные рубки, поражение гнилью и пр.) и тем самым оценить, не проводя эти физические воздействия в реальности, эффективность тех или иных лесохозяйственных, противопожарных, природоохранных, ландшафтных и иных мероприятий.
Существенной новизной является то, что впервые естественная совокупность деревьев не подвергается искаженному информационному представлению, так как любые группировки по ступням толщины и разрядам высоты деревьев приводят к огрублению исходной информации и потере содержательной информации о свойствах отдельных деревьев.
В связи с этим техническое решение обладает существенными признаками новизны, положительным эффектом и перспективой расширения областей практического применения принципиально новой эвристико-статистической методологии лесной таксации в инженерной экологии, то есть в экологической оценке лесных территорий.
Способ измерения деревьев и анализа древостоя реализуется, например, при измерениях на постоянной пробной площади, следующим образом.
Вначале выбирается древостой для экологических исследований, который принимается как единая постоянная пробная площадь. Затем известными способами измеряются диаметр на высоте 1.3 м от корневой шейки и высота каждого дерева, входящего в древостой.
Результаты измерений древостоя статистическим моделированием сопоставляют для получения закономерности влияния диаметра ствола на высоту дерева. После этого вычисляют остатки как разность между измеренными и расчетными по указанной закономерности значениями высоты деревьев. Затем остатки высот располагают по убыванию от максимального положительного значения до максимального отрицательного значения, и этим остаткам присваивают целочисленные ранги, начиная от нуля, причем остатки высот, различающиеся меньше чем на точность измерения высоты деревьев, принимают за один ранг.
В дальнейшем статистическим моделированием сопоставляют остатки высот деревьев с назначенными целочисленными рангами для получения закономерности рангового распределения остатков высот. Для определения относительной погрешности сопоставления диаметров и высот деревьев древостоя из измеренных значений высот вычитаются расчетные значения по обеим найденным закономерностям изменения высоты от диаметра и ранга, результаты вычитания делятся на измеренные значения высот деревьев. Для оценки в процентах относительную погрешность умножают на 100.
Закономерность влияния диаметра ствола на высоту дерева принимают по формуле
Н1 = «А/2 ехР(-азА.за4), С1)
где Н - высота дерева, вычисляемая по первой закономерности, м;
Д 3 - диаметр ствола дерева на высоте 1,3 м от корневой шейки, см;
а -а - параметры статистической модели, получающие числовые значения для конкретного древостоя.
Точность измерения высоты деревьев принимают в пределах 0,1 м. Эту точность обеспечивают известные типы высотомеров.
Закономерность рангового распределения остатков высот принимают по формуле
£н = а5 ехр(-а6г“7) - а8 г09, (2)
где бн - остаток высот, вычисляемая по ранговому распределению, м;
г - целочисленный ранг, принимаемый из ряда 0, 1, 2, 3, .;
а •••а9 - параметры статистической модели, получающие числовые значения для конкретного древостоя.
Общая двухфакторная закономерность принимается по формуле Н = Нх +£н, (3)
или, с учетом обоих составляющих, по выражению Н = аД з“2 ехр(-а3 Д За4) + а ехр(-а6г^) - а^г“9. (4)
Относительная погрешность сопоставления диаметров и высот деревьев древостоя рассчитывается по формуле
Д = 100(Я-Я)/Я, (5)
где А - относительная погрешность, %;
// - измеренные значения высоты деревьев, м;
Н - расчетные значения высоты деревьев, полученные по общей двухфакторной закономерности, м.
Пример. Методика сопоставления диаметров и высот деревьев без распределения их по ступеням толщины и разрядам высот состоит в следующем.
В примере рассмотрен березняк, содержащий 198 деревьев березы.
После параметрической идентификации биотехнического закона [1 - 11] были получена статистическая закономерность для зависимости Н = / (Д 3) ( Я = 0,803)
Н = 0,62144Д з1’40983 ехр(—0,041403Д3) . (6)
Формула (б)показывают основное соотношение между диаметром на высоте 1,3 м и высотой дерева.
После подстановки значений диаметра вычисляются расчетные значения высоты, а затем определяется остаток б = Н-Н, как разность между фактическими Н и расчетными Н значениями высоты по формуле. Этот остаток подвергается дальнейшему статистическому моделированию.
Все значения остатков подвергаются ранжированию по убыванию разности высот, начиная от максимального значения +£тах. В нашем примере оказалось, что £^= 4,12 м у дерева №19 (ранг г = 0), а минимальный остаток равен £Ма = -5,89 м для дерева № 100 (ранг г = 37). Размах остатков составляет 10,01 м, что вполне значимо для анализа древостоя по отдельным деревьям.
Таким образом, все 198 деревьев расположились по рангам 0, 1, 2, ..., 37. При этом разница между рангами равна 0,1 м. Если значения остатка £ у нескольких деревьев была меньше 0,1 м, то этим деревьям присваивался один и тот же ранг. Применение рангового распределения вместо разрядов высот дает возможность построения таблиц хода роста по каждому конкретному древостою.
После структурно-параметрической идентификации получена зависимость
£ = 4,0577ехр(-0,22338г0,79481) -
-9,9658 • 10-6г3,67460. (7)
Первая составляющая этой формулы является устойчивым законом гибели (в общей форме, являющейся частной формулой биотехнического закона). Она показывает естественное ранжирование деревьев по результатам их конкурентной жизнедеятельности. Вторая составляющая является устойчивым законом аллометрического роста негативного (кризисного) влияния внешних факторов. Чаще всего вторая составляющая любой статистической закономерности, построенной на основе биотехнического закона, показывает результаты антропогенного влияния. Поэтому вторая составляющая формулы характеризует влияние прошлых лесохозяйственных мероприятий.
Общая двухфакторная зависимость приобретает вид
Н = 0,62144Д з1’40983 ехр(-0,041403Д3) +
+4,0577ехр(-0,22338г0,79481) - 9,9658 -10-7 г3’67460. (8)
Эта закономерность имеет коэффициент корреляции Я = 0,996. В табл. 1 приведен фрагмент исходных и расчетных данных.
Таблица 1 . Результаты статистического моделирования параметров 198
деревьев березы
№ Диаметр Факт Й, Расчетные значения по общей формуле (8)
дерева Д1.3 , м м Н, м £н , м г Н, м £ , м А, %
1 33 23 21,9 0,99 10 22,89 0,11 0,48
2 26 21 20,9 0,39 17 21,29 -0,29 -1,38
3 34 22 21,9 0,39 17 22,29 -0,29 -1,32
4 30 22 21,7 0,50 15 22,20 -0,20 -0,91
5 23 20 19,9 0,39 17 20,29 -0,29 -1,45
6 20 16 18,5 -0,60 30 17,90 -1,90 -11,88
7 12 13 12,6 0,61 14 13,21 -0,21 -1,62
8 28 18 21,4 -0,82 32 20,58 -2,58 -14,33
9 33 18 21,9 -1,07 34 20,83 -2,83 -15,72
10 28 20 21,4 -0,23 26 21,17 -1,17 -5,85
11 23 18 19,9 -0,50 29 19,40 -1,40 -7,78
12 28 18 21,4 -0,82 32 20,58 -2,58 -14,33
13 22 16 19,5 -0,94 33 18,56 -2,56 -16,00
14 38 21 21,7 -0,01 23 21,69 -0,69 -3,29
15 18 12 17,4 -1,36 36 16,04 -4,04 -33,67
16 28 20 21,4 -0,23 26 21,17 -1,17 -5,85
... ... ... ... ... ... ... ...
186 27 22,5 21,2 1,26 8 22,46 0,04 0,18
187 20 20 18,5 1,42 7 19,92 0,08 0,40
188 25 21 20,6 0,54 15 21,14 -0,14 -0,67
189 26 20 20,9 -0,08 24 20,82 -0,82 -4,10
190 34 21,5 21,9 0,13 21 22,03 -0,53 -2,47
191 34 21,5 21,9 0,13 21 22,03 -0,53 -2,47
192 35 21,5 21,9 0,13 21 22,03 -0,53 -2,47
193 31 21,5 21,8 0,20 20 22.00 -0,50 -2,33
194 36 22,5 21,9 0,70 13 22,60 -0,10 -0,44
195 28 21,5 21,4 0,46 16 21,86 -0,36 -1,67
196 26 21,5 20,9 0,70 13 21,60 -0,10 -0,47
197 36 23 21,9 0,99 10 22,89 0,11 0,48
198 35 23 21,9 0,99 10 22,89 0,11 0,48
Из данных табл. 1 видно, что максимальная относительная погрешность равна 33,67% для дерева № 15. Относительные погрешности рассчитываются по выражению А = 100б/Н, и они распределились следующим образом: Интервалы , % 0 - 1 1 - 5 5 - 10 10 - 20 20 - 30 >30
Число деревьев, шт. 84 86 16 8 3 1
Почти 86% численности деревьев описываются уравнением (4) с относительной погрешностью менее 5%. А допустимая в лесной таксации погрешность в 10% охватывает почти 94% от всех измеренных деревьев.
Метод анализа древостоя заключается в том, чтобы для всех деревьев, а также для деревьев по элементам леса, по соотношениям между их диаметрами и высотами идентифицировать статистическую закономерность вида
Н = аД ехр(-а3Д 3) + а4 ехр(-а5габ) - а1га&, (9)
где Н - высота дерева, м; Д 3 - диаметр ствола на высоте 1,3 м, см; г -ранг дерева среди множества деревьев древостоя или элемента леса; а - а -параметры статистической закономерности древостоя или его элемента.
Эффективность нового способа проявляется в том, что он позволяет применять как современные методы таксации древостоя, так и предлагаемый способ без распределения деревьев по ступням толщины и разрядам высот. Современные информационные технологии в лесном хозяйстве возникли на базе старых методов ручной обработки исходных данных. Поэтому появляется возможность статистической обработки первичных данных перечета с учетом особенностей всех входящих в генеральную совокупность деревьев. Это характеризует новый этап в развитии лесной таксации, ориентированной не только на измерение ценнейшей части ствола дерева, но и на применение результатов измерений в инженерной экологии для экологического мониторинга территории, на которой произрастают деревья.
Для новых расширенных функций таксации наиболее подходят по ОСТ 56-69-83 виды пробных площадей для изучения хода роста насаждений. Очевидно также, что другие виды пробных площадей становятся частными случаями. В итоге древостой в целом становится генеральной совокупностью, в которую включены частные совокупности деревьев на пробных площадях. Примем допущение, что выборка деревьев на пробной площади соответствует закономерностям распределения деревьев по генеральной совокупности. Тогда предлагаемый способ можно
распространить и на результаты перечета деревьев на пробных площадях различных видов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мазуркин, П.М. Геоэкология: Закономерности современного естествознания: Научное издание / П.М. Мазуркин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 336 с.
2. Мазуркин, П.М. Статистическая экология / П.М. Мазуркин: Учебное пособие. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 308 с.
3. Мазуркин, П.М. Экологический мониторинг (Способы испытания деревьев) / П.М. Мазуркин: Учебное пособие. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 224 с.
4. Мазуркин, П.М. Дендрометрия. Статистическое древоведение / П.М. Мазуркин.
- Учебное пособие. - Часть 1. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 308 с.
5. Мазуркин, П.М. Дендрометрия. Статистическое древоведение / П.М. Мазуркин.
- Учебное пособие. - Часть 2. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 205 с.
6. Мазуркин, П.М. Экологическая оценка территории по ведомости перечета деревьев на лесосеке / П.М. Мазуркин, Е.В. Светлакова // Лсеоэксплуатация: межвуз. сб. научн. тр. - Вып. 5. - Красноярск: СибГТУ, 2004. - С.77-82.
7. Мазуркин, П.М. Метод анализа дендрометрических данных // П.М. Мазуркин, Е.С. Филонова // Экология: Образование, наука, промышленность и здоровье: материалы II Международной научно-практической конференции. - Вестник БГТУ. - 2004. - № 8. -Часть V. - С. 83 - 85.
8. Мазуркин, П.М. Лесистость и распаханность территории / П.М. Мазуркин, С.И. Васильева // Экология: Образование, наука, промышленность и здоровье: материалы II Международной научно-практической конференции. - Вестник БГТУ. - 2004. - № 8. -Часть V. - С. 83 - 85.
9. Мазуркин, П.М. Закономерности распределения деревьев и измерение влияния рубок ухода за лесом / П.М. Мазуркин, С.Е. Анисимов // Лесной вестник МГУЛ. - 2003. -Вып. 3. - С. 101 - 108.
10. Мазуркин, П.М. Оценка и прогноз качества лесной территории / П.М. Мазуркин, Э.Н. Бедертдинов, П.А. Перов // Лесной журнал. - 2003. - №4. - С. 33 - 41.
11. Мазуркин, П.М. Динамика рубок леса / П.М. Мазуркин, Э.Н. Бедертдинов, А.Н. Фадеев. - Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. - 218 с.
© П.М. Мазуркин, С.И. Михайлова, Е.В. Светлакова, 2006
