Научная статья на тему 'Моделирование продуктивности травяно-кустарничкового яруса в коротко-производных березняках западных низкогорий Южного Урала'

Моделирование продуктивности травяно-кустарничкового яруса в коротко-производных березняках западных низкогорий Южного Урала Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
100
42
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Иванова Н. С.

Для коротко-производных березняков западных низкогорий Южного Урала исследована сопряженность восстановительно-возрастной динамики древостоя и продуктивности трав. Для моделирования использованы связанные дифференциальные логистические уравнения. Проведен анализ для яруса, семейств и видов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

For short-term secondary birch forest of the western low mountains of the Southern Urals the forest restoration conjugate of stand and herb layers productivity were analyzed. Dependent differential logistical equations were used for design. The analysis had conducted for layer, family and species.

Текст научной работы на тему «Моделирование продуктивности травяно-кустарничкового яруса в коротко-производных березняках западных низкогорий Южного Урала»

Лесное хозяйство

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ ТРАВЯНО-КУСТАРНИЧКОВОГО ЯРУСА В КОРОТКО-ПРОИЗВОДНЫХ БЕРЕЗНЯКАХ ЗАПАДНЫХ НИЗКОГОРИЙ ЮЖНОГО УРАЛА

Н.С. ИВАНОВА,

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, Ботанический сад УрО РАН, г. Екатеринбург

Ключевые слова: Южный Урал, восстановительновозрастная динамика, коротко-производные березняки, древостой и подчиненные ярусы, продуктивность, сопряженность динамики, моделирование.

Продуктивность представляет собой результат комплексного влияния всех факторов среды и является интегральной характеристикой развития и

фитоценотической роли растений [1, 2]. Это определяет ее значение для характеристики структуры растительных сообществ, их устойчивости и динамики.

Ї

V

>

■«a 4 3 1

2

ІЮ 1Я

Возраст дрем стоя, пет

хо

Рисунок 1. Моделирование сопряженной восстановительно-возрастной динамики темнохвойной компоненты древостоя, проективного покрытия и фитомассы травяно-кустарничкового яруса в процессе формирования коротко-производных березняков:

1 - абсолютная полнота ели сибирской и пихты сибирской (кв. м/га); 2 - проективное покрытие трав (%); 3 -фитомасса трав (г/кв. м); точки - статистические данные; линии - результаты решения системы зависимых нелинейных логистических уравнений (две последние точки на них - прогноз на 40 и 90 лет). Коэффициенты

уравнений: А,=0,053; В1=0,0018; А2=0,059; В2=0,00118; С2=-0,00124; А3=0,053; В3=0,00118; С3 =-0,00059; С32=0,00012

Абсолютная полнота ели и пихты, ев.

Рисунок 2. Корреляционная зависимость фитомассы трав от абсолютной полноты ели сибирской и пихты сибирской

Традиционно при изучении продуктивности лесной растительности основное внимание уделяется древостою - эдификатору сообществ, формирующему максимальную фитомассу. Продуктивность травяно-кустарничково-го яруса в лесах изучена недостаточно. Обзор литературы по этому вопросу проведен нами ранее [3]. Здесь отметим только, что в литературе приводятся сведения о продуктивности нижних ярусов главным образом на отдельных (случайных) возрастных стадиях древостоя, в то время как практически все леса в настоящее время представляют собой динамичные серийные растительные сообщества. Необходим новый подход к изучению продуктивности лесной растительности, отражающий ее динамику и позволяющий делать прогнозы на будущее.

Ранее нами анализировалась сопряженность динамики древостоя и подчиненных ярусов в процессе восстановительно-возрастных смен коротко- и длительно-производных березняков в горах Южного Урала [4, 5]. В них на примере двух рядов восстановления и развития лесных экосистем (коротко- и длительно-производных березняков) детально рассмотрена возможность моделирования сопряженности динамики эдификатора и подчиненных ярусов на основе систем связанных дифференциальных логистических уравнений, подробно описаны принципы моделирования и сама модель, приведена сводка литературы по этому вопросу, наглядно и убедительно показаны достоинства и возможности применяемого метода анализа для изучения динамики лесов. Продуктивность в этих статьях не рассматривалась. Ее детальный анализ для горных лесов Южного Урала проведен нами ранее [3]. Моделирование продуктивности травяно-кустар-ничкового яруса в процессе восста-

Southern Ural, forest restoration, short-term secondary birch forests, stand and subordinate layers, linked dynamics, to design.

Лесное хозяйство

Рисунок 3. Корреляционная зависимость фитомассы трав от их проективного покрытия

80

а

4)

20

'

у — — — »1

. / • 9 >

► 2

Л) 100 130 2Ш

Возраст древостог, лет

Рисунок 4. Моделирование сопряженной восстановительно-возрастной динамики темнохвойной компоненты древостоя и фитомассы семейств злаковых и осоковых в процессе формирования коротко-производных березняков: 1 - абсолютная полнота ели сибирской и пихты сибирской (кв. м/га); 2 - фитомасса злаковых и осоковых (г/кв. м); точки -статистические данные; линии - результаты решения системы зависимых нелинейных логистических уравнений (две последние точки на них - прогноз на 40 и 90 лет). Коэффициенты уравнений: А1=0,053;

В1=0,0018; А2=0,024; В2=0,00206; С2=-0,00059

новительно-возрастных смен проводится нами впервые.

Работа выполнена по программе Президиума РАН "Биологическое раз-

нообразие".

Материал, методика и описание модели

Характеристика района, объекты и

методика исследований подробно описаны ранее [3, 6, 7]. Для моделирования динамики ярусов лесной растительности и их взаимовлияния нами используются следующие системы дифференциальных логистических уравнений [8]:

Здесь А=1Л; В=1ЛК; А - специфическая скорость естественного увеличения функции; 1 - характерный момент времени; К - предел функции; произведения х1, х2 и х3 описывают взаимозависимость, а С - интенсивность этого взаимодействия. Ограниченность внешних ресурсов и следующая из нее невозможность неограниченного роста функции учитывается введением отрицательного члена Вх2.

Первое уравнение в системе описывает восстановительно-возрастную динамику древостоя (таксационные характеристики получены Г.В. Андреевым [9]), второе и третье -подчиненных ярусов (травяно-кустар-ничкового или мохового).

Решение системы дифференциальных уравнений проведено в программе Ма^САй 2001 по методике Г.П. Быстрая [8] с использованием разработанного им программного продукта. Решалась обратная задача - по статистическим данным методом последовательных приближений определялись параметры динамических уравнений. Уравнения решены с помощью функции гк(1хе<^ [10].

Результаты и обсуждение

Продуктивность травяно-кустар-ничкового яруса в лесах определяется формирующимся древостоем. Ранее для коротко-производных березняков западных низкогорий Южного Урала [4] нами установлена и описана (с помощью системы из двух связанных дифференциальных уравнений) сопряженность развития темнохвойной компоненты древостоя и проективного покрытия трав. Для моделирования продуктивности травяно-кустарничко-вого яруса в лесах в эту систему уравнений добавлено третье уравнение, описывающее динамику фитомассы травяно-кустарничкового яруса (рис. 1). Модель описывает ситуацию: две причины, одно следствие. Причем одна из причин (проективное покрытие трав) зависит от другой (абсолютной полноты темнохвойной компоненты древостоя). Полученное уравнение для

03

и

3 “

h о

>< а

5

с

S

5

R

и

6 я ц

0 с

05

1

2

и и

а о

о

S

н

2

о.

id

о

с

о

0

1

СО

і

и

о

о.

л

а

5

5

s

к

03

О

о

к!

й

О

н

S

е

1 2

У

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

j » 1

У'"' » 3

О 50 100 .150 200 250

Возраст древостоя, лет

Рисунок 6. Моделирование сопряженной восстановительно-возрастной динамики темнохвойной компоненты древостоя, проективного покрытия мхов и фитомассы кислицы обыкновенной в процессе формирования коротко-производных березняков:

1 - абсолютная полнота ели сибирской и пихты сибирской (кв. м/га); 2 - проективное покрытие мхов (%); 3 -фитомасса кислицы (г/10 кв. м); точки - статистические данные; линии - результаты решения системы зависимых нелинейных логистических уравнений (две последние точки на них - прогноз на 40 и 90 лет). Коэффициенты уравнений: А1=0,053; В1=0,0018; А2=0,032; В2=0,00037; С2= 0,000059; Аз=0,121; Вз=0,0053;

С31=0,0012; С=-0.0018

динамики фитомассы трав хорошо описывает экспериментальные данные.

Корреляционные зависимости динамики фитомассы трав и абсолютной полноты темнохвойной компоненты древостоя приведены на рисунке 2, динамики фитомассы и проективного покрытия трав - на рисунке 3. Эти рисунки иллюстрируют сопряженность динамики ярусов лесной растительности.

Возможно рассмотрение динамики продуктивности трав и на более детальных уровнях: на уровне продук-

тивности семейств и отдельных видов. Из семейств рассмотрим злаковые и осоковые. Их доля в общей продуктивности травяно-кустарничково-го яруса варьирует от 15 до 19% в субкоренных ельниках и от 13 до 76% -в коротко-производных березняках. Семейство злаковых представлено 15-ю видами, осоковых - 6-ю видами. Из злаковых в большинстве случаев явно преобладают Calamagrostis arundinacea или Brachypodium pinnatum. Более 95% от фитомассы семейства осоковых приходится на Carex pilosa.

Лесное хозяйство

В процессе формирования коротко-производных березняков и восстановления эдификаторной роли ели сибирской и пихты сибирской продуктивность злаковых и осоковых видов снижается. Снижение их фитомассы идет более интенсивно по сравнению со снижением общей фитомассы тра-вяно-кустарничкового яруса: характерные моменты времени для общей продуктивности трав составляют 18,9; для продуктивности злаковых и осоковых видов - 4,2 (рис. 1, 4). Корреляционные зависимости общей фитомассы трав и фитомассы злаковых и осоковых видов от абсолютной полноты ели сибирской и пихты сибирской -сходные (рис. 2, 5).

Моделирование динамики продуктивности отдельных видов рассмотрим на примере кислицы обыкновенной. Этот вид обычен в субкоренных и производных лесах. В коротко-производных лесах ее динамика может быть описана системой из трех уравнений: две причины, одно следствие (рис. 6). Увеличение абсолютной полноты ели сибирской и пихты сибирской оказывает положительное влияние на рост кислицы обыкновенной и мхов. Разрастаясь, моховой покров тормозит развитие кислицы обыкновенной. В результате мы наблюдаем достаточно сложную динамику продуктивности рассматриваемого вида (рис. 6).

Заключение

Таким образом, системы из двух и трех связанных дифференциальных логистических уравнений хорошо описывают восстановительно-возрастную динамику продуктивности травя-но-кустарничкового яруса лесной растительности и отдельных видов, выявляя внутриэкосистемные взаимосвязи.

Автор выражает глубокую благодарность за активное содействие в моделировании и предоставленный программный продукт профессору Геннадию Павловичу Быстраю.

Литература

1. Лавренко Е. М. Основные закономерности растительных сообществ и пути их изучения // Полевая геоботаника. М. ; Л., 1959. Т. 1. С. 13-75.

2. Родин Л. П., Ремезов Н. П., Базилевич Н. И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. Л., 1968. 143 с.

3. Иванова Н. С. Динамика продуктивности травяно-кустарничкового яруса в лесах западных низкогорий Южного Урала // Ботанический журнал. 2007. Т. 92. № 9. С. 1427-1442.

4. Иванова Н. С. Исследование сопряженности восстановительно-возрастной динамики древостоя и подчиненных ярусов в коротко-производных березняках западных низкогорий Южного Урала // Аграрный вестник Урала. 2009. № 1. С. 76-79.

5. Иванова Н. С. Сопряженность восстановительно-возрастной динамики древостоя и подчиненных ярусов в длительно-производных березняках западных низкогорий Южного Урала // Аграрный вестник Урала. 2009. № 2. С. 79-82.

6. Иванова Н. С., Андреев Г. В. Естественное восстановление структуры ценопопуляций ели сибирской и пихты сибирской в темнохвойных лесах Южного Урала // Аграрный вестник Урала. 2008. № 6. С. 82-86.

7. Иванова Н. С., Андреев Г. В. Естественное восстановление структуры ценопопуляций ели сибирской и пихты сибирской под пологом коротко-производных березняков в горах Южного Урала // Аграрный вестник Урала. 2008. № 7. С. 75-77.

8. Куклин А. А., Быстрай Г. П., Калина А. В., Ойхер Д. Я., Комаровская А. А. Проблемы исследования наркотизации регионов России. Екатеринбург : УрО РАН, 2005. 53 с.

9. Андреев Г. В. Восстановительно-возрастная динамика темнохвойных древостоев на западном макросклоне Южного Урала // Лесное хозяйство. 2007. № 3. С. 38-40.

10. Очков В. Ф. Mathcad 8 Pro для студентов и инженеров. М. : КомпьютерПресс, 1999.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.