Рост культур сосны разной густоты в южной тайге красноярского края Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

рост культур сосны разной густоты в южной тайге красноярского края

в.в. кузьмичев, л.с. пшеничникова

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академ городок, 50; e-mail: institute forest@ksc.krasn.ru

Рассматриваются парные и множественные взаимосвязи таксационно-биометрических показателей в разногу-стотных посадках сосны (17 вариантов до возраста 30 лет). Установлено, что зависимость средних показателей высот и диаметров от возраста и текущей густоты древостоев отличается высокой теснотой связи. Накопление запасов в группе густых древостоев к 30 годам замедлилось, тогда как в редких оно продолжается. Предельная линия плотности древостоев выявляется уже на начальном этапе их формирования.

Ключевые слова: сосна, разногустотные посадки, рост, динамические взаимосвязи параметров.

Dynamic changes of Scots pine tree biometric parameters were studied for the tree species plantations of up to 30 years old and covering 17 planting densities. Average tree height and diameter appeared to be closely correlated with stand age and actual density. Accumulation of stocks in group of rich forest stands by 30 years was slowed down, whereas in rare it proceeds. The maximum future densities of the stands were predictable as early as at the initial stage of their formation.

Keywords: Scots pine, planting densities, growth, dynamic relationships of parameters

введение

Как известно, величину изменения таксационных показателей дерева и древостоя за короткий промежуток времени измерить довольно трудно, так как она весьма незначительна и обладает большой изменчивостью. Поэтому целесообразно выявлять динамические изменения показателей роста, а от них переходить к приросту.

Это же касается и разногустотных насаждений, когда в одних и тех же условиях произрастания фактор густоты определяет рост и формирование насаждений. Особенности динамики таксационных показателей с возрастом точнее определяются через изменение численности и размеров особей. На современном этапе развития лесокультурного производства необходимо

повышение точности расчетов для выявления стратегии формирования искусственных сосновых древосто-ев разной густоты и целевого назначения для управления процессом лесовыращивания.

Разногустотный эксперимент, инициированный А.И. Бузыкиным в 1982 году, в подзоне южной тайги (Большемуртинский лесхоз Красноярского края), посвящен изучению влияния густоты посадки на сохранность хвойных культур, их рост и степень дифференциации размеров деревьев, строение и продуктивность. Эксперимент представляет собой посадки основных лесообразующих хвойных пород Сибири -сосны, лиственницы, ели, кедра и включает 18 вариантов густоты по каждой породе (№, номер варианта -N густота посадки, тыс. экз./га):

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

N 0,5 0,75 1 1,5 2 3 4 6 8 10 12 16 24 36 48 64 96 128

В данной работе оценивается роль плотности на примере сосновых культур в динамике их структуры и продуктивности.

Материалы обмеров в разные годы учета с анализом результатов опубликованы в ряде работ (Бу-зыкин, Пшеничникова, 1999, 2011; Пшеничникова, 2001, 2012; Бузыкин и др., 2002, 2008; Собачкин Р.С., 2005 и др.). В таксационной и статистической обработке были использованы данные только прямых (непосредственных) замеров и учетов, затем проанализированы итоговые и средние показатели каждого варианта густоты и дана оценка влияния густоты на рост и продуктивность молодых насаждений в каждом возрасте.

При изучении динамических взаимосвязей такса-ционно-биометрических показателей появляется возможность на основании описания бывшего состояния

древостоев делать прогноз его будущего и намечать меры воздействия для изменения процессов роста в нужном направлении. Поэтому был проведен анализ парных и множественных зависимостей по результатам обмеров деревьев на примере сосны, на 17 секциях до возраста 30 лет.

материалы и методика исследований

Материалы обмеров культур в разные годы были объединены и подвергнуты статистическому анализу с использованием регрессионных методов. В первую очередь анализировалась динамика числа стволов, поскольку именно в этой области существует недостаток данных. С другой стороны, процессы роста и отпада деревьев тесно взаимосвязаны, и наибольший интерес представляет поиск соответствия между ними. Затем

проводили выравнивание средних высот и диаметров на каждой секции в зависимости от возраста. Для коэффициентов уравнений находили зависимость от текущего среднего расстояния (Ь ) между деревьями:

Ь = 100/(К )°-5, т. (1)

т. у тек/ ^ у '

где - текущая густота древостоя, или число деревьев на 1 га в данном возрасте. Это было необходимо для уменьшения диапазона изменчивости результирующего признака.

1. Анализ доли отпавших деревьев (ЭО), или доли отпада, проводился с использованием уравнения:

ЭО=а1*((А-2) а2)*ехр(-а3 *(А-2))+а4*(А-2); (2)

где А- биологический возраст культур (лет), а1- а4 -параметры уравнения.

2. Зависимость средних высот от возраста на секциях выравнивалась с использованием функции Вей-

булла:

Н=а1*(1-ехр(-а2*А)а3); (3)

3. Динамика средних диаметров в связи с возрастом описана с помощью показательно-степенной функции:

Б=а1*(Аа2)*ехр(-а3*А); (4)

Эту же функцию использовали для выравнивания средних диаметров в зависимости от текущего среднего расстояния между деревьями.

4. Связь средних высот и диаметров древостоев с возрастом и средним расстоянием между деревьями (текущей густотой) аппроксимировали более сложными зависимостями, включавшими связи параметров уравнений (3) и (4) с дополнительной переменной.

о;

00

- 3

**

1 г _ !

_ _ ' .

15 20 : Возраст, пет

Г)

рисунок 1 - изменение с возрастом доли отпавших деревьев для трех групп секций (а, б, в) и средние линии отпада по этим группам (г)

результаты и их обсуждение

Изменение с возрастом густоты древостоев. Изменение густоты посадки в первые годы в результате случайного стохастического отпада отразилось на характере естественного изреживания. Было выделено три группы вариантов опыта по величине начального отпада: редкие (с густотой посадки 0,5-1,5 тыс. шт./ га), загущенные (6-16 тыс. шт./га) и густые (32-128 тыс. шт./га). Соответственно группы секций включали: а - секции 1-5, б - 6-7 и 9-12, в - 13-18. Как выяснилось, динамика доли отпада стволов заметно различалась для трех групп секций (рис. 1).

В первой группе секций к 12 годам произошла эли-

минация до 40% деревьев, после чего численность менялась незначительно. Такой сильный отпад в редкостойных культурах, к сожалению, произошел в первые годы при проведении агротехнических уходов за культурами для подавления роста буйно разросшейся травянистой растительности (окашивание, высокотоксичные дозы гербицидов), в результате чего был исключен вариант опыта №8, с густотой посадки 6 тыс. экз./га. В зависимости от степени нарушенности поменялась первоначальная градация густоты опытов: на секциях 2 и 3 доля отпавших деревьев после 12 лет совпадает, к ней близок этот показатель на секции 5.

Во второй группе к 12 годам численность сократилась на 12-22%, после чего стала линейно убывать,

и к 30 годам сохранность колебалась от 30 до 50%. Отпад на секциях менялся довольно случайно. В третьей группе в 12 лет элиминация составляла от 30 до 60%, а к 30 годам она выросла до 65-90%. Здесь наблюдаются близкие изменения доли отпада для пар секций: 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18. Более наглядно различия в темпах изреживания прослеживаются на рис. 1-г, где показаны средние линии по этим группам. Начальный отпад сильно выражен в секциях первой

группы, заметен - во второй, и слабо проявляется в третьей. Общее уравнение для характеристики естественного изреживания всех секций характеризуется значительной погрешностью и здесь не приводится.

Возрастные изменения средних высот и диаметров древостоев. В густых секциях отмечается все более заметная задержка роста средних высот древо-стоев и некоторое отставание для самых редких вариантов от средних по густоте (рис. 2а).

16 г

14 ■

|

« 12 ■ я

а11 2

» б

я

и

0й4

V ' '-4- -....."" 30 лет

0 ^НШч - --с - 5 лет

...

—20 лет

О'—о------- 0 15 л.

т

Текущее среднее расстояние, м

26 24 22 Ъ 20 £18

I 16 «

а *

а 12 я

н 16

■и

^ о

и 8 6 4

2

Л ____ 30 лет 1 - ^

/ ......-

-—-—20 лёт

/У*

; 1

да ■ * -*—

2 3 4 5 6 7

Текущее среднее расстояние, м б)

рисунок 2 - изменение средних высот (а) и средних диаметров (б) по секциям в разных возрастах

Аналогичная картина наблюдается и для изменений средних диаметров в зависимости от среднего расстояния между деревьями (рис. 2б), но в этом случае оптимальная густота постепенно смещается в сторону очень редких древостоев (выходящих за пределы фактических значений густоты).

Это позволяет выявить густоту, соответствующую максимальным значениям высот и диаметров в конкретном возрасте. Для показательно-степенного уравнения ордината точки перегиба вычисляется по зависимости:

Ь =а,/я ; (5)

тек. 2 3' 4 '

где а2 и а3 - второй и третий параметры уравнения (4), использованного для выравнивания средних

высот в зависимости от текущего среднего расстояния. Результаты вычислений оптимальной густоты, обеспечивающей достижение наибольших значений высоты и диаметра в данном возрасте, приводятся в таблице 1.

Наблюдается резкое несовпадение значений оптимальной густоты по этим показателям. В 15 лет наибольшие диаметры соответствуют густоте, в 9 раз меньшей, чем наибольшие высоты, а в 30 лет - в 7. Зависимость значений наибольших высот, как от возраста, так и от среднего расстояния между деревьями носит почти линейный характер, с коэффициентами детерминации (в исследуемом диапазоне значений) 0,98-0,99.

таблица 1 - значения наибольших высот и диаметров, достигаемых в разном возрасте при оптимальной густоте

Возраст, лет

Высоты

Диаметры

Ь

N

Н

Ь

N

D

15 20 25 30

1,22 2,19 2,81 3,21

6668 2083 1268 970

5,1 8,4 11,7 14,4

3,75 4,33 5,49 6,94

711 332 208 144

7,7 15,6 21,0 26,0

Для наибольших диаметров также отмечается линейная зависимость от среднего расстояния и возраста. Понятно, что с увеличением возраста эти зависимости будут затухающими.

Наиболее надежные уравнения множественной регрессии для зависимости средних высот и диаметров от возраста и текущего среднего расстояния между деревьями выглядят следующим образом:

Н=(0,0012*А2)*Ьр -(0,0042*А)^2+13,97*(1-ехр(-0,045*А2,19)); 1 т. (6)

D = (0,89-0,3 3*ln(LI))*(A-7)л1,0 9 + 0,4* 1ПЪ))*ехр(-0,055-0,0004*1п^1))*(А-7); (7)

Коэффициент детерминации уравнения высот (6) равен 0,990, стандартная ошибка - 0,42 м (число наблюдений -119). Для зависимости средних диаметров (7) получены, соответственно, значения 0,994 и 0,41 см.

Определение запаса древостоев. Запас древосто-ев определяли по двум уравнениям, предложенным для культур сосны Украинского Полесья в работе

А.З. Швиденко с соавт. (1988) и для сосняков в статье А.В. Богачева (1991). Первое было взято вследствие того, что оно включает значения видовых высот, начиная с высоты 2 м, и отражает характерный изгиб кривой с минимумом для значений высоты около 4 м. Однако оно разработано для древостоев с полнотой 1,0. Предложенное А.В. Богачевым (1991) уравнение видовых высот включает относительное протяжение крон деревьев, чем косвенно учитывается полнота древостоев. В монографии А.И. Бузыкина с соавт. (2002) приводятся результаты определения объема стволов 15 модельных деревьев, взятых в возрасте 19 лет в 5 вариантах густоты посадки культур сосны (от 0,75 до 96 тыс. шт./га). Там указаны также для каждого дерева высота, диаметр (на высоте груди) и протяженность кроны. Это позволило вычислить объем каждого дерева по предложенному А.В. Богачевым уравнению видовых высот, включающего, кроме высоты (Н), относительное протяжение кроны (Ь ): ОТ=0,387*Н-4,14* Ь +3,36; " (8)

Относительное протяжение крон определяли по уравнению множественной регрессии, полученному на основе натурных обмеров:

Ьк=2.5/(((Ш)Л0.71)*АЛ0.557)); (9)

RK= 0,830, SE=0,07, п=693.

Сравнение фактических и вычисленных объемов стволов показало, что уравнение занизило объемы на 6%, тогда как по уравнению А.З. Швиденко с соав. - на 14%. Было проведено сравнение запаса древостоев, вычисленных двумя способами (рис. 3-4). В редких посадках (рис. 3а) запас, определенный с учетом протяжения крон, несколько меньше вычисленного по уравнению для полных древосто-ев. В перегущенных посадках (рис. 3-б), наоборот, соотношение запасов обратное. Это соответствует сформировавшимся представлениям о влиянии полноты древостоев на форму ствола (Гурский, 1994; Макаренко, 1996), но степень соответствия наших вычислений реальным данным остается неизвестной.

120

100

40

20

I' \

1 1 i i

i / t /

.......................... / / / / /

i i

/ / ! /

1 V

20

25

Возраст, лет

а)

30

рисунок 3 - сравнение динамики запаса древостоев на секциях с густотой посадки 750 экз./га (а) и с густотой посадки 128 тыс. экз./га (б). Пунктирная линия - расчеты запаса по А.З. Швиденко с соавт., сплошная линия -расчеты запаса по А.В. Богачеву

Для четырех вариантов самых редких культур накопление запаса (вычисленного по Швиденко с соавт., 1988) протекает медленно, к 30 годам он находится в интервале от 90 до 180 м3/га. В густых вариантах происходит замедление темпов его накопления, а в самом густом - снижение запаса. Для результатов определения запаса по уравнению А.В. Богачева (1991) свойственны те же закономерности. Различия состоят лишь в том, что для редких культур запасы получаются ниже, чем по первому способу, а для густых - немного выше (рис. 4).

Все же, отдавая предпочтение второму способу определения запаса, трудно быть полностью уверенным в его точности без дополнительной проверки.

Предельные линии для объема среднего дерева древостоев. Взаимосвязь густоты древостоев и размеров деревьев рассматривается в ряде работ, причем наиболее часто стремятся выявить предельные значе-

ния плотности, чтобы нормировкой на эти показатели определить степень напряженности конкурентных отношений в сообществе. В нашем случае ярко выражена перенаселенность, поэтому предельная плотность должна отчетливо проявляться. Действительно, наблюдается изменение траекторий густоты в перегущенных вариантах по мере приближения к некоторому пределу. Наиболее наглядно эти отклонения видим на изменении объема среднего дерева в зависимости от числа стволов на единице площади (в логарифмических координатах) (рис. 5). Прямая линия для логарифма предельного объема среднего дерева древостоя имеет наклон, равный 1,25, что отличается от теоретического значения 1,5, обоснованного в работах T. Kira et al. (1953) и K. Yoda et al. (1963) для соотношений между средним весом растения и их числом на единице площади в одновозрастных и полностью сомкнутых одновидовых популяциях.

Возраст, лет а)

Возраст, лет б)

Рисунок 4 - Динамика запаса древостоев разной густоты: а) - расчеты запаса по А.З. Швиденко с соавт., б) - расчеты запаса по А.в. Богачеву

Логарифм числа стволов

Рисунок 5 - Предельные линии для объема среднего дерева в культурах разной густоты (1 - угол наклона равен 1,25; 2 - угол наклона равен 1,5)

Хотя предельная линия естественного изреживания на начальном этапе имеет характер прямой, но вряд ли она останется такой и в дальнейшем (Zeide В., 1987).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заметное влияние различной степени нарушений начальной густоты посадки отразилось на характере естественного изреживания, в результате чего выделяются три группы вариантов опыта по величине начального отпада. В группе густых посадок отпад составил 65-90%, тогда как в двух других он не превышает 50%. В то же время зависимость средних показателей высот и диаметров от возраста и текущей густоты древостоев отличается высокой теснотой связи. Накопление запасов в группе густых древостоев к 30 годам замедлилось, тогда как в редких оно продолжается. Предельная линия плотности древостоев выявляется уже на начальном этапе их формирования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Богачев, А.В. Модель прогноза роста сосновых насаждений / А.В. Богачев // Лесоведение. - 1991. - № 1. - С. 3 - 11. Бузыкин, А.И. Влияние густоты на морфоструктуру и продуктивность культур сосны / А.И. Бузыкин, Л.С. Пшеничникова // Лесоведение. - 1999. № 3. - С. 38-43. Бузыкин, А.И. Влияние густоты экспериментальных посадок на радиальный прирост сосны обыкновенной / А.И. Бузыкин, Л.С. Пшеничникова // // Хвойные боре-альной зоны. - 2011. - Т. XXIX, № 3-4. С. - 189-193. Бузыкин, А.И. Густота и продуктивность древесных ценозов / А.И. Бузыкин, Л.С. Пшеничникова, В.Г. Сухо-вольский - Новосибирск: Наука, 2002. - 151 с. Бузыкин, А.И. Естественное изреживание разногустотных молодняков в экспериментальных посадках сосны /

А.И. Бузыкин, Л.С. Пшеничникова, Д.С. Собачкин, Р.С. Собачкин // Хвойные бореальной зоны. - 2008. -Т. XXV, № 3-4. С. - 244 - 249.

Гурский, А.А. О точности учета запаса леса на корню / А.А. Гурский // Современные аспекты лесной таксации. Сб. науч. тр. ИЛ АН Беларуси, вып. 38, ч. 1. - Гомель: ИЛ АН Беларуси, 1994. - С. 65-66.

Макаренко, А.А. Прогнозирование продуктивности древостоев / А.А. Макаренко - Алматы: НИЦ «Бастау» Ка-зАСХН, 1996. - 164 с.

Пшеничникова, Л.С. Лесоводственная оценка 30-летних разногустотных культур сосны обыкновенной в южной тайге Средней Сибири / Л.С. Пшеничникова // Леса российского Дальнего Востока: Мониторинг динамики лесов Российского Дальнего Востока: Материалы V Всероссийской конференции. - Владивосток: ЛАИНС, 2012. - С. 177-182.

Пшеничникова, Л.С. Рост сосны в экспериментальных посадках разной густоты / Л.С. Пшеничникова // Известия вузов. Лесной журнал. - 2001. - № 1. - С. 25-31.

Собачкин, Р.С. Структура и продуктивность разногустот-ных посадок хвойных: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. биол. наук / Р.С. Собачкин. - Красноярск: ИЛ СО РАН. - 2005. - 19 с.

Швиденко, А.З. Абсолютные полноты и запасы полных искусственных сосновых древостоев Полесья УССР /

A.З. Швиденко, А.А. Строчинский, П.И. Лакида // Лесной журнал. - 1988. - № 3. С. 15 - 19.

Kira, T. Intraspecific competition among higher plants. 1. Competition-yield-density interrelationship in regularly dispersed populations / Kira T., Ogava H., Sakazaki N. // Journal of the Institute of polytechnics (Osaka City University). - 1953. - Series D 4.- P. 1-16.

Yoda, K. Intraspecific competition among higher plants. XI. Self -thinning in over - crowded pure stands under cultivated and natural conditions / K.Yoda, T. Kira, H. Ogava, K. Hozumi // J. Biol. (Osaka City University). - 1963. - Vol. 14. - P. 107 - 120.

Zeide, B. Analysis of the 3/2 power law of self-thinning /

B. Zeide // For. Sci. - 1987. - Vol. 33. - P. 517-537.

Поступила в редакцию 30.06.14 Принята к печати 03.10.14