Сравнение альтернатив классификации сосновых насаждений Приангарья по лесорастительным условиям Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 630*548

СРАВНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВ КЛАССИФИКАЦИИ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ ПРИАНГАРЬЯ ПО ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ

Н. В. Брюханов1, С. К. Фарбер2

'ФГУП «Востсиблеспроект» 660062, ул. Н. К. Крупской, д. 42;e-mail: [email protected] 2Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Красноярск, Россия, 660036, Красноярск, Академгородок, 50, строение 28,

тел. (391)249-46-35, e-mail: [email protected]

Рассматривались три варианта классификации насаждений по условиям местопроизрастания: по классам бонитета, типам леса и типам лесорастительных условий. Сравнение производилось по значениям коэффициентов вариации диаметров и значениям коэффициентов детерминации уравнений регрессии между диаметрами и высотами. В качестве исходных эмпирических наблюдений использовались таксационные показатели модельных деревьев сосны из материалов Государственной инвентаризации лесов. Установлено, что классификация по типам лесорастительных условий, в которой учтены формы рельефа местности, степень влажности почв и породный состав древостоев, статистически более обоснована.

Ключевые слова тип леса, класс бонитета, тип лесорастительных условий, лесотаксационные показатели, уравнение регрессии

Three variants of classification for forest stand in accordance with site conditions - site class, forest type and type grown conditions - were considered in the article. Comparison was made based on diameter coefficient variations and regression equation determination coefficients for diameters and heights. Taxation indices of Scots pine sample trees from State forest inventory materials were used as a primary empirical observation. It was concluded that classification based on type grown conditions is the most statistically valid. These grown conditions are the place relief type, soil moisture and species stand composition.

Keywords: forest type, site class, type grown conditions, taxation indices, regression equation

ВВЕДЕНИЕ

Востребованность уравнений взаимосвязи лесо-таксационных показателей (уравнений регрессии) связана с необходимостью уточнения существующих или разработки новых таблиц хода роста и динамики древостоев, а также таблиц - товарных сортиментных и некоторых других - для работы с которыми необходимы сведения о классе бонитета древостоев, средних высотах (К) и диаметрах элементов леса. Другой, не менее важный аспект значимости уравнений взаимосвязи - их необходимость для определения величин лесотаксационных показателей при дешиф-ровочной таксации. По материалам аэрокосмических съемок диаметры элементов леса дешифрируются посредством экспертной оценки или по уравнениям регрессии, последнее конечно предпочтительнее.

Выявление взаимосвязи таксационных показателей производится в границах определенных страт насаждений. Посредством стратификации достигается разбиение изучаемой совокупности насаждений на множества, в пределах которых уменьшается варьирование таксационных показателей и, следовательно, должно наблюдаться определённое приближение к единству роста и развития древостоев и составляющих элементов леса. От того, насколько удачно выбраны основания для образования страт напрямую зависит гомогенность рядов роста и развития и далее «разрешающая способность» искомых уравнений регрессии. Рост и развитие связаны с одной стороны с биологическими особенностями древесных пород и

происхождением древостоя, с другой - с условиями местопроизрастания, различающимися по таксонам лесорастительного районирования. Как биологические, так и экологические факторы при формировании уравнений должны быть учтены, что так или иначе реализуется на практике. Разночтения возникают на этапе группировки эмпирических наблюдений в страты, основания для которой могут быть различны.

Исторически определились следующие направления стратификации насаждений по лесораститель-ным условиям: классам бонитета, типам леса (или их группам), типам лесорастительных условий. Соответственно существуют таблицы и уравнения взаимосвязи между лесотаксационными показателями, сформированные по классам бонитета, типам леса, типам лесорастительных условий. Отметим, терминология в научной литературе может не совпадать. Так, В В. Кузьмичев (2013) обозначает только два направления оценки продуктивности (стратификации насаждений по лесорастительным условиям): на основе шкал классов бонитета, на основе лесных типологических классификаций. В такой интерпретации типы лесорастительных условий становятся частным случаем, входящим в более общее понятие - «типологическая классификация».

Следует уточнить, для лесов Сибири в настоящее время используется шкала классов бонитета М. М. Орлова и лесная типология В. Н. Сукачева. Что касается типов лесорастительных условий, то однозначности содержания термина, и тем более географических границ его использования, пока не

достигнуто. Как следствие, подходы к выделению типов лесорастительных условий могут быть различные. В определениях обозначена основная особенность типов лесорастительных условий - способность продуцировать насаждения со сходными по стадиям сукцессии характеристиками. По Н. А. Луганскому, С. В. Залесову (1977, с. 53): «тип лесорастительных условий - совокупность покрытых и не покрытых лесом участков, с одинаковыми лесора-стительными свойствами». Из Терминологического словаря: тип лесорастительных условий объединяет «... лесные земли по сходству лесорастительных условий, обеспечивающих произрастание лесной растительности определённого состава и производительности» (Лесное хозяйство: Терминологический словарь, ...).

Цель исследования. Наличие трех явно различных альтернатив для стратификации насаждений по ле-сорастительным условиям предполагает проведение сравнительного анализа. Однако до настоящего времени такого рода сравнения не проводилось. Полагаем, основная причина - недостаточное количество и полнота описания исходных наблюдений, что является следствием трудоемкости проведения полевых исследований. С появлением массовых данных из материалов Государственной инвентаризации лесов (ГИЛ) проблема недостаточности и полноты полевых эмпирических наблюдений снимается. Появляется возможность проведения широкого круга обобщений, в том числе и сравнительного анализа способов группировки эмпирических наблюдений для разработки лесотаксационных таблиц и уравнений взаимосвязи между лесотаксационными показателями. Цель исследования формулируется, как выбор из возможных альтернатив наиболее подходящего варианта стратификации насаждений по лесорастительным условиям.

Район и методы исследований. В Красноярском крае и республике Хакасия ГИЛ осуществляется с 2007 года силами ФГУП «Востсиблеспроект». В настоящей работе использованы материалы ГИЛ Ко-винского и Недокурского участковых лесничеств, входящих в состав Кодинского лесничества Красноярского края. По лесорастительному районированию И. А. Короткова (1994) территория Кодинского лесничества относится к Приангарскому округу южнотаежных и подтаежных светлохвойных лесов. Полевые работы - закладка постоянных пробных площадей здесь проводились в 2009 г.

Данные пробных площадей ГИЛ характеризуют категории земель участковых лесничеств, т.е. насаждения различного породного состава, гари, вырубки, насаждения из подроста и т.д. Общее количество пробных площадей, представляющих категории земель участковых лесничеств составило 340. Количество пробных площадей, в которых взяты модельные деревья, и для которых поэтому оказалось возможным определить класс бонитета древостоев (всех древостоев - сосновых, лиственничных и т.д.), составило 265.

Сравнению подлежат следующие альтернативы стратификации насаждений по лесорастительным условиям: классам бонитета, типам леса, типам лесорастительных условий. Возможность выполнения сравнительного анализа появляется при наличии численных значений критериев. Предпочтение следует отдать наиболее простым и эффективным. К числу такого рода критериев относятся коэффициенты вариации таксационных показателей и коэффициенты детерминации уравнений регрессии. Для анализируемой совокупности сосновых древостоев методика сравнительного анализа представляется как последовательное выполнение следующих этапов:

- составление перечня страт сосновых насаждений;

- определение средних значений диаметров моделей сосны и коэффициентов их вариации;

- получение уравнений регрессии между высотами и диаметрами моделей сосны, а также коэффициентов детерминации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Перечень страт сосновых насаждений. По разным причинам описание насаждений в материалах ГИЛ и материалах массовой таксации далеко не всегда совпадают, причем зачастую значительно. В том числе наблюдается несовпадения типов леса и классов бонитета. В настоящей работе используются типы леса и классы бонитета насаждений пробных площадей из материалов ГИЛ, без анализа причин их расхождений с данными массовой таксации.

Всего в материалах ГИЛ Недокурского и Ковин-ского участковых лесничеств фигурируют 5 классов бонитета и 9 типов сосновых лесов (таблицы 1, 2). Количество пробных площадей, представляющее типы сосновых лесов составляет 121, количество модельных деревьев сосны - 463. Количество пробных площадей, представляющее классы бонитета составляет 133, количество модельных деревьев сосны -494. Для классов бонитета количество наблюдений оказалось больше, поскольку здесь были учтены не только насаждения с преобладанием сосны, но и лиственные насаждения произрастающие на местоположениях, где сосна является коренной породой.

Таблица 1 - Распределение данных ГИЛ по классам бонитета сосновых лесов

Класс бонитета Пробные площади, шт. Модели сосны, шт. Модели сосны с измеренными ^ шт.

1 2 52 8

2 20 180 69

3 63 735 241

4 45 444 168

5 4 34 12

Итого 134 1445 498

Таблица 2 - Распределение данных ГИЛ по типам сосновых лесов

Проб- Мо- Модели

Тип леса ные дели сосны с из-

площа- сосны, меренными

ди, шт. шт. h, шт.

Чернично-зеленомошные 23 296 101

(Счзм)

Хвощево-зеленомошные 1 6 4

(Схвзм)

Бруснично-зеленомош- 44 594 185

ные (Сбрзм)

Разнотравно-осочковые 37 316 120

(Сртос)

Осочковые (Сос) 2 26 8

Бруснично-разнотравные 9 133 33

(Сбррт)

Бруснично-осочковые 2 8 6

(Сброс)

Хвощево-вейниковые 1 8 5

(Схвв)

Вейниково-крупнотрав- 2 4 1

ные (Свкт)

Итого 121 1391 463

К сожалению типы лесорастительных условий не входят в оценочные показатели насаждений пробных площадей ГИЛ. Поскольку варианты стратификации лесорастительных условий могут быть различны, необходим выбор. Ориентируясь на дешифровочные методы определения лесотаксационных показателей с использованием материалов аэрокосмических съемок логично в качестве входов использовать наиболее достоверно определяемые дешифровочные показатели. По С. К. Фарберу, Ю. А. Михалеву (2003) предпочтение следует отдать структурным составляющим рельефа местности и породному составу древостоя. Стратификация произведена на основе данных цифровой модели рельефа и лесотаксационных показателей насаждений пробных площадей, с использованием минимально возможного количества входов. Структура рельефа учтена посредством выделения долин водотоков, выровненных местоположений водоразделов, северных и южных экспозиций склонов; почвенно-грунтовые условия учтены посредством косвенных показателей а именно породного состава древостоев и их производительности. К выровненным отнесены местоположения с уклоном от 0 до 2 градусов, к склонам отнесены местоположения с уклоном более 2 градусов.

Сосновые насаждения пробных площадей Недо-курского и Ковинского участковых лесничеств сгруппировались в следующие восемь типов лесорасти-тельных условий:

- Сосняки долин на свежих почвах (С-дол-мезо);

- Сосняки долин на влажных почвах (С-дол-гидро);

- Сосняки выровненных водоразделов на свежих почвах (С-вод-мезо);

- Сосняки выровненных водоразделов на сухих почвах (С-вод-авто);

- Сосняки северных склонов на свежих почвах (С-сев-мезо);

- Сосняки выровненных водоразделов на влажных почвах (С-вод-гидро);

- Сосняки южных склонов на свежих почвах (С-юг-мезо);

- Сосняки южных склонов на сухих почвах (С-юг-авто).

Общее количество пробных площадей, представляющее типы лесорастительных условий местопроизрастания, составило 176 (таблица 3). Сравним, количество пробных площадей для классов бонитета составило 134 (таблица 1), типов леса - 121 (таблица 2). Расхождение объясняется тем, что типы лесора-стительных условий дополнительно представляют насаждения лиственных пород - лиственной фазы сукцессии экологической модификации сосновой формации, а также насаждения пирогенного и антропогенного (послерубочного) происхождения, для которых по причине отсутствия модельных деревьев с измеренной высотой, оказалось невозможно определить класс бонитета по сосне.

Таблица 3 - Распределение данных ГИЛ по типам условий местопроизрастания

Тип условий местопроизрастания Пробные площади, шт. Модели сосны, шт. Модели сосны с измеренными h, шт.

С-дол-мезо 14 157 46

С-дол-гидро 2 20 6

С-вод-мезо 30 161 65

С-вод-авто 4 37 10

С-вод-гидро 2 5 2

С-сев-мезо 60 525 184

С-юг-авто 15 142 42

С-юг-мезо 49 438 143

Итого 176 1485 498

Сравнение изменчивости диаметров деревьев сосны. Стандартное отклонение с - мера разброса вариантов от их среднего относится к именованной величине, т.е. имеющей размерность. Сравнение же может производиться только между величинами относительными. Коэффициент вариации CV - отношение стандартного отклонения к среднему, также есть мера вариабельности, но которая при этом является неименованной величиной (Лакин, 1973). Коэффициент вариации CV наиболее простой статистический показатель, позволяющий сопоставить степень достижения единства направления роста и развития древостоев по классам бонитета, типам леса и типам лесорастительных условий.

Диаметр в уравнениях регрессии обычно выступает в роли зависимой переменной. Логично поэтому, что именно коэффициенты вариации dt следует использовать как критерий для сравнения единства развития элементов леса насаждений. Величины и как следствие изменчивость диаметров прямо зависит от возраста древостоя. У более молодых деревьев диаметры меньше, и наоборот. Расчет CV поэтому прове-

ден, в том числе, с учетом групп возраста древостоев. Для получения численного значения CV использовалась формула стандартного отклонения генеральной совокупности (таблицы 4,5,6).

Таблица 4 - Средние значения и коэффициенты вариации диаметров моделей сосны по классам бонитета (числитель - d 3, мм;знаменатель - ^%)

Таблица 5 - Средние значения и коэффициенты вариации диаметров моделей сосны по типам леса (числитель - d13, мм;знаменатель - СУ, %)

Группа возраста древостоя, лет

Класс бонитета

Группа возраста древостоя, лет

Среднее

До 40 41-80 81100 101120 Более 121 СУ, %

176 208 254

24,3 16,9 10,6 17,3

210 296 321 415

27,2 21,7 18,9 22,4 22,6

88 182 271 302 372

24,3 27,1 22,8 24,3 28,2 25,3

73 157 237 238 352

12,2 30,4 34,9 20,1 25,8 24,7

73 146 283 295 369

5,2 31,4 15,9 15,8 19,5 17,6

1Ш1 Более 121 нее СУ, %

леса До 40 41-80 81-100 101-120

Счзм 174 274 307 395

27,5 23,2 22,5 29,4 25,6

Схвзм 454 25,9 25,9

Сбрзм 84 182 276 289 361

23,3 27,3 25,5 28,1 25,7 26,0

Сртос 162 262 280 370

40,1 30,1 19,7 25,4 28,8

Сос 223 306 390

11,9 13,5 20,5 15,3

Сбррт 197 249 225 328

25,8 21,8 11,0 23,0 20,4

Сброс 288 26,3 26,3

Схвв 366 22,8 22,8

Примечание: в типе леса Свкт наблюдений недостаточно для получения CV в приспевающей и перестойной группах возраста.

Таблица 6 - Средние значения и коэффициенты вариации диаметров моделей сосны по типам лесорастительны-хусловий (числитель - d13, мм;знаменатель - СУ, %)

Тип условий местопроизрастания ■

Группа возраста древостоя, лет

До 40

41-80

81-100

101-120

Более 121

Среднее СУ,%

176 211 247 202 324

С-дол-мезо 24,2 20,9 15,2 6,4 20,9 17,5

С-дол-гидро 73 5,2 120 22,6 369 19,5 15,8

С-вод-мезо 201 28,2 289 23,7 298 17,8 368 27,2 24,2

С-вод-авто 173 283 328 357

24,9 15,9 2,4 17,1 15,1

С-вод-гидро 255 27,8 27,8

С-сев-мезо 83 181 260 299 370

18,9 29,2 21,9 21,5 26,0 23,5

С-юг-авто 67 132 180 228 355

3,0 28,0 26,1 19,7 25,2 20,4

С-юг-мезо 89 167 278 301 399

26,7 26,6 26,2 28,4 28,9 27,4

В целом для классов бонитета средняя величина ^ диаметров составила 35,4%, типов леса - 32,4%, типов лесорастительных условий - 36,7%. Страта С-дол-гидро представлена насаждениями до 80 лет и более 120 лет. Поскольку в выборочной совокупности нет приспевающих и спелых древостоев, то и модельные деревья сосны имеют здесь только крайние значения диаметров. Отсутствие средних величин диаметров сказалось на численном значении CV, которая дляС-дол-гидро составила 59,1%, что и повлияло в сторону увеличения на среднее значение CV в типах лесорастительных условий.

Группировка наблюдений по возрастным стадиям позволяет проследить изменчивость диаметров в ди-

намике. С учетом групп возраста среднее значениеCV по классам бонитета составило 21,5%, по типам леса -23,9%, по типам лесорастительных условий - 21,5%. Значения CVдиаметров в целом по страте выше чем по группам возраста. Сопоставление средних значений CV показывает, что при группировке наблюдений по классам бонитета и типам лесорастительных условий достигается примерно одинаковое приближение к единству развития сосновых древостоев. Отсюда следует, что группировка наблюдений по типам леса, принимая во внимание большее значение CV, нежелательна.

Сравнение коэффициентов детерминации уравнений регрессии. Коэффициент детерминации

1

2

3

4

5

R2 - мера зависимости случайной величины. Численное значение R2 интерпретируется, как объяснение линией регрессии доли исходной изменчивости (Хала-фян, 2007). В качестве зависимой переменной уравнения регрессии принята d13, независимой - И (табл. 7,8,9). Выбран нелинейный вид взаимосвязи, общий вид уравнения регрессии: d13=f(h). Выбор аргумента уравнения определяется меньшей вариабельностью высот деревьев в сравнении с другими таксационными показателями (Фарбер, 1997).

Таблица 7 - Аналитический вид уравнений регрессии по классам бонитета

Класс Уравнение регрессии Коэффициент бонитета детерминации

1 3=72,882ехр(0,0476И) 0,529

2 3=55,381ехр(0,0696И) 0,592

3 3=48,303ехр(0,0818И) 0,717

4 3=38,626ехр(0,0944И) 0,701

5 3=38,376ехр(0,1135И) 0,760

Таблица 8 - Аналитический вид уравнений регрессии по типам леса

Коэффициент

Тип леса Уравнение регрессии

г г г детерминации ^2)

Счзм <3= =49,933ехр(0,0798И) 0,574

Сбрзм <3= =47,286ехр(0,0824И) 0,716

Сртос <3= =52,528ехр(0,0772И) 0,679

Сос <3= = 124,99ехр(0,0383И) 0,435

Сбррт <3= =63,682ехр(0,0686И) 0,361

Сброс 4,3 =119,67ехр(0,037И) 0,771

Схвв <3= =43,838ехр(0,0871И) 0,601

Примечание: в типах леса Схвзм и Сект наблюдений недостаточно для получения уравнений регрессии.

Таблица 9 - Аналитический вид уравнений регрессии по типам условий местопроизрастания

Тип условий Коэффициент

местопроиз- Уравнение регрессии детерминации растания ^2)

С-дол-мезо <3 =60,328ехр(0,0665И) 0,510

С-дол-гидро <3 =30,439ехр(0,1151И) 0,928

С-вод-мезо =67,548ехр(0,0671И) 0,569

С-вод-авто <3 =97,742ехр(0,0625И) 0,620

С-сев-мезо <3 =55,209ехр(0,0762И) 0,667

С-юг-авто 3=35,513ехр(0,092И) 0,857

С-юг-мезо <3 =47,294ехр(0,0819И) 0,678

Примечание: в типе условий местопроизрастания С-вод-гидро наблюдений недостаточно для получения уравнений регрессии.

В качестве входов в шкалу классов бонитета используются высота и возраст преобладающей поро-

ды. Оценивается продуктивность древостоев, при этом зачастую качественно различающимся лесора-стительным условиям отвечают одни и те же классы бонитета. Классификация по продуктивности дре-востоев напрямую никак не учитывает почвенно-грунтовые условия и привязку к рельефу местности. Несмотря на такого рода «искусственность» шкал, вариабельность диаметров сосновых древостоев в сравнении с типами леса оказалась ниже.

Диагностическими признаками в схемах типов леса являются не только доминантные виды древесных пород, напочвенного покрова и кустарников. Не менее значимы также показатели местоположения и почвенно-грунтовые условия. На практике отнесение насаждения лесотаксационного выдела или насаждения пробной площади к определенному типу леса производится, принимая во внимание только преобладающую древесную породу и виды травя-но-кустарничкового яруса. Вся другая диагностика, включая почвенно-грунтовые показатели и рельеф местности, игнорируется. Результат - вариабельность диаметров по типам сосновых лесов оказалась наиболее высокой.

Среднее значение R2 по классам бонитета составило 0,660; по типам леса 0,591; по типам условий местопроизрастания 0,690. Отсюда следует, что более предпочтительным вариантом является группировка наблюдений по типам лесорастительных условий. Отметим согласованность этого выбора по обоим использованным для сравнения критериям СУ и R2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Составление таблиц хода роста, таблиц динамики, уравнений взаимосвязи таксационных показателей древостоев по типам лесорастительных условий и классам бонитета в сравнении с типами леса оказалось статистически более обоснованно. Для сосняков Приангарья большую прогностическую ценность имеют уравнения взаимосвязи таксационных показателей представляющие страты, в которых учтены рельеф местности, степень влажности почв и породный состав древостоев. Сравнение производилось с уравнениями, сформированными по классам бонитета и типам леса. Для формирования уравнений использованы данные Государственной инвентаризации лесов (ГИЛ).

Преимущество классификации насаждений по типам лесорастительных условий обосновывается не только полученными значениями СУ и R2. Сегодня метод дешифровочной таксации становится абсолютно преобладающим и определение диаметров элементов леса становится возможным только по их взаимосвязи с другими показателями. В качестве основного требования к методу дешифровочной таксации следует обозначить достоверность оценки по материалам аэрокосмической съемки входов в лесные классификационные построения. Оценка форм рельефа, величин уклонов и экспозиции местности

средствами ГИС при наличии цифровых моделей рельефа позволяет избежать субъективизма исполнителей. Стратификация насаждений по типам лесорастительных условий, учитывающая структуру рельефа, позволит уменьшить количество грубых ошибок дешифровочной таксации и как следствие повысить качество лесоустроительного проектирования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Коротков И. А. Лесорастительное районирование России и республик бывшего СССР // Углерод в экосистемах лесов и болот России. - Красноярск: Институт леса СО РАН, 1994. - С. 29-47. Кузьмичев В. В. Закономерности динамики древостоев: принципы и модели. Новосибирск: Наука, 2013. - 208 с.

Лакин Г. Ф. Биометрия. Учебное пособие для университетов и педагогических институтов. Москва: изд-во «Высшая школа», 1973 г. - 343 с.

Лесное хозяйство: Терминологический словарь / Под общ. ред. А. Н. Филипчука. М.: ВНИИЛМ, 2002. - 480 с.

Луганский Н. А., Залесов С. В. Лесоведение и лесоводство. Термины, понятия, определения: Учеб.пособие / Урал. гос. лесотехн. акад. Екатеринбург, 1977. 101 с.

Фарбер С. К.Лесные измерения по среднемасштабным аэроснимкам. Красноярск: изд-во СО РАН, 1997. 106 с.

Фарбер С. К., Михалев Ю. А. Стратификация насаждений при дешифрировании насаждений по среднемасштабным аэроснимкам. / Лесоведение, 1993, №№ 5. - С. 69-72.

Халафян А. А. STAПSTICA 6. Статистический анализ данных. 3-е изд. Учебник - Москва: изд-во ООО «Бином-Пресс», 2007 г. - 512 с.

Поступила в редакцию 15.09.14 Принята к печати 20.12.14