В настоящее время изменения климата существенно влияют на все природные экосистемы, особенно в Арктической зоне. Прослеживается некоторый тренд увеличения фитомассы на арктических территориях, что обусловлено повышением проективного покрытия и продукции фитомассы в условиях роста продолжительности вегетационного периода, теплового режима почв и большей доступности питательных веществ для растений, что может положительно сказываться на росте и развитии лесных экосистем [1]. Изменение климата может нести также угрозы [2]. В ближайшее время могут потребоваться новые нормативы для определения основных таксационных показателей лесообразующих пород, расположенных на границе с открытыми пространствами: тундрами, водно-болотными участками (морем) в районе притундровых лесов и редкостойной тайги и в защитных лесах северотаежного района европейской части Российской Федерации. Проблемы притундрового лесоводства являются актуальным направлением для исследования [3–5].
В статье приведены оценки точности определения запаса в молодняках и средневозрастных древостоях сосны в Мурманской области. Кольский полуостров входит в сухопутную территорию Арктики [6, 7], по лесорастительному районированию входит в район притундровых лесов и редкостойной тайги и северо-таежный район европейской части Российской Федерации [8]. По таксационному районированию входит в Северо-Западный лесотаксационный район [9].
Целью проведения исследования является оценка возможности разработки унифицированных нормативов для определения запаса для сосняков на северном пределе их распространения на территории Европейского Севера.
Материалы и методы исследования
Для оценки точности определения запаса использованы результаты обследования стационарных объектов в молодняках и средневозрастных сосняках в Мурманской области. Собраны материалы постоянных наблюдений, в частности паспорта пробных площадей. Месторасположение постоянных пробных площадей – Оленегорское участковое лесничество Мончегорского лесничества.
Средний диаметр определен через площадь поперечного сечения среднего дерева. Распределение числа деревьев по диаметру осуществлялось с градацией в 1 см. Перечислительные данные сведены в одну ведомость. Средняя высота находилась графическим способом. Старое видовое число определено как отношение объема ствола к объему цилиндра, имеющего со стволом одинаковую высоту и площадь сечения на высоте 1,3 м по формуле
f = VС / VЦ = VС / (g1,3H), (1)
где VС – объем ствола, м3;
VЦ – объем цилиндра, м3.
Средний возраст древостоя определен по модельным деревьям, а в случае повторного обследования путем прибавления количества лет, прошедших после последнего обследования, к определенному ранее возрасту.
Класс бонитета определен по соотношению средней высоты преобладающей породы и среднего возраста по бонитировочной шкале М.М. Орлова [10].
Относительная полнота древостоя (Р) определена по формуле (2) как отношение сумм площадей сечений деревьев (∑Gd) в квадратных метрах на гектаре таксируемого древостоя на высоте 1,3 м (абсолютная полнота) к сумме площадей сечений деревьев (∑Gn) нормального древостоя [10]:
P = ∑Gd / ∑Gn , (2)
Запас по данным перечислительной таксации, принятый за истинный, рассчитывался путем суммирования объемов стволов по ступеням толщины, по общеизвестной формуле [9]:
, (3)
где n – число деревьев по ступеням толщины, шт.;
v – объем средних деревьев этих ступеней, м3 .
В общей сложности имеется 21 характеристика пробных площадей в различном возрасте, от 33 лет до 49 лет. Класс бонитета составляет IV–V, средняя высота варьируется от 5,6 м до 8,2 м, средний диаметр от 4,6 см до 10,4 см, количество деревьев на пробных площадях составляет от 1940 шт./га до 9560 шт./га, запас на 1 га от 52 м3/га до 163,4 м3/га. Таксационные характеристики пробных площадей приведены в табл. 1.
Данные по запасам перечислительной таксации сравнивались с запасами, полученными следующим образом:
1) по простейшей формуле для сосновых древостоев высотой до 10 м [11]:
M = 17(H – 2)P, (4)
где П – относительная полнота;
Таблица 1
Характеристика древостоев на пробных площадях по годам наблюдения
|
№ |
Тип леса |
Порода |
Средние |
N, здор. /га |
N, сух./га |
G, м2/га |
Объем среднего ствола, м3 |
Полнота |
Коэф. формы |
ʃ вид. число |
Запас, м3/га |
|||
|
A, лет |
H, м |
D, см |
Раст. |
Сух. |
||||||||||
|
1*62 1962 |
С.бр. |
С |
33 |
5,6 |
4,6 |
9560 |
65 |
20,80 |
0,00678 |
1,24 |
0,809 |
0,695 |
92,8 |
0,2 |
|
С |
38 |
6 |
5,4 |
9510 |
115 |
27,06 |
0,0094 |
1,56 |
116,7 |
0,3 |
||||
|
С |
43 |
6,3 |
5,7 |
9570 |
160 |
31,38 |
0,0112 |
1,77 |
147,0 |
0,8 |
||||
|
2*62 1962 |
С.бр. |
С |
35 |
5,6 |
5,11 |
8964 |
84 |
23,98 |
0,00767 |
1,43 |
0,854 |
0,667 |
107,8 |
0,6 |
|
С |
40 |
6,37 |
6,07 |
8960 |
276 |
31,31 |
0,0124 |
1,75 |
146,4 |
1,3 |
||||
|
С |
45 |
7 |
6,3 |
8960 |
360 |
34,43 |
0,0145 |
1,83 |
173,2 |
|||||
|
3*62 1962 |
С.бр. |
С |
34 |
6,35 |
7,15 |
3456 |
32 |
19,26 |
0,0163 |
1,08 |
0,842 |
0,69 |
92,9 |
0,2 |
|
С |
39 |
6,8 |
8,2 |
3796 |
48 |
23,82 |
0,0228 |
1,29 |
114,1 |
0,6 |
||||
|
С |
44 |
7,1 |
8,3 |
3772 |
72 |
26,39 |
0,0265 |
1,39 |
132,1 |
1,5 |
||||
|
4*62 1962 |
С.лиш. |
С |
34 |
6,35 |
8,19 |
1876 |
11,74 |
0,0215 |
0,66 |
0,797 |
0,67 |
52,5 |
||
|
С |
39 |
7,24 |
9,8 |
1856 |
20 |
16,04 |
0,0366 |
0,84 |
80,4 |
0,5 |
||||
|
С |
44 |
8,2 |
10,4 |
1844 |
32 |
18,14 |
0,0466 |
0,88 |
96,5 |
0,9 |
||||
|
5*62 1962 |
С.лиш. |
С |
33 |
7,3 |
8,5 |
2264 |
15,52 |
0,0248 |
0,81 |
0,758 |
0,624 |
73,9 |
||
|
С |
43 |
8,4 |
10,4 |
2264 |
16 |
22,71 |
0,0445 |
1,09 |
122,9 |
0,5 |
||||
|
7*62 1962 |
С.бр. |
С |
39 |
6,4 |
6,4 |
6972 |
22,22 |
0,01006 |
1,24 |
0,795 |
0,658 |
110,2 |
0,4 |
|
|
С |
44 |
7,1 |
7 |
5804 |
27,70 |
0,0172 |
1,46 |
138,9 |
3,4 |
|||||
|
С |
49 |
7,6 |
7,4 |
5796 |
30,19 |
0,0215 |
1,54 |
163,4 |
3,4 |
|||||
|
1*65 1965 |
С.бр |
С |
39 |
6,6 |
7,8 |
1960 |
20 |
11,32 |
0,0206 |
0,62 |
0,653 |
56,1 |
0,2 |
|
|
С |
45 |
7,4 |
8,6 |
1940 |
40 |
13,74 |
0,0281 |
0,71 |
70,2 |
4,7 |
||||
|
2*65 1965 |
С.бр |
С |
39 |
7,4 |
7,1 |
3616 |
52 |
18,41 |
0,02032 |
0,95 |
0,638 |
95,1 |
0,8 |
|
|
С |
45 |
7,5 |
7,7 |
3536 |
132 |
21,94 |
0,0223 |
1,12 |
119,4 |
1,5 |
||||
2) с помощью видовой высоты сосновых древостоев, найденной по формуле [9, 11]:
Hf = 1,4 + 0,4H, (5)
3) с помощью видовой высоты для сосновых древостоев притундрового района, найденной по формуле [10, 12]:
Hf =1,33 + 0,4H; (6)
4) по объемным таблицам для маломерных стволов и разрядным таблицам для Мурманской области по Северо-Западному таксационному району [11];
5) по формулам для маломерных стволов сосны в коре при высоте 1,5–4,5 м производен по формуле Е.Г. Тюрина, преобразованной Г.С. Войновым по формуле [10]:
(7)
Расчет объемов стволов сосны при высоте 5м и более произведен по формуле В.И. Левина, преобразованной Г.С. Войновым по формуле [10]:
, (8)
где V – объем стволов, м3;
d – диаметр стволов на высоте 1,3 см;
h – высота стволов, м.
Результаты исследования и их обсуждение
Таблица 2
Таблица запасов на пробных площадях, найденных различными способами
|
№ |
Запас, м3/га растущей древесины |
1) По простейшей формуле, M = 17(H-2)П |
2) По видовой высоте G×Hʃ = G×(1,4+0,4H) |
3) По видовой высоте G×Hʃ = G×(1,33+0,4H) |
4) По объемным разрядным таблицам для Северо-Западного таксационного района |
5) По таблице объемов стволов для Северо-Восточного таксационного района |
|
1*62 1962 |
92,8 |
76,0 |
75,7 |
74,3 |
82,4 |
84,1 |
|
116,7 |
106,2 |
102,8 |
100,9 |
112,6 |
115,6 |
|
|
147,0 |
129,2 |
123,0 |
120,8 |
131,9 |
134,3 |
|
|
2*62 1962 |
107,8 |
87,7 |
87,3 |
85,6 |
97,7 |
101,2 |
|
146,4 |
130,2 |
123,6 |
121,4 |
133,6 |
135,8 |
|
|
173,2 |
155,9 |
144,6 |
142,2 |
151,0 |
159,8 |
|
|
3*62 1962 |
92,9 |
79,9 |
75,9 |
74,5 |
86,6 |
85,0 |
|
114,1 |
105,1 |
98,1 |
96,5 |
108,6 |
104,7 |
|
|
132,1 |
120,9 |
111,9 |
110,0 |
122,7 |
120,7 |
|
|
4*62 1962 |
52,5 |
48,7 |
46,3 |
45,4 |
53,2 |
47,5 |
|
80,4 |
74,7 |
68,9 |
67,8 |
76,7 |
74,2 |
|
|
96,5 |
93,2 |
84,9 |
83,6 |
88,8 |
90,3 |
|
|
5*62 1962 |
73,9 |
72,8 |
67,0 |
66,0 |
71,2 |
68,3 |
|
122,9 |
118,7 |
108,1 |
106,5 |
115,7 |
115,4 |
|
|
7*62 1962 |
110,2 |
92,8 |
88,0 |
86,4 |
95,0 |
101,1 |
|
138,9 |
126,9 |
117,4 |
115,5 |
124,2 |
132,9 |
|
|
163,4 |
146,3 |
134,0 |
131,9 |
138,2 |
148,1 |
|
|
1*65 1965 |
56,1 |
48,7 |
45,7 |
44,9 |
51,3 |
52,1 |
|
70,2 |
65,2 |
59,9 |
58,9 |
64,9 |
65,0 |
|
|
2*65 1965 |
95,1 |
87,3 |
80,3 |
79,0 |
85,6 |
89,3 |
|
119,4 |
105,2 |
96,5 |
95,0 |
107,1 |
112,2 |
|
|
Систематическая ошибка, % |
-9,9 |
-15,5 |
-17,0 |
-8,2 |
-7,2 |
|
|
Средняя квадратичная ошибка, %3 |
4,52 |
11,1 |
11,62 |
3,87 |
1,96 |
|
|
Критерий хи-квадрат χ2 |
31,2 |
70,4 |
84,7 |
23,7 |
13,8 |
|
Для сравнения и нахождения систематической и средней квадратичной ошибки данные по запасам приведены в табл. 2. Для оценки найденных запасов и получения статистических критериев точности рассчитана систематическая ошибка; средняя квадратичная ошибка по формулам (9) и (10) [13]:
, (9)
где ∆C – систематическая ошибка, %;
хизм – измеренные значения запаса, м3;
хист – истинные значения запаса, м3;
∑n – количество пробных площадей, шт.
Систематическая ошибка характеризует, на сколько в среднем отличаются измеренные данные от истинных. Наряду с систематической ошибкой вычисляется средняя квадратичная ошибка. Средняя квадратичная ошибка показывает, на сколько в основном (68 %) единиц наблюдения отличаются отдельные измеренные значения признака от истинных. Средняя квадратичная ошибка вычисляется по формуле
, (10)
где σ – средняя квадратичная ошибка.
В табл. 2 приведены данные по запасам древостоя на пробных площадях по результатам перечислительной таксации и запасы, полученные способами по формулам (1)–(8).
Стандартные значения χ2 st = 31,4; 37,8; 45,3. Фактическое значение χ2 = 31,2; 23,7; 13,8 меньше стандартного χ2 st = 31,4 что значит, что различие недостоверно. Отличие запасов, найденных по указанным формулам, от перечислительной таксации является случайным, так как эмпирический критерий меньше стандартных значений по соответствующим уровням надежности χ2 = 31,4; 37,8; 45,3.
Выводы
1. Значения запаса, найденные по стандартной формуле V = GHF для сосны в молодняках и средневозрастных древостоях в зависимости от выбранной формулы для определения видовой высоты, приводят к занижению запаса древесины на 15,5–17,0 %, что может быть существенным при таксации молодняков и средневозрастных насаждений [14]. Средняя высота древостоя на пробных площадях имеет высокую изменчивость, согласно данным перечета и замеров высот коэффициент изменчивости высоты составляет в среднем 28,3 %, что говорит о средней и высокой степени изменчивости средних высот древостоев. Согласно устоявшейся практике определение средней высоты осуществляется графическим способом в зависимости от среднего диаметра, по графику высот, построенному по замерам высот и диаметров деревьев на пробной площади. Занижение запаса по формуле V = GHF для молодняков и средневозрастных древостоев связано с определением средней высоты. Применение другого подхода с использованием тех же формул (5) и (6), но с расчетом по ступеням толщины и с определением высоты по графику высот позволяет повысить точность. В этом случае систематическая ошибка при определении запаса составит 4,6 % и 6,0 %, а критерий Пирсона χ2 составит 6,2 и 9,9.
По результатам полевых и камеральных работ, а также исследований по данному направлению, проведенных В.Ф. Цветковым [15], можно отметить, что в связи с небольшими высотами древостоев и высокой сбежистостью стволов коэффициенты формы сосны в Мурманской области несколько ниже, чем в Архангельской области, однако видовые числа стволов сосны в Мурманской области также несколько ниже, чем в более южных районах (в сравнении с данными В.И. Левина), и близки к таковым по притундровым лесам Архангельской области и Республики Коми, что может быть основой для разработки унифицированных объемных таблиц.
2. На Европейском Севере России в экотопе «тайга – тундра» для Северо-Восточного и Северо-Западного таксационного района могут быть составлены общие унифицированные таблицы объема стволов для молодняков и средневозрастных древостоев.
3. Разработка общих унифицированных таблиц объемов стволов для насаждений сосны обыкновенной на северном пределе их распространения основана на изучении видовой высоты для исследуемых сосняков.