4 Исследование строения и продуктивности сосновых древостоев
4.1 Аналический обзор
В результате исследования строения чистых одновозрастных и неизмененных человеком древостоев разными учеными в свое время были установлены важные закономерности, которые в настоящее время составляют теоретическую основу лесной таксации. Значение этих закономерностей заключается в том, что все они в настоящее время широко используются для учета лесного и лесосечного фонда, при подготовке справочно-нормативных и лесотаксационных материалов, а также для разработки методов таксации древостоев.
За длительный период изучения строения древостоев (более 100 лет) выделилось три основных направления исследований: 1) определение и анализ редукционных чисел, т. е. отношение размеров стволов деревьев, занимающих определенное место (ранг) в древостое, к среднему ранжированного ряда; 2) изучение распределений таксационных показателей деревьев в древостое; 3) исследование вероятностного процесса перехода деревьев из одного состояния в другое (переход в другую ступень толщины, из растущего в сухостой, отпад и т. д.).
В России и Советском союзе наибольшее распространение получили первое и особенно второе направления.
Большой вклад в исследовании закономерностей строения насаждений вложил профессор В. Вейзе, который еще в конце прошлого столетия установил положение среднего дерева в насаждении. Профессор Фекете выразил в абсолютных величинах диаметры древостоев, отстоящих на 0, 10, 20,…100% от самого тонкого дерева. В последующем, в образованных Фекете рядах профессор А. Шиффель выразил диаметры деревьев в процентах от среднего диаметра, а затем и долях последнего. Несколько позже диаметры деревьев, выраженные в долях среднего диаметра древостоя, были названы редукционными числами. Редукционные числа были установлены для всех важнейших таксационных показателей различных древесных пород. В конечном итоге, исследования, проведенные этими учеными, выявили возможность нахождения численных значений таксационного показателя для дерева, занимающего любой ранг в ряду распределения, относительно среднего значения этого таксационного показателя в данном древостое.
Среди советских ученых интерес к строению насаждений появился в 20-х годах прошлого столетия. В частности, впервые распределение деревьев (в %) по
классам толщины было предоставлено А.И. Тарашкевичем на основании исследования им пробных площадей для сосны и 219 для ели. А. И. Тарашкевич сделал вывод, что распределение деревьев по ступеням толщины не зависит от породы, полноты и бонитета насаждения и обусловливается лишь его средним
диаметром. Наиболее подробное освещение закономерности строения насаждений
нашли в работах профессоров А. В. Тюрина и Н. В. Третьякова.
А. В.Тюрин (1924 г.) для изучения закономерностей строения насаждений сосны, бука и ели использовал материал (57 пробных площадей) А. Шваппаха, Ф. Флюри и В. П. Веселовского. Он распределил деревья по ступеням толщины, выраженным в десятых долях среднего диаметра, названными естественными ступенями. В пределах каждой породы для насаждений со средним диаметром 10, 20, 30, и 40 см были выведены затем средние ряды распределения.
Сопоставив средние ряды распределения насаждений с различными средними диаметрами, А. В. Тюрин сделал заключение, что несмотря на незначительные расхождения, древостои различных пород, возрастов и бонитетов в пределах сравниваемых групп обладают единством строения. Распределяя число деревьев по естественным ступеням толщины (высоты и т. д.), выраженным в долях среднего диаметра, А. В. Тюрин также сделал вывод, что закономерности распределения числа деревьев по естественным ступеням толщины зависят от возраста насаждения и интенсивности рубок ухода за лесом. Необходимо также отметить, что А. В. Тюрин замечал некоторое различие в строении насаждений с разными диаметрами, но счел возможным для целей практики дать обобщающий ряд распределения деревьев по естественным ступеням толщины для всех пород, диаметров и бонитетов.
Н. В. Третьяков (1927 г.) на материалах пробных площадей, заложенных Вейзе, Кунце и Шубергом для исследования хода роста, показал, что закономерность, установленная Вейзе – Шиффелем, проявляется во всех насаждениях независимо от породы, состава и полноты. В последующем, опираясь на эту закономерность, Н. В. Третьяков вывел так называемый "Закон единства в строении насаждений". Вместе с тем, автор понимал строение каждого насаждения в виде вероятностной кривой, аппроксимирующей средние значения таксационного признака, но не их индивидуальности. Особенно большое внимание Н. В. Третьяков уделял проявлению индивидуальностей в поведении рангов видовых чисел. По Герхардту, кривые видовых чисел могут иметь различную крутизну и направленность. Вследствие этого способ Шиффеля для оценки одного древостоя Н. В. Третьяков считал грубым.
В 1912 – 1916 гг. Н. С. Нестеров проводил исследования изменчивости таксационных показателей деревьев на постоянных пробных площадях. Г.Р. Эйтинген (1918 г.) изучил влияние густоты и возраста на рост и варьирование таксационных показателей деревьев в культурах.
Большинство выборочных распределений деревьев по диаметру в древостое характеризуется асимметрией и эксцессом. Форма распределения зависит, главным образом, от полноты и степени однородности древостоя, которые определяются интенсивностью и способом рубок ухода. Основные зависимости формы распределения от способа рубок ухода изучал Петтерсон (1955 г.), предполагая, что распределения деревьев по диаметру соответствует нормальному распределению с частично отрезанной левой ветвью, т. е. соответствует усеченному нормальному распределению. Он получил хорошее соответствие между теоретическим и опытным распределениями.
Профессор М. М. Орлов, проанализировав работы западноевропейских и русских исследователей по строению насаждений, признал их в научном отношении лучшим достижением таксационной мысли. Однако, ссылаясь на основоположни-ков теории строения насаждений А. Шиффеля и Ф. Флюри, М. М. Орлов отмечал, что выявленные закономерности в строении насаждений нельзя переоценивать и распространять за пределы так называемых нормальных одновозрастных насаждений.
В настоящее время используются следующие подходы к описанию распределений случайной величины: первый подход, разработанный К. Пирсоном, заключается в подборе подходящего семейства кривых, второй – на представлении плотности опытного распределения в виде производной от плотности функции нормального распределения (Шарлье). Третий подход заключается в том, чтобы отыскать такую функцию, распределение которой, по крайней мере хоть приближенно, но можно выразить через функцию с известным распределением.
Основным теоретическим распределением случайных величин, ограниченных с обеих сторон, является бета-распределение, которое описывает практически все типы распределений диаметров деревьев в древостое. Оно относится к I типу кривых Пирсона и широко используется для описания распределений деревьев по диаметру. Необходимо также отметить, что в последние годы в связи с моделированием динамики строения древостоев во временном плане используется распределение Вейбулла.
При исследовании и моделировании строения древостоев по диаметру рассматриваются обычно два типа распределений. Центром первого типа распределения является среднеарифметический диаметр, а центром второго – среднеквадратический или таксационный диаметр древостоя.
Модели роста и производительности насаждений преследуют цель обеспечить данные для анализа и проверки многочисленных гипотез относительно режимов ведения лесного хозяйства. Модели роста и производительности требуются также для различных аспектов контроля и управления лесами: прогнозирования продуктивности древостоев и таксации леса, оценки вариантов ухода за лесом и проектировании размера лесопользования, кадастровой оценки лесных земель, повышения продуктивности и улучшения качественного состава лесов, решения ряда вопросов лесоэксплуатации и обоснования параметров эксплуатационных лесов.
Р. Хавлей, Д. Смит (1954 г.) в результате обобщения обширных материалов сделали вывод: общая производительность насаждений определенного состава в данных условиях местопроизрастания для всех практических целей – оптимальная и постоянная в широком ранге густоты и уровня растущего запаса. Рубками ухода она может быть уменьшена, но не увеличена путем изменения растущего запаса к уровням вне этого ранга.
В своих исследованиях Н. Н. Свалов изучал возможность использования средней высоты древостоев как индикатора их производительности. Им был сделан вывод, что использование данного таксационного показателя в качестве классификационного признака для моделирования динамики производительности насаждений является не совсем правильным. Связано это прежде всего с тем, что в насаждении, пройденном рубками ухода принятым в практике низовым методом, класс бонитета, установленный на основании средней высоты, искусственно повышается. Для этих целей применима высота наиболее крупных деревьев, так как она не испытывает деформации вследствие изменения степени изреженности древостоев рубками ухода низовым методом.
Использование средней высоты наиболее высоких деревьев при построении таблиц хода роста известно более 150 лет. Шведский ученый Петерсон (Petterson, 1955 г.) предложил находить для этой цели высоту деревьев, диаметр которых больше диаметра среднего дерева на трехкратную величину стандартного отклонения.
В Англии по предложению Хуммеля и Кристи с середины 1950-х гг. принимают среднюю высоту 100 наиболее толстых деревьев, взятых с площади в один акр. Эта высота получила название верхней высоты и нашла применение в Германии, Чехии, Словакии, Швеции и Италии.
Исследования А. В. Тюрина, И. М. Науменко, М. Е. Ткаченко, Б. А. Шустова, А. В. Давыдова, Б. Д. Жилкина, Н. П. Анучина и др. показали, что общая производительность насаждений зависит от условий местопроизрастания, состава насаждений и практически не изменяется в зависимости от режима рубок ухода.
В течение формирования и развития лесной науки ученые исследовали взаимосвязи между различными таксационными показателями. Многие взаимосвязи между таксационными показателями изучены и нашли свое отражение в работах О. А. Атрощенко, Н. П. Анучина, Н. Н. Свалова, В. Ф. Багинского, Л. Д. Есимчика, Р. Л. Тереховой, В. К. Захарова. Закономерности строения древостоев, их частей и совокупностей являются теоретической основой разработки методов таксации леса, учета лесного и лесосечного фонда, широко используются при подготовке справочно-нормативных лесотаксационных материалов.
Многие ученые разрабатывали модели связи между диаметром, высотой, возрастом, суммой площадей сечений, приростом древостоя, запасом древостоя, исходя из того, что важное значение имеет простота модели.
Для установления качественного состояния стволов при проведении сплошного перечета в таксационных выделах тщательно осматривается каждое дерево. Поврежденные деревья устанавливаются по наличию плодовых тел грибов и другим заметным признакам. Наличие скрытых стволовых гнилей устанавливается с помощью возрастного бурава.
В сосновых насаждениях основными причинами гнили являются корневая губка и рак – серянка. Так как в комлевой части ствола сконцентрировано около 80% объёма деловой древесины, то рак – серянка, повреждая верхнюю часть древесного ствола, не может оказать существенного влияния на ее выход. Зараженность деревьев корневой губкой возрастает с увеличением возраста насаждений, но зараженная часть занимает небольшую площадь. В настоящее время в больших объемах проводятся рубки ухода и санитарные рубки, что способствует ликвидации очагов распространения грибных болезней и улучшению санитарного состояния лесов.
Неотделимым элементом продуктивности лесов является товарность древостоев, поскольку от выхода промышленных сортиментов, в конечном счете, зависит экономический эффект выращивания той или иной древесной породы. В нашем случае на всех пробных площадях класс товарности получился равным первому.
В лесной таксации разработано несколько различных по точности и трудоемкости методов для определения сортиментной структуры запасов насаждений. В практике для определения сортиментной структуры запасов насаждений используются сортиментные таблицы Ф. П. Моисеенко. Это наиболее простой метод, но ре
зультаты получаются довольно большой точности. При определении выхода различных категорий древесины из древостоев пробных площадей программой CSPD использованы сортиментные таблицы Ф.П. Моисеенко. Выход деловой древесины в сосновых насаждениях изменяется с возрастом. Максимальный выход деловой древесины наступает в возрасте 85 – 110 лет.