Національний аграрний університет

Петренко

Михайло Михайлович

УДК 630*5:582.475(477.41/42)

Динаміка фітомаси та депонованого вуглецю в штучних насадженнях сосни Полісся України

06.03.02 – лісовпорядкування і лісова таксація

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук

Київ - 2002Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник – доктор сільськогосподарських наук, професор

Лакида Петро Іванович,

Національний аграрний університет,

директор Навчально-наукового інституту лісового і садово-паркового господарства

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник

Багінський Володимир Феліксович, Інститут лісу НАН Білорусі, заступник директора

кандидат сільськогосподарських наук, доцент

Порицький Геннадій Олександрович, Національний аграрний університет, доцент кафедри геодезії та картографії

Провідна установа – Український ордена „Знак пошани” науково-дослідний інститут лісового господарства і агролісомеліорації ім. Г.М.Висоцького, лабораторія моніторингу та сертифікації лісів, Державний комітет лісового господарства України, м. Харків

Захист відбудеться “18” грудня 2002 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.09 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, Київ–41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, ауд.65.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НАУ за адресою: 03041, Київ–41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус 4, к.41.

Автореферат розісланий “ 14 ” листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Маніта О.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На рубежі ХХІ століття людство зіткнулося з проблемою глобального потепління атмосфери, спричиненого збільшенням в ній вмісту парникових газів, основними з яких є сполуки вуглецю. Ці сполуки активно залучені в систему атмосферно-біосферних зв'язків, а саме у процеси фотосинтезу рослин та декомпозиції їх решток. Впливаючи на біологічні ценози можна керувати потоками вуглецю, а отже, і регулювати процеси накопичення СО2 в атмосфері. Найбільш перспективними з наземних біомів у цьому плані вважаються ліси. Вони мають високу організованість, поновлюванісь, порівняно довго утримують вуглець в тілах дерев, а також уповільнений процес розкладу решток. Відповідно до протоколу Кіото (Kyoto Protocol…, 1997) країни, що його підписали, повинні самостійно визначити обсяги депонованого вуглецю та його основних потоків у лісових ценозах, які тісно пов'язані з показниками біологічної продуктивності (запасами фітомаси, мортмаси тощо), дослідження якої є актуальними.

Оцінка продуктивності лісів за компонентами фітомаси дає змогу визначити можливі додаткові ресурсні запаси лісів (деревина та кора гілок, корені, хвя тощо), вивченню яких в минулому приділялася обмежена увага. Крім того показники запасів фітомаси сильно корелюють із показниками екологічних функцій лісів (продукування кисню, затримання пилу, шумопоглинання).

В Україні один з найбільших лісових регіонів – Полісся, де головною лісоутворювальною породою є сосна звичайна. Понад 50% таких насаджень штучні. Тому вивчення продуктивності цих деревостанів за компонентами фітомаси та депонованим вуглецем має достатньо важливе значення та є частиною вивчення біопродукційного потенціалу всіх лісів України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетної теми кафедри менеджменту лісового господарства Національного аграрного університету “Розробити наукові основи еколого-економічної оцінки лісів та управління ними на засадах сталого розвитку” (№ держреєстрації 0101U 001710). Автором виконана робота з досліджень особливостей росту та накопичення фітомаси в штучних насадженнях сосни Полісся України.

В межах держбюджетної теми кафедри таксації і лісовпорядкування Національного аграрного університету “Розробити теоретичні основи, методичне і нормативно-інформаційне забезпечення системи кадастрової оцінки лісосировинних ресурсів та їх раціонального використання в умовах ринкової економіки” (№ держреєстрації 0196U 013080), де автором виконані розрахунки моделей продуктивності соснових культур Полісся за компонентами фітомаси.

Значна частина досліджень виконувалась в межах Лісового проекту Міжнародного інституту прикладного системного аналізу (IIASA), м. Лаксенбург, Австрія.

Мета і задачі досліджень. Головна мета роботи – зробити оцінку загальних запасів фітомаси та депонованого в ній вуглецю для штучних соснових насаджень Полісся України, та розробити комплекс номартивно-довідкових даних для таксації їх за різними показниками продуктивності: стовбуровим запасом, фітомасою та вуглецевим запасом. Розробка таблиць ходу росту модальних насаджень сосни виконана в межах створення нормативів для оцінки фітомаси та вуглецю в лісах.

Завдання, що поставлені в цій роботі, наступні:

- розробити таблиці ходу росту модальних штучних насаджень сосни Полісся України на основі даних повидільної таксаційної характеристики лісів;

- уточнити математичні моделі оцінки запасів фітомаси в штучних модальних насадженнях сосни Полісся України на основі дослідного матеріалу;

- на основі розроблених модальних таблиць та уточнених моделей фітомаси побудувати таблиці ходу росту штучних модальних насаджень сосни за компонентами фітомаси та вуглецевим запасом;

- за даними з повидільної таксаційної характеристики лісів України та уточнених математичних моделей оцінки запасів фітомаси підрахувати загальні запаси фітомаси та депонованого вуглецю в культурах сосни українського Полісся.

Об'єкт досліджень – процеси росту та формування продуктивності штучних насаджень сосни звичайної Полісся України.

Предмет дослідження – особливості росту модальних насаджень сосни Полісся України, накопичення в них фітомаси та депонованого в ній вуглецю.

Методи дослідження. Натурні дослідження проводились за типовими лісотаксаційними методиками з певною модифікацією щодо оцінки компонентів фітомаси дерев і деревостанів. Всі розрахунки виконані на основі експериментальної бази даних тимчасових пробних площ та бази даних “Повидільна таксаційна характеристика лісів” виробничого об'єднання “Укрдержліспроект”. Встановлення зв'язків між таксаційними ознаками модальних насаджень та залежностей показників продуктивності деревостанів за компонентами фітомаси насаджень здійснювалось статистичними методами, а саме регресійним аналізом. Оцінка придатності та адекватності моделей проводилась за допомогою стандартних методів математичної статистики.

На основі таксаційних характеристик з повидільної бази даних за спеціальною методикою оцінені обсяги фітомаси та депонованого в ній вуглецю для кожного виділу штучних деревостанів сосни Полісся України.

Наукова новизна одержаних результатів. Новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- вперше на основі повидільної бази даних сформульовані математичні моделі ходу росту модальних насаджень сосни Полісся України;

- удосконалені математичні моделі оцінки запасів фітомаси насаджень для Поліського регіону, що на відміну від існуючих враховують вік та площу поперечних перетинів насаджень;

- вперше розроблені таблиці динаміки модальних штучних насаджень сосни Полісся України за компонентами фітомаси та депонованого в ній вуглецю;

- досліджено зміни якісних та кількісних характеристик хвої насаджень сосни в процесі їх росту та розвитку;

- сформульовано методичні підходи до оцінки обсягу депонованого вуглецю та обчислення його загальних запасів в штучних деревостанах сосни Полісся України;

- удосконалено методичний підхід до збору дослідного матеріалу, який у порівнянні із наявним враховує вікову структуру хвої.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені таблиці ходу росту модальних насаджень можуть використовуватись при плануванні та реалізації заходів з ведення лісового господарства та їх моніторингу в штучних насадженнях сосни Полісся.

Для вирішення низки наукових та виробничих завдань з традиційної інвентаризації культур сосни Полісся України та оцінки обсягів фітомаси та депонованого в ній вуглецю, практичне значення мають:

- таблиці ходу росту модальних штучних насаджень сосни Полісся України;

- нормативи динаміки компонентів фітомаси та депонованого в ній вуглецю в штучних деревостанах сосни Полісся України;

- загальні обсяги фітомаси та депонованого в ній вуглецю в штучних соснових лісах Полісся України.

Дані про обсяги загальних запасів вуглецю в лісах будуть використані при складанні звіту про виконання Україною Кіотських домовленостей, які вона підписала.

Модальні таблиці динаміки фітомаси та депонованого в ній вуглецю можуть бути нормативним інструментом при управлінні лісовим господарством з метою досягнення оптимального вирішення як ресурсно-економічних, так і екологічних проблем.

Як результати досліджень ВО “Укрдержліспроект” використало нормативи ходу росту основних таксаційних показників, динаміки фітомаси і депонованого вуглецю модальних соснових насаджень у цілях виробництва. Проміжні результати дисертаційної роботи знайшли практичне використання у наукових розробках Лісового проекту Міжнародного інституту прикладного системного аналізу (Австрія), про що є відповідні документальні підтвердження.

Особистий внесок здобувача. Сформульовані в дисертації наукові положення, розроблені математичні моделі, нормативи, висновки і пропозиції належать особисто автору і є його науковим доробком.

Зібрано польовий експериментальний матеріал та виконано його камеральне опрацювання. Удосконалено методику збору експериментального матеріалу хвої з метою вивчення її якісних та кількісних характеристик. Використані дані повидільної таксаційної характеристики лісів України для моделювання ходу росту модальних насаджень та підрахунку загальних запасів фітомаси та вуглецю в лісах.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення дисертації та її результати були викладені та отримали позитивні відгуки на міжнародних (Львів, 1999), (Альберта (Канада), 2000), (Німеччина, 2000), (Мінськ, 2000) та університетських (Київ 1999, 2000, 2001) наукових конференціях.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в трьох наукових статтях Наукового вісника НАУ, а також у матеріалах чотирьох конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, огляду літератури, опису об'єкту досліджень, методики складання модальних таблиць, методики розрахунку моделей продуктивності насаджень за компонентами фітомаси та обрахунків загальних обсягів фітомаси і вуглецю в соснових культурах Полісся, загальних висновків, списку використаних літературних джерел, додатків. Робота виконана на 163 сторінках комп'ютерного тексту, включає 47 таблиць, ілюстрована 12 рисунками, має 6 додатків на 34 сторінках. Список використаних літературних джерел складається з 216 найменувань, у тому числі 60 іноземних, і розміщений на 23 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Розділ 1. Методологічні засади оцінки вуглецевих запасів у лісах. Однією з найважливих проблем сучасного світу є питання пов'язані з екологією. Зокрема, з початку 80-х років ХХ століття дуже активно обговорюється явище глобального потепління клімату внаслідок антропогенного підвищення вмісту СО2 в атмосфері (головним чином спалювання викопного палива, такого як нафта, газ та вугілля) або так званий “парниковий ефект” (Kelling, Bacastow etc., 1976; Hampicke, 1979; Bramryd, 1979; Bramryd, 1983). Його наслідками можуть стати катастрофічні зміни поверхні світового океану, клімату зон пустель та холодних зон полюсів. Виділяють два шляхи вирішення цієї проблеми – фізична та біологічна адсорбція (депонування). В основу біологічної покладено процес фотосинтезу рослин – поглинання води та двоокису вуглецю для синтезу цукрів та їх збереження у вигляді рослинних тканин (Woodwell, 1987). Найбільш ефективними для цього виявились світові ліси – загальний запас вуглецю в них за різними оцінками становить від 440 (Price, Apps, 1996) до 1100 (Dixon, Brown, Houghton, 1994) млрд.т (біля 40% наземної біомаси) і до того ж лісові екосистеми більш доступні для людського впливу на них. Це є не тільки екологічно доцільно, але й дешевше ніж інші способи поглинання СО2.

Для вивчення потенціалу лісів України в плані поглинання вуглецю необхідно детальне вивчення його запасів та динаміки. Оцінка загальних запасів вуглецю в лісах дуже тісно пов'язана із оцінкою загальних запасів фітомаси (Углерод в экосистемах..., 1994; А.І. Уткин, Д.Г. Замолодчиков, Г.Н. Коровин, 1997).

При вивченні складних лісових екосистем для більш глибокого розуміння зв'язків в них успішно використовують методи математичного моделювання (Г.С. Розенберг, 1984). Сучасний розвиток комп'ютерного апаратного та програмного забезпечення дозволяє створювати точні та адекватні математичні моделі росту і прогнозу запасів фітомаси та депонованого вуглецю в лісових насадженнях. При цьому існує небезпека втрати біологічної інтерпретації сутнісних біологічних чи екологічних зв'язків в моделі при надто формалізованому підході до процесу моделювання (А.Г. Ивахненко, 1982).

У західній лісовій науці при обліку фітомаси та депонованого вуглецю крім методів статистичного обліку (Gren house gas inventory…, 1995) широко використовується імітаційне моделювання, яке визнається новим етапом у вивченні біопродукційного процесу у лісах (В.В. Смирнов, 1971; О.А. Атрощенко, С.Б. Ковалевский, 2000). Щодо вивчення потоків вуглецю, сучасні імітаційні моделі ґрунтуються на фізіологічних процесах, що протікають в деревах (враховуючи фотосинтез, дихання, водопоглинання, транспірацію, азотне живлення, процеси відмирання та розкладу решток і, крім того, фактори зовнішнього середовища, такі як температура, вологість повітря) (Bjцrkstrцm, 1979; Bonan, 1990; Bonan, 1992). Перевірка прогнозу таких моделей показала їх високу відповідність реальним процесам росту деревостанів за умови найбільш точного та повного врахування вищезгаданих факторів (Rayan, Hunt, McMurtric, 1998).

Вітчизняна наука була більше спрямована на виробничу інвентаризацію лісів для інформаційного забезпечення лісогосподарського та лісопромислового виробництва і розробила достатньо точні методи та прийоми біометричної і типологічної оцінки насаджень. Фізіологічна складова процесів росту насаджень досліджувалась менше. В результаті на сучасному етапі облік продуктивності лісів ґрунтується на методах біометричної оцінки дерев та лісовпорядних даних обліку лісів (С.В. Зонн, Н.Н. Васильева, 1954; П.І. Лакида, 1993; Е.Ф. Ведрова, 1996). Єдина система лісоінвентаризації, яка враховує кожний виділ лісу, є великою перевагою і дозволяє точно і повно проводити облік лісів (В.А. Усольцев, 1998). Ці особливості є основою для вивчення загальних запасів і динаміки фітомаси та депонованого вуглецю на теренах України (В.К. М'якушко, 1972; В.Е. Лесничий, 1980; С.М. Козьяков, 1984; П.І. Лакида, 1990; П.І. Лакида, 1996).

Розділ 2. Об'єкт дослідження. Для досліджень були обрані штучні насадження сосни у поліському регіоні України. Сосна звичайна тут є найбільш поширеною деревною породою, її насадження формують біля 67,6% лісів Полісся (С.А. Генсирук, 1992). Лісове господарство орієнтується на вирощування саме сосни. Інтенсивне ведення лісового господарства на Україні обумовило значну частку культур у складі лісового фонду. Так для соснових деревостанів, що зростають на Поліссі України ця частка сягає 62,1% за площею. Отже вибраний об'єкт є достатньо важливим для країни, її лісового господарства.

З метою найбільш повного та детального вивчення обсягів фітомаси та депонованого вуглецю в штучних соснових насадженнях Полісся використовувались лісовпорядні дані повидільної таксації, які були надані виробничим об'єднанням “Укрдержліспроект” для п'яти поліських адміністративних областей. Ці дані містять інформацію про основні таксаційні характеристики більш як 252 тис. виділів штучних деревостанів де головною деревною породою є сосна звичайна. Дані представлені станом на 01.01.1996 року. Згідно з наданою інформацією, загальна площа культур сосни в представленому регіоні на вказану дату становила 846,4 тис. га, їх запас – 162,5 млн. м3. Проведена статистична оцінка виявила високу варіацію таксаційних показників насаджень. Для адекватного аналізу цих даних необхідним є поділ сукупності насаджень на окремі категорії або класи.

В процесі проведення досліджень крім повидільної бази даних використовувались дослідні дані тимчасових пробних площ (ТПП). Одним з показників, що вимірювались на них, була маса крони: живих гілок та деревної зелені (П.І. Лакида, 1996). Проведений аналіз показав, що кількість ТПП для граничних класів бонітету та повнот недостатня. Але насадження з такими показниками повнот та бонітету складають невелику частку у соснових культурах Полісся, і недостатня їх представленість в дослідних даних не повинна спричиняти великих помилок у процесі оцінки запасів фітомаси та депонованого вуглецю.

Розділ 3. Моделювання динаміки таксаційних ознак модальних деревостанів. Для прогнозу динаміки насаджень за продуктивністю найбільше використовуються таблиці ходу росту (Ю.М. Савич, 1958; Ю.М. Савич, 1965; А.П. Тищук, 1956; Г.О. Порицкий, 1978; А.А. Строчинский и др., 1992). Модальні таблиці ходу росту представляють нормативні дані для оцінки найбільш поширених насаджень, тобто містять інформацію про стан реальних (дійсно існуючих на теперішній час) насаджень. Розрахунок таблиць ходу росту (ТХР) модальних штучних насаджень сосни був виконаний на основі повидільної бази даних ВО “Укрдержліспроект”.

Таблиці модальних насаджень відображують особливості росту ростучих насаджень, тому тренди ходу росту для модальних штучних деревостанів було вирішено запозичити із цільових програм лісовирощування оптимальних насаджень (А.А. Строчинський и др., 1992), складених для культур сосни Полісся, оскільки за представленою повнотою вони найбільше близькі до модальних. З метою уніфікації цих ТХР використовували градацію за шкалою бонітетної системи проф. М.М.Орлова, яка є загальною у виробничому користуванні на Україні. Крок і границі градації бонітетів у представлених модальних ТХР дорівнюють діапазону одного бонітету за класичною бонітетною шкалою М.М. Орлова у базовому віці 100 років. Приймаючи значення висот у базовому віці за 1, за допомогою перенесення значень відносних висот із цільових ТХР у модальні, встановили значення абсолютних висот для кожного бонітету модальних штучних сосняків у різному віці, та градацією наближеною до шкали М.М. Орлова. Для моделювання тренду за віком відносних висот у таблицях цільового вирощування використовувалось рівняння Мітчерліха:

де А – вік насадження, років;–

відносна висота насадження до його висоти у 100 років.

За допомогою регресійного аналізу залежностей середнього діаметру від висоти та віку були встановлені коефіцієнти рівняння, і воно набуло виду:

Для моделювання сум площ поперечних перерізів було випробувано багато типів рівнянь із різними залежностями та факторами. Найбільш оптимальним виявилась перша похідна рівняння Мітчерліха:

Методом регресійного аналізу для кожного бонітету окремо були знайдені значення коефіцієнтів рівняння для динаміки сум площ поперечних перерізів. З метою отримання загальної моделі ці коефіцієнти вирівнювались у залежності від значення середини класу бонітету у віці 100 років ():

Результати моделювання вказують на те, що для бонітетів, починаючи з першого, сума площ поперечних перерізів у старшому віці знижується (рис ).

Наступний таксаційний показник, динаміка якого встановлювалась для модальних таблиць ходу росту культур сосни Полісся України, був наявний запас (М). Загальна для всіх бонітетів модель має вид:

де G – сума площ поперечних переліків, м2/га.

Значення всіх інших таксаційних показників насадження в модальних ТХР встановлювались розрахунковим шляхом від змодельованих за допомогою стандартних таксаційних формул. Статистична оцінка побудованих моделей динаміки таксаційних ознак модальних деревостанів сосни підтвердила їхню адекватність емпіричним даним на рівні значущості 0,05. Згідно аналізу, моделі запасів ростучої частини деревостану можуть давати завищення незначні за абсолютними значеннями.

Для частини деревостану, що вибирається при проведенні рубок, пов'язаних з веденням лісового господарства, розрахунок таксаційних показників насадження, головним чином, базувався на моделях запозичених з таблиць ходу росту оптимальних деревостанів. Щоб отримати середню висоту частини деревостану, що вибирається, в першу чергу встановлювали редукційне число за висотою (RH):

Середній діаметр вирубуваної частини деревостану також розраховувався за допомогою редукційного числа (RD):

Для характеристики запасів частини, що вибирається, була розроблена інша модель. Вона має форму:

У якості змінних використовувались значення середніх висот та сум площ поперечних перетинів розраховані для відпаду (GB, HB).

Основні середні дані з таблиць ходу росту модальних культур сосни звичайної Полісся України наводяться в табл. 1.

Таблиця 1

Середні дані ТХР модальних культур сосни Полісся України

№ пп Бонітет Характеристики у віці 80 років

D, см повнота G, м2/га кількість стовбурів, шт/га М, м3/га сума вибраної частини, м3/га загальна продуктивність, м3/га

1 Id 43,0 0,62 36,5 251 667 648 1325

2 Ic 40,2 0,65 33,4 263 574 574 1147

3 Ib 37,2 0,66 30,8 283 458 504 989

4 Ia 34,1 0,69 28,6 314 409 434 834

5 I 30,9 0,68 27,0 359 346 366 712

6 II 27,4 0,68 25,7 453 288 294 582

7 III 24,4 0,79 24,6 527 243 228 471

8 IV 20,9 0,71 23,5 682 197 160 357

9 V 17,4 0,67 21,9 923 149 98 247

10 Va 13,7 0,73 18,3 1242 97 47 144

Порівняння таксаційних характеристик у віці стиглості в модальних ТХР із показниками ТХР оптимальних насаджень показали: середній діаметр модальних ТХР вище (+3,6... +8,4%) ніж в оптимальних; середня відносна повнота модальних ТХР менше за оптимальну (-16,0...-35,6%); кількість стовбурів на 1 га нижча для модальних насаджень (-35,2... -42,1%); запас ростучого деревостану на 1 га менший за оптимальний запас (-26,4... -28,7%); сума відпаду до віку 80 років в модальних деревостанах більша (+18,8... +43,4%); загальна продуктивність змінюється від -3,7% до -10,9%.

Проведений аналіз адекватності розроблених таблиць ходу росту модальних штучних насаджень сосни Полісся України показав, що середньоквадратична похибка оцінки таксаційних характеристик за допомогою розроблених модальних ТХР (вважаючи, що помилка при натурному визначенні вихідних параметрів відсутня) знаходиться в межах: для середньої висоти – 11,4%; для середнього діаметра – 20,0%; для запасу на 1 га – 21,7%; для площі поперечного перетину – 18,6% (ймовірність 68%).

Розділ 4. Обсяги фітомаси та депонованого вуглецю в деревостанах. Моделювання компонентів фітомаси проводилось на основі даних 84 тимчасових пробних площ, які репрезентують штучні соснові насадження Полісся України віком від 8 до 83 років, продуктивністю Ib-III класів бонітету, та відносною повнотою від 0,4 до 1,2. Пробні площі підібрані і закладені згідно з лісівничими та лісотаксаційними вимогами.

Результати моделювання компонентів фітомаси насаджень представлені в наступних рівняннях:

де Phs – запас фітомаси стовбурів у корі в абсолютно сухому стані, т/га;

Phc – запас фітомаси гілок у корі в абсолютно сухому стані, т/га;

Phr– запас фітомаси коренів в абсолютно сухому стані, т/га;

Phn– запас фітомаси хвої в абсолютно сухому стані, т/га;

Pht– запас загальної фітомаси насадження в абсолютно сухому стані, т/га;

Phb– запас фітомаси кори насадження в абсолютно сухому стані, т/га.

Основними аргументами у рівняннях використані таксаційні показники насаджень: А – вік, років; D – середній діаметр, см; H – середня висота, м; Р – відносна повнота; G – сума площ поперечних перерізів, м2.

Результати табл. 2 ілюструють наявність та ступінь систематичної помилки моделювання.

Оскільки в експериментальній сукупності пробних площ нормальний розподіл використовуваних показників відсутній, то буде присутня певна помилка. Для загальної фітомаси та гілок моделі дають помітне завищення результатів. Для фракції кори рівняння дає значні відхилення.

Таблиця 2

Середні відхилення значень компонентів фітомаси, одержаних за моделями

Фракція Оцінка запасів фітомаси за моделями (12–17)

відхилення від фактичного, % необхідна поправка до змодельованих даних, %

Стовбур у корі +0,4 -0,4

Гілки у корі +3,8 -3,7

Хвоя 0,0 0,0

Загальна фітомаса насадження +2,1 -1,9

В т.ч. кора +51,5 -34,0

За допомогою розроблених моделей можна встановити вікову динаміку запасів фітомаси насаджень. Приклад цього для I бонітету (як найбільш розповсюдженого) наведено у табл. 3.

Таблиця 3

Динаміка фракцій фітомаси штучних деревостанів сосни (Бонітет І, Р=0,7)

Вік Маса фракції, т·га-1 (%)

за моделями (12–15) загальна насадження, модель (16)

хвоя гілки у корі стовбур у корі коріння У

10 3,3(15) 4,8(22) 9,6(43) 4,4(20) 22,1(100) 27,5

20 6,0(10) 8,6(14) 37,3(61) 9,3(15) 61,2(100) 68,3

30 7,0(7) 10,8(11) 70,3(69) 13,5(13) 101,6(100) 106,5

40 6,9(5) 12,3(9) 101,6(74) 16,7(12) 137,5(100) 138,4

50 6,2(4) 13,5(8) 129,4(77) 19,3(11) 168,4(100) 164,4

60 5,2(3) 14,3(7) 152,9(79) 21,3(11) 193,7(100) 185,3

70 4,3(2) 14,7(7) 172,4(80) 22,8(11) 214,2(100) 201,9

80 3,4(1) 15,0(6) 189,3(82) 24,1(10) 231,8(100) 215,9

Динаміка фракції фітомаси хвої вказує на наявність максимуму цієї ознаки із віком. Окремі порівняння показали, що він співпадає із максимумом поточного приросту за запасом насадження.

Окремо проводились дослідження вікової структури хвої насадження та її вологості. Пробні площі закладались у насадженнях І – Іа бонітету таким чином, щоб представити один віковий ряд деревостанів (від 15 до 72 років). Розподіл маси хвої різного віку в залежності від віку насадження подано у табл. 4.

Аналізуючи дані табл. 4, можна зробити висновок, що в культурах сосни будь-якого віку найбільшу частку складає хвоя першого року життя (67-45%), частка хвої другого року менша – 42-28%, третього ще менша – 16-4%. Хвоя четвертого року з'являється лише в насадженнях старшого віку (в наших дослідженнях у 72 роки). Чітко просліджується тенденція зменшення відсотка хвої 1-го року зі збільшенням віку насадження, тоді як для хвої 3-го року цей процес має зворотній характер.

Таблиця 4

Фітомаса хвої на ТПП в свіжезрубаному стані

№ ТПП Вік ТПП, років Маса хвої (свіжезрубаний стан)

1 року 2 року 3 року 4 року Всього, т·га-1

т·га-1 % т·га-1 % т·га-1 % т·га-1 %

1 15 5,7 53,1 4,5 42,4 0,5 4,5 0 0 10,7

2 28 11,7 67,6 4,9 28,4 0,7 3,9 0 0 17,3

3 42 7,6 47,2 6 37,1 5,2 15,6 0 0 16,1

4 53 8 48,7 5,9 36,1 2,5 15,2 0 0 16,4

5 72 6,8 45,5 5,8 38,7 2,2 14,5 0,2 1,4 14,9

Результати лабораторних досліджень зразків хвої на вологість та вміст абсолютно сухої речовини наведено в табл. 5.

Таблиця 5

Вологість та вміст абсолютно сухої речовини в хвої дерев сосни

№ ТПП Вологість хвої, % / Вміст абсолютно сухої речовини, %

1 року 2 року 3 року 4 року середні

1 - - - - 64,2/33,8

2 - - - - 61,9/38,1

3 72,4/27,6 66,1/33,9 63,7/36,3 - 68,9/31,1

4 70,8/29,2 66,4/33,6 66,3/33,7 - 68,8/31,2

5 70,4/29,6 66,9/33,1 63,0/37,0 66,5/33,5 67,9/32,1

Динаміка вологості та вмісту абсолютно сухої речовини в хвої дерев сосни (табл. 5) характеризується наступним:

1) із збільшенням віку хвої спостерігається зменшення її вологості;

2) в межах дослідного матеріалу не виявлено стійкої залежності між віком насадження та вмістом вологи в хвої кожного року;

3) не виявлено також стійкої залежності між віком насадження та середньою вологістю хвої деревостану.

Розрахунок загальних обсягів фітомаси у лісовому фонді штучних насаджень сосни українського Полісся виконувався на основі лісовпорядних даних “Укрдержліспроекту” та розрахованих моделей оцінки фітомаси (12–17). Обрахунки велись для кожної області, щоб дати можливість оцінити географічні особливості розподілу фітомаси в лісах Полісся. Результати представлені в наступній табл. 6.

Таблиця 6

Загальні обсяги фітомаси в культурах сосни Полісся

Область Загальні обсяги фітомаси за фракціями, тис.т

стовбур у корі гілки у корі коріння хвоя ПНР* загальна насадження в т.ч. кора

Волинська 9114 1530 1738 811 147 13340 1356

Житомирська 16948 2476 3065 1196 300 23985 2344

Київська 15426 2220 2686 981 290 21603 2034

Рівненська 12740 1842 2094 1077 144 17897 1663

Чернігівська 16402 2339 2767 935 345 22788 2070

Сума 70630 10407 12350 5000 1226 99613 9467

*ПНР – піднаметова рослинність

Згідно табл. 6 загальний запас фітомаси в культурах сосни, які зростають у Поліссі України складає понад 99,6 млн.т. Частка фітомаси стовбура від загальної складає 72,6%, гілок – 9,8%, коріння – 11,7%, хвої – 4,7%, а живе надґрунтове покриття разом із підліском – 1,2%. Найбільші обсяги фітомаси містяться у лісах Житомирської (24,1%) та Чернігівської (22,3%) областей, менше всього – на Волині (13,4%).

Методика розрахунків загальних обсягів вуглецю, що міститься в живих тканинах деревних і недеревних рослин лісу, достатньо нескладна. В світовій практиці використовуються коефіцієнти для переводу компонентів фітомаси у вуглець. Вони дорівнюють 0,5 для здерев'янілих частин дерев та кори та 0,45 для хвої та рослинності під пологом (Matthews, 1993; Углерод в экосистемах..., 1994; П.І. Лакида, 1996; А.С. Исаев, Г.Н. Коровин, 1999).

Загальні запаси вуглецю в цих насадженнях наводяться в табл. 7.

Таблиця 7

Загальні обсяги вуглецю в культурах сосни Полісся

Область Загальні обсяги вуглецю за фракціями, тис.т

стовбур у корі гілки у корі коріння хвоя ПНР загальна насадження в т.ч. кора

Волинська 4557 765 869 365 66 6622 678

Житомирська 8474 1238 1533 538 135 11918 1172

Київська 7713 1110 1343 441 131 10738 1017

Рівненська 6370 921 1047 485 65 8888 832

Чернігівська 8201 1170 1384 421 155 11331 1035

Сума 35315 5204 6176 2250 552 49497 4734

Виявилось, що продуктивність лісів за копонентами фітомаси може суттєво різнитися: наприклад середній запас загальної фітоамси насаджень для Житомирської області становить 121,5 т·га-1, т. для сусідньої Рівненської – 97,0 т·га-1.

Окремий аналіз показав, що причина полягає у віковій структурі лісових фондів культур сосни областей (рис. 2). Для Житомирської і Рівненської областей середній вік таких деревостанів становить 39 та 30 років відповідно.

ВИСНОВКИ

За результатами дисертаційних досліджень, проведених в даній роботі, випливають наступні висновки.

1. На сучасному етапі вивчення запасів вуглецю в природних екосистемах у світі існує два підходи. Перший – вивчення потоків вуглецю на основі фізіологічних процесів та їх закономірностей в рослині. Другий – дослідження обсягів фітомаси в біоценозі.

2. Об'єктом досліджень були вибрані штучні соснові деревостани Полісся України тому, що Полісся – це найбільший лісовий регіон України (38% від площі всіх лісів України), а найбільш розповсюдженою деревною породою є сосна звичайна (59,4% від всіх лісів Полісся України), частка культур в яких становить біля 50%.

3. Для дослідження продуктивності соснових культур Полісся за компонентами фітомаси та запасами вуглецю була використана база даних лісів України з описом таксаційних параметрів 252 тис. насаджень. На основі вищевказаної бази даних були розроблені моделі динаміки таксаційних показників (в т.ч. і продуктивності) для модальних насаджень сосни Полісся, які виявили достатньо високі статистичні показники адекватності та точності.

4. Вікова динаміка площ поперечних перетинів на 1 га для модальних насаджень сосни Полісся показала, що в старших класах віку насаджень, починаючи з Х–ХІ, цей показник може зменшуватись.

5. Порівняння таблиць ходу росту модальних насаджень із оптимальними показало, що запаси ростучої частини таких деревостанів значно менше за оптимальні. Сума вибраної частини в модальних насадженнях навпаки більша. Загальна продуктивність модальних культур сосни приблизно рівна, або менша від оптимальних.

6. Порівняння різних типів регресійних моделей оцінки продуктивності насаджень за компонентами фітомаси не дало однозначної відповіді, який з них є найкращим. Існують певні переваги у кожного з типів – як у моделях конверсійних коефіцієнтів, так і у моделях прямої регресійної оцінки фітомаси.

7. В процесі порівняння динаміки фітомаси абсолютно сухої хвої виявилося, що максимум цього компоненту у насадженні спостерігається в тому ж віці на якій припадає максимум поточного приросту насадження.

8. Частка маси хвої різного віку в деревостані залежить від віку самого насадження. Чим старіший деревостан – тим менше в ньому частка хвої першого року життя і більше частка хвої третього та четвертого. Частка хвої другого року майже не змінюється. Вологість хвої має залежність від віку хвої.

9. На основі використання бази даних повидільної таксаційної характеристики лісів України було встановлено, що в п'яти областях Поліського регіону загальна площа штучних соснових лісів на 01.01.1996 становила 846438 га, загальний запас стовбурної деревини – 162461 тис. м3.

10. Використовуючи згадану вище базу даних було встановлено, що загальний запас фітомаси штучних соснових деревостанів в п'яти областях Поліського регіону становив 99 млн.т, а депонованого вуглецю – 50 млн.т.

11. На основі математичних моделей фракцій фітомаси та модальних таблиць, розроблені нормативні таблиці оцінки динаміки фітомаси та депонованого в ній вуглецю.

Для практичного використання рекомендуються:

1. Таблиці ходу росту штучних модальних насаджень сосни звичайної Полісся України.

2. Таблиці динаміки штучних модальних насаджень сосни звичайної Полісся України за фітомасою та депонованим вуглецем.

3. Нормативи обсягів фітомаси та депонованого в ній вуглецю в штучних сосняках Полісся у цілому та за адміністративними областями.

4. Загальні обсяги депонованого вуглецю в штучних соснових деревостанах Полісся України (в рамках Лісового проекту Міжнародного інституту прикладного системного аналізу).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

1. Петренко М.М. Фітомаса дерев сосни в штучних насадженнях Полісся України // Науковий вісник НАУ. – 2000. – Вип. 24. – С. 224-229.

2. Петренко М.М., Лакида П.І. Дослідження динаміки фітомаси соснових культур українського Полісся // Науковий вісник НАУ. – 2000. – Вип. 25. – С. 339-345. (Особистий внесок здобувача: накопичений матеріал, уточнені моделі фітомаси та проведена їх статистична оцінка – 80% роботи).

3. Лакида П.І., Петренко М.М. Моделювання динаміки таксаційних показників штучних деревостанів сосни Полісся України // Науковий вісник НАУ. – 2001. – Вип. 34. – С. 260-263. (Особистий внесок здобувача: оброблена база даних, проведено моделювання основних таксаційних показників, проведено аналіз результатів моделювання – 80% роботи).

4. Петренко М.М. Запасы углерода в искусственных насаждениях сосны Полесья Украины // Сборник научных трудов Ин-та леса НАН Беларуси. – 2001. – Вып. 53. – С. 179-181.

5. Лакида П.І., Колосок О.М., Кушнір О.Й., Петренко М.М. Екологічний потенціал хвойних у бореальних лісах України // Тези міжнародної науково-практичної конференції “Лісоосвіта – ХХІ”, Львів, 14 – 16 квітня 1999 р. – Львів, 1999. – С. 78 – 79. (Особистий внесок здобувача: проведено аналіз потенціалу для соснових бореальних лісів рівнинної України – 15% роботи).

6. Lakyda P., Kolosok O., Petrenko M. The role of coniferous forests in the carbon budget of the Ukraine // Matherial of conference “The Role of Boreal Forests and Forestry in the Global Carbon Budget”, Edmonton, May 8 – 12, 2000. – Edmonton, 2000. – P. 113. (Особистий внесок здобувача: пораховані значення вуглецевого бюджету соснових культур Поліського регіону в період за 1988 – 1996 років – 40% роботи).

7. Лакида П.И., Петренко М.М. Модальные таблицы хода роста культур сосны Полесья Украины / Материалы международной научно-практической конференции “Леса Беларуси и их рациональное использование” 29 – 30 листопада 2000 р. – Минск: БГТУ. – 1988. – С. 9 – 11. (Особистий внесок здобувача: розробка та аналіз таблиць ходу росту штучних насаджень сосни Полісся України – 70% роботи).

Петренко М.М. Динаміка фітомаси та депонованого вуглецю в штучних насадженнях сосни Полісся України. Дисертацією є рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук.

Національний аграрний університет. Київ – 2002.

Мета дисертаційної роботи полягає в створенні нормативів та оцінці загальних запасів фітомаси та депонованого вуглецю в штучних насадженнях сосни українського Полісся. Для цього використана повидільна база даних ВО “Укрдержліспроект”, яка містить основні таксаційні характеристики на кожен лісовий виділ; на її основі розроблені таблиці ходу росту модальних культур сосни. Використовуючи ці таблиці як основу, створені таблиці динаміки фітомаси та депонованого вуглецю в модальних штучних насадженнях сосни вказаного регіону досліджень.

На основі окремих дослідних даних тимчасових пробних площ уточнені математичні моделі для оцінки запасів фітомаси в окремому насадженні культур сосни. Ці моделі характеризують різні фракції деревного ярусу та підпологової рослинності. Використовуючи базу даних, надану ВО “Укрдержліспроект”, були проведені підрахунки загальних запасів фітомаси та вуглецю в розрізі фракцій для всього фонду штучних соснових насаджень Полісся України. Загальні запаси фітомаси та депонованого вуглецю подані за адміністративними областями Поліського регіону з метою можливості просторового аналізу цих показників.

Ключові слова: сосна, штучні насадження, фітомаса, депонований вуглець, таблиці ходу росту модальних насаджень.

Петренко М.М. Динамика фитомассы та депонированого углерода в искусственных насаждениях сосны Полесья Украины. Диссертация есть рукописью. Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук.

Национальный аграрный университет. Киев – 2002.

Цель диссертационной работы состоит в создании нормативов и оценке общих запасов фитомассы и депонированого углерода в искусственных насаждениях сосны украинского Полесья. Для этого использована повыдельная база данных ПО “Укрдержліспроект”, на основе которой разработаны таблицы хода роста модальных культур сосны, динамики их фитомассы и депонированого углерода. Кроме того, используя эту базу данных, были проведены расчет общих запасов фитомассы и углерода в искусственных сосновых насаждениях Полесья.

В работе проведен детальный статистический анализ полученных моделей. Дополнительно оценки, которые показывают разработанные модели, проверялись на точность прогноза на основе данных 5 временных пробных площадей. Результаты показали достаточно высокую точность прогнозирования, особенно для фракции ствола. Различные подходы в прогнозировании имеют свои преимущества и недостатки. Наиболее подходящим признан метод при котором модели выполняют прямой прогноз фитомассы в весовых единицах, но точность для различных фракций разная.

На основе отдельных исследовательских данных временных пробных площадей уточнены математические модели для оценки запасов фитомассы в отдельном насаждении культур сосны. Эти модели характеризуют различные фракции древесного яруса та подпологовой растительности. Используя повыдельную базу данных, были проведены расчеты общих запасов фитомассы и депонированного углерода в разрезе фракций для всего фонда искусственных сосновых насаждений Полесья Украины. Общие запасы фитомассы и депонированного углерода представлены по административным областям полесского региона с целью возможности проведения пространственного анализа этих показателей.

Дополнительный анализ показал, что показатели общих запасов фитомассы по областям в большой степени зависит от возрастной структуры лесного фонда. Чем больше средний возраст, тем больше показатель среднего запаса фитомассы на одном гектаре.

Ключевые слова: сосна, искусственные насаждения, фитомасса, депонированный углерод, таблицы хода роста модальных насаждений.

Petrenko M.M. Dynamic of phytomass and deposited carbon in artificial Pine stands in Polissa of Ukraine. Dissertation is manuscript. Dissertation for Ph.D. science degree competition.

National agrarian university. Kiyv – 2002.

The aim of the Ph.D. work is to develop rates and to assume total capacities of phytomass and deposited carbon in artificial Pine stands in Ukrainian Polessye. The forest database of forest account has been used. On the basis of this database, the yield tables of modal artificial Pine stands and their phytomass and deposited carbon have been developed. Beside these, using forest database the account of total capacities