НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Національний аграрний університет
В а с и л и ш и н
Роман Дмитрович
УДК 630*53:582.475.2 (477.8)
Продуктивність та надземна фітомаса
лісостанів ялиці білої в українських карпатах
06.03.02 – лісовпорядкування та лісова таксація
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата сільськогосподарських наук
Київ – 2007
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України
Науковий керівник – доктор сільськогосподарських наук, професор
Лакида Петро Іванович,
Національний аграрний університет,
директор ННІ лісового і садово-паркового
господарства
Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор
Юхновський Василь Юрійович,
Національний аграрний університет,
директор НДІ лісівництва та декоративного
садівництва
кандидат сільськогосподарських наук,
старший науковий співробітник
Гриник Георгій Георгійович,
Національний лісотехнічний університет,
доцент кафедри лісової таксації і лісовпорядкування
Захист відбудеться „3” жовтня 2007 року о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.09 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, ауд.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НАУ за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28
Автореферат розісланий „29” серпня 2007 року
Вчений секретар
cпеціалізованої вченої ради А.Г. Лащенко
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Сучасний стан та структура карпатських лісів, масштаби антропогенних змін, особливості використання деревних ресурсів, екологічний та економічний стан регіону свідчать про необхідність застосування нових методів у веденні лісового господарства. Зважаючи на це, в 2003 році Україна підписала “Рамкову конвенцію про охорону та сталий розвиток Карпат”, за якою було задекларовано перехід на принципи екологічно збалансованого управління лісами та оптимізації лісокористування на засадах сталого ведення лісового господарства. Однак здійснення такого переходу без відповідного наукового супроводу практично неможливе, оскільки лісові біогеоценози характеризуються наявністю складних біохімічних взаємозв’язків, вплив на які без відповідного наукового обґрунтування, може викликати незворотні деструктивні процеси в лісових екосистемах.
Карпати являють собою один із найбільш лісистих регіонів України, який в першу чергу забезпечує виконання екологічних функцій, головною з яких є довгострокова здатність акумулювати вуглець біомасою деревних рослин та продукувати кисень. Крім цього, ліси регіону характеризуються значним ресурсним потенціалом, оптимізація використання якого становить актуальну проблему сучасності. Тому для вирішення ресурсознавчих, енергетичних та екологічних проблем лісів західного регіону, та й України в цілому, потрібне розроблення комплексу нормативно-інформаційного забезпечення для кількісної та якісної оцінки їх біологічної продуктивності за компонентами фітомаси. Математичні моделі та нормативи оцінки компонентів надземної фітомаси для деревостанів бука лісового та ялини звичайної розроблені П.І.Лакидою. Для ялицевих деревостанів, які являються одними з найперспективніших в Карпатському регіоні, такі нормативи відсутні.
Дисертаційна робота присвячена вивченню біологічної продуктивності за компонентами надземної фітомаси деревостанів ялиці білої (Abies alba Mill.). Розроблення відповідного нормативно-інформаційного забезпечення для комплексної оцінки компонентів надземної фітомаси вищезазначених деревостанів залишається актуальною лісотаксаційною проблемою, вирішення якої сприятиме екологічно збалансованому управлінню лісами регіону.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана дисертаційна робота безпосередньо пов’язана з науковими дослідженнями, що здійснювалися кафедрою лісового менеджменту Національного аграрного університету в межах двох держбюджетних тем: “Розробити наукові основи еколого-економічної оцінки лісів та управління ними на засадах сталого розвитку” (номер державної реєстрації 0101U001710) та “Розробити методичне та нормативно-інформаційне забезпечення для оцінки вуглецедепонуючих функцій лісових насаджень, створених на землях, що вийшли із сільськогосподарського використання” (номер державної реєстрації 0106U004256).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційних досліджень є створення комплексу нормативно-інформаційного забезпечення, призначеного для оцінки якісних і кількісних параметрів компонентів надземної фітомаси, депонованого в ній вуглецю та акумульованої енергії, під час таксації дерев і природних деревостанів ялиці білої в насадженнях Українських Карпат. Для досягнення поставленої мети було сформульовано наступні завдання:
- встановити загальну лісівничо-таксаційну характеристику деревостанів ялиці білої та їх роль в структурі біологічної продуктивності лісових фітоценозів регіону;
- провести оцінку якісних параметрів основних компонентів надземної фітомаси дерев;
- виявити закономірності формування компонентів надземної фітомаси дерев та деревостанів ялиці білої;
- обґрунтувати параметри математичних моделей для окремих фракцій надземної фітомаси: стовбурової деревини, кори, стовбура у корі, хвої та гілок крони;
- розробити таблиці оцінки компонентів надземної фітомаси дерев і деревостанів ялиці білої, депонованого в ній вуглецю та загального вмісту акумульованої енергії.
Об’єкт дослідження – процеси росту та нагромадження живої органічної речовини в природних деревостанах Українських Карпат.
Предмет дослідження – продуктивність ялицевих деревостанів Карпат за компонентами надземної фітомаси.
Методи дослідження. В основі теоретичних досліджень даної роботи знаходяться як загальнонаукові методи (аналіз, синтез, спостереження, експеримент та моделювання), так і конкретні (спеціальні) методи пізнання, що розроблені для лісової таксації, лісівництва, фізіології рослин та інших лісівничих дисциплін. Для вирішення деяких спеціальних таксаційних задач (виявлення наявності зв’язку, форми та ступеня тісноти зв’язків між таксаційними показниками, моделювання зв’язків між цими величинами, оцінка придатності та адекватності розроблених моделей) у процесі досліджень було використано окремі методи біометрії та математичної статистики (графоаналітичний, кореляційний і регресійний аналізи, тощо).
Інформаційною базою дослідження є дослідні дані оцінки таксаційних показників та компонентів надземної фітомаси на тимчасових пробних площах у межах регіону дослідження, а також літературні джерела, дані з яких використовувалися для порівняння одержаних результатів.
Наукова новизна одержаних результатів. Основні положення дисертаційних досліджень, які визначають новизну наукових результатів, полягають у наступному:
- вперше встановлено показники локальної і середньої базисної й природної щільності деревини та кори стовбурів і гілок крони дерев ялиці білої та одержані математичні моделі для їхньої оцінки у статиці й динаміці;
- встановлено кількісну оцінку якісних ознак фотосинтезуючої фракції, таких як частка хвої у деревній зелені дерев і вміст абсолютно сухої речовини у свіжій хвої;
- вперше розроблено систему моделей та комплекс таблиць для оцінки компонентів надземної фітомаси дерев та деревостанів ялиці білої в умовах Українських Карпат;
- удосконалено методичні підходи до вивчення біологічної продуктивності лісів, які на відміну від наявних дозволяють здійснювати оцінку енергетичних запасів дерев та деревостанів;
- вперше розроблено таблиці оцінки вмісту депонованого в надземній фітомасі вуглецю та акумульованої енергії для насаджень ялиці білої і проведено оцінку їх енергетичних запасів.
Практичне значення одержаних результатів. Для вирішення низки екологічних, енергетичних, ресурсознавчих та виробничих галузевих питань, що потребують вирішення як в Карпатах, так і в Україні у цілому, для практичного використання рекомендовані:
- математичні моделі та комплекс довідкових таблиць оцінки параметрів базисної й природної щільності деревини та кори стовбурів і гілок крони дерев, а також показники якісної оцінки фотосинтезуючої фракції дерев;
- математичні моделі та таблиці оцінки компонентів надземної фітомаси дерев у свіжозрубаному та абсолютно сухому станах;
- математичні моделі та таблиці оцінки компонентів надземної фітомаси деревостанів ялиці білої (абсолютно сухий стан) у статиці;
- таблиці оцінки маси деревної зелені насаджень ялиці білої у свіжозрубаному стані;
- таблиці вмісту вуглецю в надземній фітомасі деревостанів ялиці білої;
- таблиці вмісту нагромадженої в надземній фітомасі енергії.
Частина вказаних розробок була реалізована в дослідженнях та експертних оцінках вуглецевого балансу лісів України, які проводилися Проектом лісових ресурсів Міжнародного інституту прикладного системного аналізу (IIASA) (Лаксенбург, Австрія), що підтверджено відповідними документами.
Особистий внесок здобувача. Основна частина сформульованих у дисертації наукових положень, висновків і пропозицій, а також розроблені математичні моделі та довідкові таблиці належить особисто автору і є його науковим доробком.
Дисертація є завершеною науковою працею. Понад 90% дослідного польового матеріалу зібрано та проведено його лабораторну і камеральну обробку особисто автором протягом 2004-2006 років. Із бази даних кафедри лісової таксації та лісовпорядкування НАУ були використані три тимчасові пробні площі, які закладалися під керівництвом Л.М.Березівського. При первинній обробці дослідних даних на ПК автор застосовував пакет прикладних програм, розроблених доцентом Я.А.Юдицьким та професорами А.З.Швиденком і П.І.Лакидою.
Збір частини польового дослідного матеріалу, а також його камеральна обробка проводилися разом із здобувачем О.М.Василишин, в результаті чого були одержані наукові результати, що відображені в спільних публікаціях.
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, висновки й практичні рекомендації дисертаційної роботи періодично доповідалися на науково-практичних конференціях Навчально-наукового інституту лісового і садово-паркового господарства Національного аграрного університету (2005-2007 рр.), на внутрішньодержавних конференціях: “Наукові основи підвищення продуктивності та біологічної стійкості лісових та урбанізованих екосистем” (Львів, 2005 р.), а також на міжнародних наукових конференціях: “Сучасні проблеми сталого розвитку лісового комплексу України: освіта, наука, виробництво” (Київ, 2005 р.); “Проблемы лесоведения и лесоводства (Институту леса НАН Беларуси – 75 лет)” (Гомель, 2005 г.); “Устойчивое развитие лесов и рациональное использование лесных ресурсов” (Минск, 2005 г.); “Final workshop of Young Scientists Summer Program” (IIASA, Austria, 2006); “Лісівництво України в контексті світових тенденцій розвитку лісового господарства” (Львів, 2006 р.).
Публікації. За темою дисертаційних досліджень опубліковано 10 наукових праць, з яких 5 статей у наукових фахових виданнях та 5 тез доповідей у збірниках матеріалів конференцій.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, пропозицій виробництву, списку використаних джерел (291 найменування, у тому числі 38 іноземною мовою) та 15 додатків на 50 сторінках. Робота викладена на 232 сторінках комп’ютерного тексту, містить 60 таблиць та ілюстрована 26 рисунками.
Основний зміст РОБОТИ
Розділ 1. Характеристика об’єкта досліджень. Викладено обґрунтування об’єкта досліджень, фізико-географічні умови регіону досліджень, а також лісівничо-таксаційну характеристику природних деревостанів ялиці білої в Українських Карпатах.
Однією з найбільш цінних аборигенних порід України, зокрема її Карпатського регіону, є ялиця біла. За даними державного обліку лісів України станом на 1.01.2002 р. під деревостанами з домінуванням ялиці білої, що перебувають у відомстві Держкомлісгоспу України, на території Українських Карпат знаходиться площа майже у 100 тис. га. Найбільше ялицевих деревостанів зростає у Львівській області (38,1% за площею), дещо менше у Чернівецькій (28,0%), Івано-Франківській (24,8%) та Закарпатській (9,1%) областях.
Ялиця біла, або як її часто називають європейська, являє собою досить важливий об’єкт ведення лісового господарства в Карпатському регіоні як в еколого-лісівничому, так і ресурсному значенні.
Нині площа ялицевих типів лісу в Карпатському регіоні становить 267,2 тис. га (Герушинський З.Ю., 1995; Тереля І.П., 2004). При цьому ялиця біла в Українських Карпатах лісоутворювальною породою виступає лише в сугрудах (С) та грудах (D). В інших типах лісорослинних умов вона трапляється лише як домішка. З десяти типів ялицевих лісів найпоширеніші і господарсько цінні вологі смереково-букові суяличини і яличини, на які припадає близько 80% площі ялицевої групи типів лісу (Герушинський З.Ю., 1996).
Середній запас ялицевих деревостанів на 1 га вкритих лісовою рослинністю лісових ділянок перевищує відповідний показник ялинових деревостанів на 14 та на 23% середній запас деревостанів основних лісоутворювальних порід Карпатського регіону в цілому і становить 318 м3·га-1. При цьому вікова структура яличників характеризується переважанням молодняків, середньовікових та стиглих насаджень. Ялицеві деревостани відзначаються відносно низькою повнотою (0,66 проти 0,71 у середньому для лісів Карпат), а середній клас бонітету карпатських яличників знаходиться на рівні І,2. Висока продуктивність, надзвичайна екологічна та економічна цінність деревостанів ялиці білої відображають вагому її роль у стабілізації загального екологічного стану регіону.
Розділ 2. Сучасний стан досліджень біологічної продуктивності лісів. Наведено основні визначення складників біологічної продуктивності лісів, висвітлено основні напрями її дослідження та застосування системного підходу і математичного моделювання у вивченні лісових об’єктів, зокрема для досліджень продуктивності лісів за компонентами фітомаси.
Біологічна продуктивність лісових біоценозів була предметом вивчення багатьох вітчизняних та зарубіжних вчених: Л.Е.Родина, Н.П.Ремезова, Н.И.Базилевич (1968), Л.К.Позднякова, В.В.Протопопова, В.М.Горбатенка (1969), Л.І.Половнікова (1970), H.A.I.Madgwick (1970), В.К.Мякушко (1972, 1978), J.Parde (1980), С.Н.Козьякова (1984), А.И.Уткина (1982, 1995), П.І.Лакиди (1997), В.А.Усольцева (1985, 1988, 2003), А.З.Швиденка (2000, 2004) та інших.
Дослідження біологічної продуктивності лісів можна звести до двох історично зумовлених напрямів: біогеоценологічного (екологічного) та ресурсознавчого. В Україні наукові дослідження за першим напрямом проводили такі вчені, як В.К.Мякушко (1972), Я.П.Одинак, Д.В.Борсук (1977), А.П.Андрущенко (1978), Я.П.Одинак (1983) та інші. Ресурсознавчий напрям характерний для наукових робіт Л.А.Козирацького (1975), С.М.Козьякова (1984), В.С.Бондаря, Д.А.Телішевського (1985) та ін.
Із часом більш поглиблені дослідження біопродуктивності лісових біоценозів, які стали край необхідні для вирішення ряду екологічних, економічних та фундаментальних наукових проблем, зумовили значно детальнішу диференціацію напрямів досліджень.
У роботах Л.К.Эрнста (1977), Л.Д.Новикова, Г.С.Чайковского (1984) та З.М.Науменка (1990) фітомаса розглядається як первинна ланка трофічних ланцюгів і слугує за основу для контролю та регулювання чисельності популяцій лісової фауни. Біометрична оцінка нелісових зелених насаджень у межах населених пунктів є основою моніторингу таких об’єктів та актуальним напрямом біологічних досліджень для великих міст України (Грищенко А.В., 1985; Яновский Л.Н., 1976, 1985 та інші). Ведуться також дослідження компонентів фітомаси в енергетичному спрямуванні, де фітомаса розглядається як нетрадиційне джерело поновлювальної енергії (Козирацький Л.А., 1975; Бондар В.С., Телішевський Д.А., 1985; Усольцев В.А., 1997; Hakkila P., 1989; Shvidenko А., 2004). Зазначені напрями досліджень біологічної продуктивності лісів залишаються досить актуальними для України.
Сучасний розвиток наукового пізнання характеризується більш глибоким проникненням науки в різні сфери живої та неживої природи і широким використанням основних принципів системного підходу під час проведення найрізноманітніших наукових досліджень. Над вивченням закономірностей росту і розвитку лісових ценозів з використанням сучасних методів пізнання, які ґрунтуються на застосуванні математичних методів, електронно-обчислювальної техніки та відповідного програмного забезпечення працювали К.К.Буш, И.К.Иевинь (1975), И.В.Карманова (1976), К.Е.Никитин (1978), К.Е.Никитин, А.З.Швиденко (1978), Г.С.Розенберг (1981, 1984), О.А.Атрощенко (1984, 1986), И.Я.Лиепа (1980), В.А.Усольцев (1985, 1993), В.В.Загреев, А.З.Швиденко (1988) та ін. Однак системний підхід не вирішує основної проблеми досліджень безпосередньо, а лише базуючись на теоретичних та методичних положеннях конкретних наук (лісівництва, лісової таксації, біометрії тощо), спрямовує дослідження в найраціональнішому напрямі досягнення кінцевої мети.
В Україні нагромаджено значний досвід вивчення продуктивності лісових насаджень за компонентами фітомаси. Проте існує значна кількість цінних, як з екологічної, так і з господарської точки зору, деревних порід, дослідження структури основних компонентів фітомаси яких, або зовсім відсутні, або мають фрагментарний характер і не можуть бути використані для оцінки їхньої біопродуктивності.
Розділ 3. Методика досліджень та характеристика дослідних даних. Наведено методику збору і обробки дослідних даних та загальну характеристику експериментального матеріалу.
Дослідження продуктивності деревостанів ялиці білої за компонентами надземної фітомаси проводили на тимчасових пробних площах (ТПП), які закладалися за загальноприйнятою лісотаксаційною методикою (Никитин К.Е., 1966; Швиденко А.З., 1981). Збір, лабораторна та камеральна обробка польового дослідного матеріалу здійснювалася на основі спеціальної методики (Лакида П.І. 1997, 2002).
Результати польових і лабораторних досліджень оброблялися на ПК з використанням табличного процесора Excel та пакета спеціальних статистичних програм SPSS і STATISTICA. Таксаційну характеристику досліджуваних насаджень одержано за спеціальною програмою ПЕРТА (Швиденко А.З., Юдицький Я.А., 1984). Біометрична обробка дослідних даних виконувалася за прикладними програмами ZRIZ, ZRIZ-K, PLOT, KRON, FITO, RATIO, розробленими проф. П.І.Лакидою (1997, 2002).
Усього закладено 40 тимчасових пробних площ з рубкою, обміром дерев та пофракційною оцінкою компонентів надземної фітомаси 200 модельних дерев. Усі тимчасові пробні площі підбиралися та закладалися у відповідності з лісівничими та таксаційними вимогами, в переважаючих типах лісорослинних умов. Віковий діапазон ялицевих насаджень, де закладалися ТПП, коливається в межах від 6 до 95 років. Досліджувані ялицеві деревостани характеризуються Іа, І, ІІ та ІІІ класами бонітетів та досить широким діапазоном відносної повноти – від 0,44 до 1,11.
З метою дослідження показників щільності деревини і кори стовбурів було відібрано 243 дослідні зрізи. Для дослідження щільності деревини та кори гілок на модельних деревах було зроблено 99 зрізів живих гілок різної довжини і товщини. Також з метою оцінки параметрів маси та вмісту абсолютно сухої речовини в фотосинтезуючій фракції крони дерев ялиці для аналізу відібрані 371 модельна гілка та 123 наважки свіжої хвої.
Проаналізовано статистики вихідних даних у натуральних і логарифмічних величинах за методиками, викладеними у наукових працях К.Е.Никитина, А.З.Швиденка (1978), С.М.Кашпора, А.А.Строчинського, Л.М.Березівського (2002) та М.П.Горошка, С.І.Миклуша, П.Г.Хомюка (2004). Виявлено, що жодний з рядів розподілу досліджувальних параметрів повністю не задовольняє умови закону нормального розподілу (А=0; Е=0). Проте за окремими показниками дана сукупність значень характеризується нормальним розподілом, оскільки фактичні значення показників косості (А) та крутості (Е) не перевищують їх критичні значення. Оцінено значущість різниці між масою деревної зелені та масою гілок дерев, що ростуть у вологих суборах та грудах за допомогою F-критерію Фішера та t-критерію Ст’юдента (Горошко М.П., Миклуш С.І., Хомюк П.Г., 2004). Виявлено, що у дерев, які зростають у сугрудах та грудах, різниця між середніми величинами маси деревної зелені та маси гілок несуттєва і має випадковий характер.
Розділ 4. Інформаційне забезпечення оцінки компонентів фітомаси дерев ялиці білої. Проведено оцінку якісних ознак компонентів фітомаси дерев: природної і базисної щільності, частки хвої у деревній зелені та вмісту абсолютно сухої речовини в хвої. Розроблено систему моделей та таблиць для оцінки компонентів надземної фітомаси як в свіжозрубаному, так і абсолютно сухому станах.
Дослідження локальної щільності деревини та кори стовбура, яка характеризує мінливість розподілу показників природної і базисної щільності на різних його висотах, здійснювалися на основі дослідних зрізів стовбура на пні та відносних висотах – 0,1 h, 0,25 h, 0,5 h i 0,75 h. Графічна інтерпретація мінливості локальної природної щільності компонентів фітомаси стовбура (рис. 1) засвідчила, що крива зміни щільності деревини ялиці білої характеризується v-подібним типом. Такий тип кривої характерний також для зміни щільності деревини стовбура в корі. За наведеним рисунком, природна щільність деревини стовбура в корі та без кори зменшується від окоренка до відносної висоти 0,25h, а потім поступово збільшується до вершини.
Відносна висота стовбура Відносна висота стовбура
Рис. 1. Зміна локальної щільності основних компонентів фітомаси стовбурів дерев ялиці білої з відносною висотою: 1 – деревина; 2 – кора; 3 – деревина стовбурів у корі.
На відміну від природної, базисна щільність деревини стовбура в корі та без кори характеризується спадним типом зміни щільності деревини вздовж стовбура. Базисна щільність кори на відміну від природної відзначається значно меншою мінливістю вздовж стовбура, а коливання її абсолютних значень на відносних висотах стовбура знаходиться в межах від 2,5 до 5,0%. При цьому найбільше значення щільності спостерігається на відносній висоті 0,25h.
Середня щільність фракцій стовбурів ялиці білої в свіжозрубаному та абсолютно сухому станах розраховувалася на основі локальних даних за допомогою прикладної програми PLOT (Лакида П.І., 2002) (табл. 1).
Таблиця 1
Середня щільність компонентів фітомаси стовбура ялиці білої, кг•(м3)-1
Вид | Щільність (с±mp), кг·(м3)-1
деревина | кора | деревина + кора
Природна | 925 ± 17 | 971 ± 19 | 931 ±15
Базисна | 392 ± 6 | 450 ± 11 | 396 ± 5
Середня базисна щільність деревини стовбура становить 392 кг•(м3)-1 і за своїм значенням наближається до щільності на висоті стовбура 0,20h. Середнє значення природної щільності деревини всього стовбура досягає 925 кг•(м3)-1, що знаходиться на відносній висоті, близькій до 0,10h. Середня базисна щільність кори стовбура в цілому на 58 кг•(м3)-1 перевищує відповідну щільність деревини.
Для оцінки динаміки показників середньої щільності основних компонентів фітомаси стовбура моделювання велося у двох напрямах:
? пошук адекватних моделей оцінки динаміки середньої щільності компонентів фітомаси стовбурів ростучих дерев із використанням локальних параметрів відповідної щільності на висоті 1,3 м;
? пошук адекватних моделей на підставі аналізу вікової динаміки показників середньої щільності компонентів фітомаси стовбурів дерев (рис. 2).
Вік, років
Рис. 2. Динаміка базисної щільності деревини
Показники природної та базисної щільності деревини та кори гілок ялиці білої за своїм абсолютним значенням дещо перевищують відповідні значення показників щільності стовбура (табл. 2).
Таблиця 2
Середня щільність компонентів фітомаси гілок дерев ялиці білої
Вид | Щільність (с±mp), кг·(м3)-1
деревина | кора | деревина + кора
Природна | 998 ± 23 | 967 ± 31 | 972 ±14
Базисна | 530 ± 13 | 476 ± 17 | 508 ± 11
Середня базисна щільність деревини гілок більша за відповідну щільність деревини стовбурів на 138, а кори – на 26 кг·(м3)-1. Щодо деревини в корі, то тут перевищення становить 112 кг·(м3)-1.
У процесі моделювання проводили пошук математичних залежностей тільки для базисної щільності, оскільки саме вона має практичне значення для проведення наукових досліджень, пов’язаних з оцінкою біологічної продуктивності ялицевих деревостанів за компонентами фітомаси. Застосувавши регресійний аналіз, одержали однофакторні моделі, які відображали зв’язок базисної щільності деревини й кори з віком, висотою та діаметром модельних дерев.
Дослідженнями якісних ознак фотосинтезуючої фракції було встановлено, що середнє значення відсотка хвої (Ph) знаходиться в межах 65,4–65,8, а середнє значення вмісту абсолютно сухої речовини (Sh) – в межах 0,463–0,475. При цьому в процесі регресійного аналізу не виявлено залежності досліджувальних параметрів ні з одним із таксаційних параметрів.
Важливим питанням, яке неможливо уникнути в процесі пошуку математичних моделей оцінки компонентів фітомаси, є вибір виду функції апроксимації. В теоретичній біології широкого застосування набув логарифмічний поліном першого порядку, більш відомий як алометрична функція або функція параболічного росту, загальний вигляд якої y=a•xb. На думку И.В.Кармановой (1976), П.І.Лакиди (2002), В.А.Усольцева (1988), А.И.Уткина та інших (1996) властивості наведеної функції дають підстави вважати алометрію одним з найдостовірніших способів апроксимації біологічних залежностей, в тому числі й при описанні залежностей компонентів фітомаси від морфометричних показників дерев. Цей вид рівняння був використаний в представленій роботі для моделювання основних компонентів фітомаси дерев та деревостанів ялиці білої.
Моделювання параметрів компонентів фітомаси дерев ялиці білої проводилося в двох напрямах:
а) моделювання об’єму стовбура в корі та об’єму кори;
б) моделювання компонентів фітомаси крони (гілки в корі, деревна зелень).
У результаті підбору різних модельних комбінацій в рівняння вводилися ті показники, які значуще впливали на залежну змінну на 5%-му рівні значущості. При цьому перевага надавалася більш практичним рівнянням, до яких як аргументи включалися ті таксаційні ознаки, які легко можна було визначити під час натурного огляду та оцінки дерева за допомогою нескладних приладів.
Моделі об’єму стовбура в корі (Vст) та об’єму кори (Vк) підбиралися з урахуванням характеру зміни цих показників зі зміною діаметра та висоти дерев. Рівняння, що найадекватніше описують залежні змінні, представлено в табл. 3.
Таблиця 3
Регресійні моделі оцінки об’єму компонентів фітомаси стовбура дерев ялиці
Номер моделі | Модель регресії | Коефіцієнт детермінації
1 | Vст = 3,91·10-5 · d1,748 · h1,270 | 0,99
2 | Vк = 1,024·10-5 · d1,429 · h1,265 | 0,96
Переведення об’єму в масу виконано через показники середньої щільності.
Як показав багатоваріантний пошук регресійних моделей оцінки маси деревної зелені (qдз) та гілок (qгіл) залежно від таксаційних показників дерев, найінформативнішими та найдоступнішими для вимірювання є висота і діаметр дерева на висоті 1,3 м, які пояснюють від 87 до 90% мінливості досліджуваних параметрів (табл. 4). Відносна повнота статистично незначуща при введенні її в рівняння поряд з діаметром та висотою. Окрім цього, вона характеризується прямою залежністю із відповідними компонентами крони, що суперечить логічному тлумаченню. Тому згадані залежності в роботі не наводилися.
Таблиця 4
Регресійні моделі оцінки маси деревної зелені та маси гілок дерев ялиці
Номер моделі | Модель регресії | Коефіцієнт детермінації
3 | qдз = 0,044 · d 0,897 · h 1,512 | 0,87
4 | qгіл = 2,430 ·10-4 · d 2,328 · h 1,326 | 0,90
Розрахунок таблиць для оцінки компонентів надземної фітомаси дерев ялиці білої у свіжозрубаному та абсолютно сухому станах виконувався за допомогою діалогової програми TREE на основі математичних моделей 1 – 4 та значень якісних ознак основних компонентів фітомаси дерева (базисна і природна щільність стовбура та гілок, вміст абсолютно сухої речовини в хвої, тощо). Таблиці побудовано за двома входами – діаметром на висоті 1,3 м і висотою дерев для наступних компонентів фітомаси: деревини стовбура, кори стовбура, стовбура у корі, гілок у корі, хвої, крони дерева, деревної зелені (свіжозрубаний стан), надземної частини дерева.
Виявлено, що зі збільшенням діаметра й висоти дерев маса деревини, кори та стовбурів у корі зростає. Така мінливість досліджуваних компонентів адекватно відображає поточний об’ємний приріст та хід росту ялицевих насаджень Українських Карпат. Аналогічні залежності зміни від діаметра та висоти дерев простежуються для маси гілок та маси хвої. Фітомаса крони є сумарним показником, який поєднує в собі масу гілок та масу хвої.
Розділ 5. Моделі компонентів надземної фітомаси насаджень ялиці білої. Розроблено довідкові таблиці оцінки компонентів надземної фітомаси насаджень, депонованого в ній вуглецю та акумульованої енергії.
У процесі розроблення інформаційного забезпечення оцінки надземної фітомаси насаджень ялиці білої спочатку встановлювалися багатофакторні залежності компонентів фітомаси від основних таксаційних характеристик насаджень, а потім на їх основі створювалися відповідні таблиці. При цьому під час пошуку залежностей відкидалися фактори, які зовсім або майже не впливали на досліджувані компоненти. Схожу методику побудови нормативних таблиць для оцінки компонентів фітомаси у статиці використовували в своїх дослідженнях H.A.I.Madgwick (1970), В.А.Усольцев (1976, 1985), А.С.Аткин (1978), В.В.Успенский (1983), А.А.Макаренко (1986), D.B.Botkin, L.G.Simpson (1990), Л.М.Матушевич (2004) та багато інших науковців.
У ході регресійного аналізу виявилося, що найпридатнішою є трифакторна модель залежності основних компонентів надземної фітомаси від таких таксаційних ознак, як середній діаметр (D), середня висота (H) та відносна повнота (П) насадження. Загальний вигляд її наступний:
,
де: mi – відповідні компоненти надземної фітомаси деревостанів ялиці білої в абсолютно сухому стані, т·га-1;
а0, а1, а2, а3 – коефіцієнти регресії.
Незважаючи на наявність досить слабкого але значущого на 5%-му рівні зв’язку між компонентами надземної фітомаси та відносною повнотою насаджень, введення останньої у рівняння як фактора поряд із середнім діаметром та середньою висотою насадження, дозволило значно поліпшити статистичні параметри моделі. Адекватність одержаних моделей вихідним даним оцінювалася статистиками їхніх залишків та за коефіцієнтами детермінації одержаних рівнянь.
Коефіцієнти регресії рівнянь, які описують відповідні компоненти надземної фітомаси насаджень ялиці білої та окремі критерії їхньої оцінки (коефіцієнт детермінації, розраховані та табличні значення F-критерію Фішера) наведено в табл. 5.
Таблиця 5
Характеристика рівнянь оцінки компонентів надземної фітомаси деревостанів
Номер моделі | Компонент фітомаси | Коефіцієнт регресії | Критерій оцінки
а0 | а1 | а2 | а3 | Q2 | Fв | Fкр
Абсолютно сухий стан
5 | Деревина стовбурів | 0,582 | -0,372 | 2,275 | 1,149 | 0,99 | 93,5 | 1,7
6 | Кора стовбурів | 0,211 | -0,178 | 1,695 | 1,002 | 0,96 | 82,3 | 1,7
7 | Стовбур у корі | 0,734 | -0,351 | 2,213 | 1,133 | 0,99 | 94,3 | 1,7
8 | Гілки у корі | 0,551 | 0,844 | 0,398 | 1,070 | 0,90 | 10,0 | 1,7
9 | Хвоя | 3,315 | 0,302 | 0,348 | 1,423 | 0,75 | 3,9 | 1,7
Свіжозрубаний стан
10 | Деревна зелень | 11,011 | 0,264 | 0,380 | 1,435 | 0,73 | 3,7 | 1,7
Слід зазначити, що в моделях 5, 6 і 7 спостерігається обернений зв’язок досліджуваних компонентів з середнім діаметром насадження. При цьому для сталих середніх висот насаджень збільшення середніх діаметрів веде до деякого зниження відповідних компонентів фітомаси. Це можна пояснити зниженням запасу насадження за рахунок зниження старого видового числа.
Компоненти фітомаси ялицевих насаджень зі свіжозрубаного стану в абсолютно сухий перераховувалися через показники середньої базисної щільності та вміст абсолютно сухої речовини в свіжій хвої, визначених у процесі дослідження. Одержано комплекс довідкових таблиць оцінки абсолютно сухого стану надземної фітомаси насаджень за такими компонентами: стовбурова деревина, кора стовбурів дерев, стовбури у корі, гілки у корі, хвоя, загальна надземна фітомаса, відношення надземної фітомаси дерев до запасу насаджень у корі, деревна зелень насаджень (свіжозрубаний стан). Фрагменти розроблених таблиць для оцінки компонентів фітомаси деревостанів ялиці білої в насадженнях із відносною повнотою 0,7 наведено в табл. 6.
Таблиця 6
Фітомаса компонентів насаджень ялиці білої в абсолютно сухому стані, т·га-1
Середній
діаметр, см | Середня висота, м
10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26
Деревина стовбура в корі
10 | 38 | 57 | 80
12 | 36 | 53 | 75 | 100
14 | 34 | 51 | 71 | 96 | 120 | 160
16 | 48 | 68 | 91 | 120 | 150 | 180
18 | 65 | 88 | 110 | 140 | 180 | 210
20 | 84 | 110 | 140 | 170 | 210 | 250
22 | 100 | 130 | 170 | 200 | 240
24 | 130 | 160 | 190 | 230
Деревина гілок у корі
10 | 6,6 | 7,1 | 7,5
12 | 7,7 | 8,2 | 8,8 | 9,2
14 | 8,7 | 9,4 | 10 | 10 | 11 | 12
16 | 11 | 11 | 12 | 12 | 13 | 13
18 | 12 | 13 | 14 | 15 | 15 | 16
20 | 14 | 15 | 16 | 16 | 17 | 17
22 | 16 | 17 | 17 | 18 | 19
24 | 18 | 19 | 20 | 20
Хвоя
10 | 8,9 | 9,5 | 10
12 | 9,4 | 10 | 10 | 11
14 | 9,9 | 10 | 11 | 12 | 12 | 13
16 | 11 | 11 | 12 | 13 | 13 | 14
18 | 12 | 13 | 13 | 14 | 14 | 15
20 | 13 | 14 | 14 | 15 | 15 | 15
22 | 14 | 15 | 15 | 15 | 16
24 | 15 | 15 | 16 | 16
На основі розроблених нормативних таблиць оцінки компонентів фітомаси в абсолютно сухому стані може здійснюватися не тільки визначення запасів різних видів лісосировинних ресурсів в одиницях маси, а й розраховуватися вміст депонованого в них вуглецю. Адже для можливості керування лісами в плані вуглецевих запасів необхідні точні кількісні знання їх обсягів та потоків як всередині окремої лісової екосистеми, так і в загальному екологічному циклі планети. Тому дуже важливо визначити існуючі резервуари вуглецю в лісах та їх обсяги. Розрахунок вмісту вуглецю виконано за перевідними коефіцієнтами, запозиченими з літературних джерел (Matthews G., 1993), значення яких для всіх компонентів фітомаси насаджень ялиці, крім хвої, становить 0,5, а для хвої – 0,45 (фрагмент таблиць з відносною повнотою деревостану 0,7 представлено в табл. 7).
Таблиця 7
Вміст вуглецю у надземній фітомасі насаджень ялиці білої, т·га-1
Середній
діаметр, см | Середня висота, м
10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26
10 | 26 | 36 | 48
12 | 26 | 35 | 46 | 59
14 | 25 | 35 | 45 | 58 | 72 | 89
16 | 34 | 44 | 56 | 70 | 86 | 104
18 | 43 | 55 | 69 | 84 | 101 | 120
20 | 54 | 68 | 82 | 99 | 120 | 140
22 | 67 | 81 | 97 | 110 | 130
24 | 80 | 95 | 110 | 130
На даний час дослідження запасів ресурсів та енергії залишаються актуальною проблемою, яку неможливо обмежити кордонами окремої країни, як і більшість екологічних проблем, що викликають нині занепокоєння у світової спільноти. Вирішення таких проблем на регіональному та національному рівнях є окремою сходинкою на шляху подолання глобальних екологічних та енергетичних криз.
Для оцінки вмісту енергії в надземній фітомасі ялицевих деревостанів Українських Карпат були використані таблиці оцінки фітомаси відповідних компонентів в абсолютно сухому стані та усереднені агреговані дані з наукових літературних джерел (Shvidenko A., 2004), де зазначено, що середній вміст енергії в одній тонні вуглецю, акумульованого у фітомасі, становить 35,76 ГДж (1 ГДж = 109Дж). У результаті проведеної роботи було одержано таблиці, що відображають вміст енергії накопиченої в надземній фітомасі насаджень ялиці білої (фрагмент таблиць з відносною повнотою деревостану 0,7 наведено в табл. 8).
Таблиця 8
Вміст енергії у надземній фітомасі насаджень ялиці білої, 1012Дж?га-1
Середній
діаметр, см | Середня висота, м
10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26
10 | 0,9 | 1,3 | 1,7
12 | 0,9 | 1,3 | 1,6 | 2,1
14 | 0,9 | 1,3 | 1,6 | 2,1 | 2,6 | 3,2
16 | 1,2 | 1,6 | 2,0 | 2,5 | 3,1 | 3,7
18 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,6 | 4,3
20 | 1,9 | 2,4 | 2,9 | 3,5 | 4,3 | 5,0
22 | 2,4 | 2,9 | 3,5 | 3,9 | 4,7
24 | 2,9 | 3,4 | 3,9 | 4,7
За проведеним аналізом розробленого комплексу нормативних таблиць встановлено, що відображені в них закономірності зміни основних компонентів надземної фітомаси цілком піддаються аргументованому біолого-лісівничому тлумаченню, а їхня статистична точність дозволяє рекомендувати їх для практичного застосування в Карпатському регіоні.
ВИСНОВКИ ТА ПРОПОЗИЦІЇ
На даний час в Українських Карпатах зосереджені значні запаси лісосировинних ресурсів, що утворюють унікальний природний комплекс. Наукові дослідження екологічних функцій Карпатських лісів, які впливають на формування клімату та гідрологічних ресурсів значної частини континенту, стали необхідною умовою сталого ведення лісового господарства в регіоні та дотримання Україною задекларованих міжнародних домовленостей, пов’язаних з природоохоронною тематикою. Одними з основних показників екологічних функцій лісів є запаси фітомаси та депонованого в ній вуглецю, що істотно впливають на природоохоронні можливості лісу. При цьому актуальність досліджень останніх давно вийшла за межі регіональної проблематики та набула глобального характеру.
У рамках даної дисертаційної роботи з використанням основних засад системного підходу було одержано комплексні результати, які відображають оцінку біологічної продуктивності за компонентами надземної фітомаси однієї з основних лісоутворювальних порід Карпатського регіону – ялиці білої. За результатами проведених дисертаційних досліджень можна зробити такі висновки:
1. Природно-кліматичні умови Карпатського регіону оптимальні для вирощування високопродуктивних ялицевих деревостанів. У цих умовах ялиця біла в межах десяти ялицевих типів лісу формує насадження зі своїм домінуванням у складі та виступає цінною домішкою в деревостанах смереки, бука і дуба. Частка ялицевих насаджень становить 15% від загальної площі хвойних насаджень Українських Карпат та 14% від їхнього загального запасу. Найбільш поширеними і господарсько цінними ялицевими типами лісу є вологі смереково-букові суяличини та яличини. Переважають у Карпатах молодняки та стиглі природні ялицеві деревостани. Ялиця біла вважається однією з найперспективніших порід Карпатського регіону і потребує поглиблених та детальніших наукових досліджень, особливо в тих напрямах, де вони мають несистемний і фрагментарний характер.
2. Як засвідчив ретроспективний аналіз стану вивчення біологічної продуктивності лісів України, поряд із відносно багатою інформаційною базою про обсяги компонентів фітомаси окремих деревних порід та наявною системою нормативно-інформаційного забезпечення оцінки і прогнозу даних компонентів, практично відсутні будь-які системні дослідження, які б можна було використати для комплексної оцінки ресурсного, енергетичного й екологічного потенціалу компонентів надземної фітомаси дерев і деревостанів ялиці білої в Карпатському регіоні.
3. Використання загальнонаукових та лісотаксаційних методів наукового пізнання в процесі збору, обробки та аналізу дослідного матеріалу дозволило одержати вірогідну інформацію, що характеризує кількісні та якісні параметри компонентів надземної фітомаси дерев і деревостанів ялиці білої. Для дослідження якісних показників основних компонентів фітомаси було відібрано 243 зрізи стовбурів, 99 зрізів живих гілок та взято 494 проби живої крони.
4. Як показала проведена перевірка нульової гіпотези про значущість різниці між основними параметрами крони дерев, що зростають у вологих сугрудах і грудах, за t-критерієм Ст’юдента та F-критерієм Фішера, в різних типах умов місцезростання різниця між масою
