Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗОБНОВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ПРИАНГАРЬЯ

Савченкова В. А.,

3. МЕТОДЫ И ОБЪЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основным методом сбора экспериментальных данных являлось полевое обследование насаждений на постоянных и временных пробных площадях.
Пробные площади закладывались по стандартной методике [106] и подробно описанным в литературе методикам [56, 74, 75, 77, 79, 80, 82, 83, 93, 94, 100, 119, 130, 131, 137, 140, 141, 150, 156, 168].
На каждой пробной площади производилось лесоводственно-геоботаническое описание, с указанием особенностей древостоя, подроста, подлеска, напочвенного покрова и рельефа. Затем проводился сплошной перечёт по одно- (в молодняках) и двухсантиметровым (в спелых и приспевающих насаждениях) ступеням толщины. Для каждого дерева замерялась высота. Данные перечёта деревьев обрабатывались статистическими методами.
Для учёта естественного возобновления под пологом леса и на вырубках использовалась общепринятая методика с закладкой учётных площадок. На основании данных индивидуального перечёта подроста под пологом леса на учётных площадках производилась оценка возобновления леса. При этом определялись следующие показатели:
1. Количество подроста по каждой породе по возрастным категориям и категориям крупности на учётных площадках и на 1 га.
2. Коэффициент встречаемости подроста.
3. Доля благополучного подроста в процентах от его общего числа.
4. Коэффициент качества подроста.
Учитывался, в основном, подрост хвойных пород. Отмечалось также наличие подроста лиственных пород: берёзы, осины.
Подрост учитывался с разделением его на три высотных группы: до 0,5 м; от 0,51 до 1,5 м и более 1,5 м. По качественным признакам подрост до рубки учитывался с разделением его на три категории: жизнеспо­собный, сомнительный и нежизнеспособный.
Согласно действующей инструкции к жизнеспособному подросту относился тот, который имел следующие признаки: густое охвоение, зеленую или темно-зеленую хвою, заметно выраженную мутовчатость, островершинную или конусообразную симметричную кро­ну протяженностью не менее 1/3 ствола с неутраченным приростом по высоте за последние 3-5 лет (прирост вершинного побега должен быть не менее прироста боковых ветвей) прямыми неповрежденными стволиками, гладкой или мелкочешуйчатой корой.
К категории сомнительного подроста относились экземпляры, имеющие переходные признаки качества. К нежизнеспособному под­росту относился тот, который имел явные признаки неудовлетвори­тельного качества - предельно угнетенный или сухостойный подрост. При учете после рубки сохранившийся подрост оценивался по этим же признакам. Кроме этого, учитывались его механические по­вреждения, полученные при валке и трелевке деревьев. Для оценки жизнеспособности подроста были приняты следующие признаки: легкий ошмыг коры стволика, охватывающий не более 1/4 окружности и в среднем не превышающий по ширине 0,5 см у мелкого подроста, 2 см - у среднего и 3,5 см у крупного; на­клон стволика до 20° у мелкого и до 10° у среднего и крупного; повреждение кроны в виде ошмыгов отдельных ветвей.
Производилась оценка естественного возобновления по шкалам ВНИИЛМ, дифференцированной шкале состояния и качества естественного возобновления под пологом насаждений и по шкале оценки естественного лесовозобновления по хвойным и твёрдолиственным породам.
По высоте определялись три категории крупности подроста: I - мелкий подрост до 0,5 м; II - средний - 0,6-1,5 м; III - крупный - более 1,5 м.
На возрастные категории подрост подразделялся следующим образом: 1 - до 5 лет; 2 - от 6 до 10 лет; 3 - от 11 до 15 лет; 4 - 16 лет и старше.
Производилась группировка учтённого подроста каждой породы по этим категориям.
Количество подроста в пересчёте на 1 га определялось по формуле  (1) где N - количество подроста на 1 га, шт; n - количество подроста данной породы на всех учётных площадках, шт; Р - общая площадь учётных площадок, м2; 10000 - площадь 1 га в м2.
Если подрост разновозрастный или разновысотный, его приводили к одному возрасту или к одной группе, и после этого давали оценку по соответствующим шкалам. Для мелкого подроста применялся коэффициент 0,5; среднего - 0,8 и крупного - 1,0. Для перевода подроста с возрастной группы до 5 лет в группу 11-15 лет применялся коэффициент 0,25; с 6 - 10 - 0,5.
Коэффициент встречаемости kв ( %) представляет собой отношение числа площадок n1 с наличием хотя бы одного экземпляра подроста к общему количеству площадок n

  (2) Если kв больше или равно 0,8, то возобновление считается равномерным, если kв меньше 0,8, то распределение подроста по площади неравномерное и необходимо запроектировать создание частичных культур.
Процент жизнеспособности подроста определяется по формуле   (3.) где Р - процент жизнеспособного подроста, %; n - количество жизнеспособного подроста, без признаков угнетения до потери способности к росту, шт; N - общее количество подроста, шт.
При оценке естественного возобновления по дифференцированной шкале необходимо определение коэффициента качества подроста (Q)  (4.) где n - численность подроста главной породы на 1 га, шт; А - средний возраст подроста, лет; N - общее количество благонадёжного подроста на 1 га, шт; а - базисный возраст, в котором происходит смыкание полога (для сосны - 7-8 лет, для ели - 9-10 лет).
Условно можно считать, что при Q = 0,7 и выше подрост по составу качественно очень хороший, при 0,5-0,6 - хороший, 0,3-0,4 - удовлетворительный, 0,2 и ниже - неудовлетворительный, т.е. естественное возобновление протекает фактически с полной сменой главной породы.
Для определения сохранности подроста на трелёвочных волоках были заложены постоянные пробные площади. На каждую пробную площадь составлялся абрис, на котором указывались границы трелёвочного волока и границы минерализованной зоны [73, 74, 75, 105].
Полученный при съемке первичный материал позволил составить точную схему лесосеки, а также определить фактическую общую ши­рину волоков и ширину минерализованных полос. На схеме пробной площади волоки были относительно прямолинейные поскольку направление их было задано заранее (до рубки) провешиванием че­рез каждые 15 м. Визиры прокладывались по волокам, на которых бы­ла закончена трелевка, на­чиная с дальних концов. По визиру, через каждые 10 м устанавливались вешки. Одновременно составлялся подробный абрис волока на миллиметровой бу­маге с продольным масшта­бом 1:200 и поперечным 1:100. В месте установки каждой вешки детально за­мерялось поперечное сечение волока: отклонение оси волока от визира, расстояние до правой и левой границ мине­рализованной полосы и рас­стояние до правой и левой границ волока. На некоторых волоках замерялись также границы колеи, образованные гусеницами трактора. Ось волока оп­ределялась как середина между колеями, накатанными гусеницами трактора.
Минерализованная полоса характеризуется разрушенным расти­тельным слоем, перемешанным с грунтом, полностью или частично сдвинутым с места. Она значительно шире, чем расстояние между колеями, поскольку образуется не только ходовой частью трак­тора, но и стволовой частью трелюемых деревьев и толстыми сучь­ями кроны. Границы общей ширины волока определялись по сле­дам, которые оставляют кроны трелюемых деревьев, уничтожен­ный подрост (согнутый, вывернутый с корнем, мелкий подрост, обод­ранные боковые части стволов среднего и крупного подроста), выр­ванная или смятая трава, ошмыги коры на пнях и т.д.
Пробные площадки закладывались следующим образом (рис. 9, 10.)

Рис. 9. Схема расположения на визирах круговых площадок (площадью 10 м2): 1 - визир; 2 - круговая площадка площадью 10 м2

Рис. 10. Схема расположения на визирах круговых площадок (площадью 5 м2): 3 - круговая площадка площадью 5 м2; 4 - волок
Учет подроста проводился по методике, использованной сотрудниками ЦНИИМЭ и ВНИИЛМ до и после рубки на круговых площадках радиусом 1,78 и 1,26 м, площадью соответственно: 10 и 5 м2. Площадки разме­щены на визирах, проложенных поперек волоков (рис. 11, 12).
На рис. 10 представлена схема постоянной пробной площади с применением технологии разработки площади с трелёвкой на один ус.

Рис. 11. Схема разработки площади с трелёвкой на один ус: 1 - визир с пробными площадками 10 м2; 2 - минерализованная полоса;  3 - трелёвочные волока; 4 - погрузочные площадки

Рис. 12. Схема разработки площади с трелёвкой на два уса: 1 - пробные площадки по 75 м2; 2 - контрольный визир с пробными  площадками по 5 м2; 3 - погрузочные площадки
На пробных площадях № 1, 3, 4, 7, 8 было проложено по 5 визиров: первый из которых расположен параллельно восточной границе лесосеки на расстоянии 25 м от нее, последующие - через 50 м друг от друга. Площадки радиусом по 10 м2 были размещены через каждые 20 м. На ви­зирах заложено по 9 площадок (общей площадью 0,05 га на каждой пробной площади). На пробе №2, 5, 6, 9, 10 проложено по 3 визира с количеством пло­щадок на них по 9 штук (общей площадью - 0,03 га на каждой пробной площади).
На рис. 12 представлена схема постоянной пробной площади с применением технологии разработки площади с трелёвкой на два уса.
На пробных площадях были проложены по два контрольных визира, учетные площадки на которых размещались фиксировано по отношению к волокам, основной визир проложен на расстоянии 160 м от восточной границы лесосеки и дополнитель­ный на расстоянии 100 м от нее. На основном визире были расположены по 30 пробных площадок (по три на каждой из 10 лент), на дополни­тельном - по 30 (на 10 ленте), размер каждой -5 м2. Цель про­кладки визиров заключается в определении сохранности подроста в трех зонах по сечению ленты. Центры круговых площадок заложены на расстоянии 2,5; 7,5 и 11 м от оси каждого волока, то есть на волоке, посередине ленты и на границе следующего волока.
Для изучения состояния подроста на лентах было заложено по 35 пробных площадок на каждой из них. Ленты имели номинальную длину 15 м, ширина каждой 5 м и были проложены перпендикулярно волокам. Площадь одной ленты 75 м2. Учёт подроста проводился отдельно на каждом метре ширины ленты следующим образом. По основному волоку откладывалось 50 м от западного визира лесосеки. На этом расстоянии от оси волока до оси смежного волока перекидывалась мерная лента с метровыми делениями. Через пять метров, то есть на расстоянии 55 м от визира, через эту лент перекидывалась другая лента. Лентами и осями волоков замыкался прямоугольник со сторонами 5×15 м (рис. 13).
Подрост оценивался по тем же количественным и качественным показателям, что и при учете по круговым площадкам. Учитывался весь подрост.
Учет подроста по поперечному про­филю ленты позволяет дать анализ сохранности его на различном рас­стоянии от волоков.

Рис. 13. Схема учёта подроста на ленте
Кроме метода закладки постоянных пробных площадей для общей характеристики численности подроста и напочвенного покрова применялся глазомерный метод с использованием классов обилия по следующей методике:
1. Массовое покрытие - площадь покрыта сплошь или более чем наполовину;
2. Частичное - покрытие менее чем на половину;
3. Редкое - единичное распределение.
Распределение растений при одной и той же численности может быть равномерным, групповым и случайным. Покрытие почвы растениями выражается суммой площадей надземных частей растений (в м2) и определяется в процентах от занимаемой территории. Для учёта естественного возобновления при оставлении семенных полос был использован метод учётных площадок или трансект. Если подрост обильный и молодой, он учитывался на учётных площадках (1×1 м или 2×2 м), закладываемых на пробе через равные интервалы в количестве не менее 20. Более взрослый подрост учитывался на трансектах, которые закладываются обычно в количестве двух по длине пробы. Ширина трансекты 1 м. На площадках, или трансектах, производится подсчёт подроста по породам, возрасту и высоте. Градация возраста принимается в 5 или 10 лет. В пределах каждой из них отмечается высота 5-10 экземпляров, что позволяет получить среднюю высоту подроста.
Устанавливалась зависимость распространения и качества подроста от густоты древесного яруса, подлеска, травяного покрова, мощности подстилки, возраста древостоя, микро- и нанорельефа и других факторов. Использовалась оценка по шкале М.Е. Ткаченко
(тыс. экз./га): возобновление хорошее - больше 10, возобновление удовлетворительное - 10-5, возобновление слабое - 5-2, возобновление плохое - 2 [188].
Для изучения лесовозобновления также применят метод учётных площадок, предложенный Побединским А.В. [93, 94]. Были заложены 20 площадок размером при низком подросте 1×1 метр, при высоком - 2×2 метра. Площадки размещались по ходовым линиям, расположенным параллельно на обследуемых участках через 25 метров. После обработки полученных экспериментальных данных вычислялись показатели встречаемости подроста. Встречаемость рассчитывалась путём отношения учётных площадок с подростом к числу всех площадок, умноженное на 100. Согласно методике А.В. Побединского, возобновление считается успешным, если в сухих условиях встречаемость не менее 50 %, а в свежих - более 60 %. При встречаемости подроста 30 % и менее площадь считается необлесённой. Успешность возобновления оценивалась по шкале оценки возобновления сплошных рубок по Побединскому.
Изучение напочвенного покрова проводили методом пробных площадок (1 м2) или маршрутным методом.
Метод пробных площадок: в пределах пробы по двум диагоналям через равное расстояние закладывает­ся 25 пробных площадок
(1×1 м) - раункиеров. Контур раункиера фиксировался метровыми рейками или шпагатом. На пробной пло­щадке фиксировали весь видовой состав и приво­дили его характеристику по следующим показате­лям: высота, покрытие, встречаемость, обилие, фенофаза, жизненность. Неизвестные виды вклю­чали в список под порядковыми номерами и под теми же номерами гербаризировали для последующего определения. Среднюю высоту (в сантиметрах) опреде­ляли мерной линейкой, установленной на площадке. В задачу изучения почвенных условий в районе Среднего Приангарья входит определение закономерностей влияния почвы на лесовозобновление вырубок.
Исследования проводились поэтапно:
1. Полевые исследования - морфологическое описание почвенных разрезов, отбор почвенных образцов для анализов.
2. Аналитическая работа - подготовка почвы к анализам, определение гранулометрических свойств почвы.
3. Обобщение и анализ полученных материалов.
Значение покрытия для каждого рас­тения заносили в соответствующую графу бланка. Отмечали также общее покрытие травами.
Встречаемость, показывающая степень равно­мерности распределения растений в фитоценозе, опреде­ляли методом Раункиера в пределах пробы и выражали в процентах.
Обилие вида определялось на основании соотношений между встречаемостью видов и проективным покрытием ими почвы.
В табл. 3 приведены градации обилия (в баллах), установленные опытным путем белорусскими геоботаниками [74, 188].

Под жизненностью понимается степень развитости (или степень подавленно­сти) вида в фитоценозе. Использовалась шкала жиз­ненности, предложенная А.Г. Вороновым [188]: 3а - вид в данном фитоценозе проходит полный цикл разви­тия и нормально развивается, включая плодоношение; 3б - вид, хотя и проходит все стадии развития, не достигает обычных размеров; 2 - вид вегетативно развит неплохо, но не плодоносит; 1 - вид не плодоносит и очень сильно угнетен, вегетирует слабо.
Кроме метода учётных площадок для описания живого напочвенного покрова применён маршрутный метод.
Обилие определялось визуально по шкале Друде (табл. 4). Объективность результатов при пользовании шкалой возрастает, если учесть некоторые дополнения, сделанные А.А. Урановым. Он характеризует баллы Друде средними величинами наименьших расстояний между особями данного вида (см табл. 4).

Для глазомерной оценки урожая семян принята шестибальная шкала:
0 - неурожай (отсутствуют шишки, плоды или семена);
1 - очень плохой урожай (шишки, плоды или семена встречаются в небольшом количестве на отдельно стоящих деревьях и в очень малом количестве в древостоях);
2 - слабый урожай (удовлетворительное плодоношение на свободно стоящих деревьях и на растущих по опушкам, слабое в древостое);
3 - средний урожай (удовлетворительное плодоношение на свободно стоящих деревьях и на растущих на опушках, удовлетворительное в средневозрастных и спелых древостоях);
4 - хороший урожай (обильное плодоношение на свободно стоящих деревьях и растущих на опушках, хорошее в насаждениях);
5 - очень хороший урожай (обильное плодоношение на свободно стоящих деревьях и растущих на опушках, а также в средневозрастных и спелом древостоях).
Для создания математической модели лесосеки по уровню сохранности подроста использовались статистические методы математического моделирования с применением прикладного пакета программ Microsoft Excel с надстройкой «Анализ данных».
Исследования, использующие кластерный анализ, характеризуют пять основных этапов, которые представлены схемой на рис. 14 с внесением (в качестве уточнения) в них стрелок обратных связей (пунктирная линия), определяющих в случае низкой достоверности решения поиск узкого места и «пересчет» соответствующих шагов.
То, что некоторые вещи обнаруживают между собой сходство или различие, является весьма важным моментом для процесса классификации.
В качестве меры сходства в работе использовано евклидово расстояние.
Оно отвечает интуитивным представлениям близости и своей квадратичной формой удачно вписывается в традиционно статистические конструкции.

(5)
где d(j, k) - евклидово расстояние между объектами j и k.

Рис. 14. Схема организации проведения кластерного анализа
Евклидово расстояние (и его квадрат) вычисляется по исходным, а не по стандартизованным данным.
Главная цель кластерного анализа - нахождение групп схожих объектов в выборке данных. Эти группы удобно называть кластерами. Кластеры обладают некоторыми свойствами, наиболее важными из которых являются плотность, дисперсия, размеры, форма и отделимость.
Плотность - это свойство, которое позволяет определить кластер, как скопление точек в пространстве данных, относительно плотное по сравнению с другими областями пространства, содержащими либо мало точек, либо не содержащих их вовсе. Дисперсия характеризует степень рассеяния точек в пространстве относительно центра кластера. Свойство кластеров - размеры - тесно связано с дисперсией; если кластер можно идентифицировать, то можно и измерить его радиус. Форма - это расположение точек в пространстве. Отделимость характеризует степень перекрытия кластеров и насколько далеко друг от друга они расположены в пространстве.
С помощью этих терминов можно описать кластеры любого вида. Кластеры - это непрерывные области некоторого пространства с относительно высокой плотностью точек, отделенные от других таких же областей областями с относительно низкой плотностью точек.
В работе применен иерархический агломеративный метод. Формула, которая позволяет описать правила группировки в общем виде для любого иерархического агломеративного метода имеет вид:  d(h,k) = A(i)⋅d(h,i) + A(i)⋅d(h,i) + B⋅d(i,j) + C⋅ABS(d(h,i) - d(h,j)), (6)
где d(h,k) - расстояние между кластерами h и k, причем кластер k является результатом объединения кластеров (или объектов) i и j в ходе агломеративного шага. A(i), A(j), B, C - параметры, которые определяют конкретный вид группировки.
Использована стратегия группировки ближайшего соседа A(i) = A(j) = 1/2, B = 0, C = -1/2. Расстояние между двумя группами определено как расстояние между двумя самыми близкими индивидами из этих групп. Стратегия сильно сжимает пространство и привлекательна в теоретическом отношении. Ее целесообразно использовать, если хотят получить что-то вроде минимального дерева вместо разбиения на группы.
При проведении кластерного анализа произведено разбиение на три кластера с помощью просмотра древовидной диаграммы (дендрограммы). Также произведен просмотр значений коэффициента слияния. Если при очередном шаге наблюдается «скачок» значения коэффициента, это означает, что объединяются два довольно несхожих кластера. Таким образом, число кластеров, предшествующее этому объединению, является наиболее вероятным решением.
Выведены характеристики изменчивости распределения - средние значения и стандартные отклонения.
Стандартное отклонение определено по формуле  (7)
Стандартное отклонение - положительный квадратный корень из дисперсии - использован как мера разброса, или рассеяния, данных. Как правило, так же называется и выборочная оценка σ, которая обозначается буквой s и вычисляется по формуле (8) где X - среднее; n - объем выборки.Последним этапом исследований, использующих кластерный анализ, является проверка обоснованности решения. Использован метод кофенетической корреляции. Кофенетическая корреляция является главной мерой обоснованности решения, предлагаемой специалистами по численной таксономии. Эта мера используется только с иерархическим агломеративным методом. Кофенетическая корреляция необходима для определения, насколько хорошо характер отношений (сходство/несходство) между объектами представляется деревом или дендрограммой, полученными с помощью иерархического метода кластеризации. С помощью дерева можно построить вторичную матрицу сходства между всеми парами объектов, соответствующую рассматриваемому решению: каждый элемент матрицы представляет собой значение сходства для уровня, на котором определенная пара объектов была объединена в общий кластер. Кофенетическая корреляция является корреляцией между значениями исходной матрицы сходства и вторичной матрицы сходства.
Исследования проводились на 26 постоянных пробных площадях с составлением абриса лесосеки и 155 временных в различных типах леса суммарной площадью 3127 га. Всего на каждой пробе с технологией трелёвки на два лесовозных уса заложено по 45 площадок, с технологией разработки на один лесовозный ус по 9 площадок. С целью построения эпюры сохранения подроста, по сечению лен­ты было заложено по 70 пробных площадей разме­ром 75 м2 каждая. Для изучения лесовозобновления также применялся метод учётных площадок, предложенный А.В. Побединским. Были заложены 3875 площадки размером 1×1 метр при низком подросте и 2×2 метра при высоком.
С целью изучения живого напочвенного покрова в пределах пробных площадей по диагоналям через равное расстояние закладывалось по 25 пробных площадок (раункиеров) 1×1 метр. Для определения влияния сезонности вырубки леса на сохранение подроста было проведено обследование 74 летних и 81 зимних вырубок. На каждой пробной площади производилось лесоводственно-геоботаническое описание, с указанием особенностей древостоя, подроста, подлеска, напочвенного покрова и рельефа.
Объектом исследования являются типы леса, типы вырубок разных лет и процесс естественного восстановления леса после сплошных рубок с использованием лесозаготовительных машин отечественного и зарубежного производства с сохранением подроста в эксплуатационных лесах Приангарья.