Студенту

Павлов И.Н., Барабанова О.А., Гортман С.Ю.
К методике анализа взаимовлияния деревьев в лесных культурах
Сибирский государственный технологический университет

Для изучения взаимовлияния деревьев в лесных культурах предложен автоматизированный метод, совмещающий обработку пространственно ориентированных данных с постоянных пробных площадей в геоинформационной программе ArcView GIS 3.2а с последующим моделированием в Statistica 6.0.  Для установления закономерностей роста модельных деревьев в биогруппах по диаметру, рассчитываются коэффициенты Хавсw по 4 параметрам (a- класс Крафта; B- расстояние до модельного дерева (1, 2, 3); c- положение относительно модельного дерева (ряд - R, междурядье - М), W- отпавшее на момент учета.)

Устойчивость отдельных деревьев  тесно связана с площадью питания и освещенностью крон.  Биологическое значение густоты  для самого насаждения определило появление понятия биологического оптимума, при котором  древостой наиболее полно использует ресурсы и  приспосабливается к условиям окружающей среды (Рябоконь, 1979). Дифференциация деревьев в лесу является приоритетной из форм взаимодействия  между деревьями.  В более густых насаждениях этот процесс начинается раньше и проходит более интенсивно, чем в разреженных,  что приводит к быстрому переходу части  особей из верхнего полога в ярус деревьев, отстающих в развитии.
К механизму устойчивости лесных сообществ относится также и то, что популяции представлены видами с различной «жизнестойкостью»: лидеры – сильные конкуренты, благодаря высокой энергии роста, наиболее полно использующие условия окружающей среды;  средние – виды, способные довольствоваться незначительным количеством ресурсов и быть устойчивыми к неблагоприятным условиям среды; отстающие в росте – слабые конкуренты, как правило, обладающие генотипом, не приспособленным к условиям среды (Зональные типы биомов …, 2003).
Е.Н. Маслаков (1984) отмечает, что «судьба» деревьев насаждения решается, в основном, в стадии формирования популяции. И в дальнейшем рост дерева проходит строго в ранговых пропорциях, а размещение деревьев в пространстве по рангу, имеет сложный, стохастический нерегулярный характер, даже в рядовых культурах. Деревья, даже если они абсолютно одинаковые и выращенные в одних условиях имеют свою оригинальную ритмику роста, в которой есть сходства с трендами роста всей популяции (влияния среды), но есть и отличия (генотип). При этом ранговый закон роста деревьев распространяется не только на отдельные деревья, но и на популяцию в целом.
Условия, которые вызывают дифференциацию деревьев в естественном древостое, очень сильно снижают свое влияние в культурах. Как правило, все деревья здесь одного возраста, находятся в одинаковых почвенно- климатических   условиях, различия в наследственной энергии роста сглажены их сортировкой, регулярная обработка почвы устраняет конкуренцию с сорной растительностью, вместо хаотического размещения – идеально равномерное распределение по площади с одинаковым шагом посадки, благодаря чему условия роста более выровнены, меньше выражена изменчивость высот, диаметров и других таксационных показателей. Казалось бы, что идеально подобранные условия должны улучшить качество древостоя, но  борьба за существование ведется между «одинаково сильными» деревьями, что приводит к большему отпаду и неоправданности затрат на выращивание.
Нами при помощи геоинформационной программы ArcView GIS 3.2а было представлено размещение деревьев сосны обыкновенной на постоянных пробных площадях. Программа ArcView GIS 3.2а позволяет не только хранить картографическую информацию о пробных площадях, автоматизировать расчеты таксационных показателей, но и осуществлять моделирования процессов роста и развития древостоев. Необходимым этапом познания закономерностей взаимоотношения организмов со средой обитания, является изучение пространственной структуры популяции.  Ценотическая устойчивость и, следовательно, высокая производительность лесных культур определяется оптимальным размещением деревьев различной категории крупности. Исследование динамики формирования пространственной структуры производного насаждения, т.е. характера размещения деревьев разных пород и возраста позволяет выявить механизмы формирования биогенетической, морфологической и функциональной структуры древостоев и законов их биологической устойчивости. Анализ размещения древесных особей в насаждении дает неизмеримо большую информацию о природе изучаемого леса и ее подлинном разнообразии, чем метод суммарного описания типа леса с интерпретацией сведений о его растительности в виде различных усредненных индексов (средней высоты и диаметра, состава и полноты древостоя) (Емшанов, 1999).  Особый интерес представляет динамика пространственных структур в процессе организации насаждения, другими словами, когда древесные растения начинают взаимодействовать не только с окружающей средой, но и друг с другом. Установление математических закономерностей взаимодействия значительно упрощается с применением геоинформационных технологий.
Пример отображения пробной площади № 13 приведен на рисунке 1. Данные систематических обследований за период  с 1972 – 2003 год представлены слоями.

При дальнейшей обработке полученных результатов, определено взаимовлияние деревьев друг на друга. Для оценки влияния деревьев в биогруппе и моделировании роста алгоритмом программы предусмотрено разделение деревьев вокруг конкретного модельного дерева  на две категории влияния в зависимости от размещения: влияние в ряду и в междурядье (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема отбора зависимых переменных

 В качестве модельных в программу включены все деревья на ППП. Независимые деревья разделены на 5 категорий крупности по пяти классам Крафта (А -I класс; В - II класс; С- III класс; D- IV класс;E- V класс).
Для установления закономерностей роста модельных деревьев в биогруппах по диаметру, были рассчитаны коэффициенты Хавсw по 4 параметрам (a- класс Крафта (A, B, C, D, E); b- расстояние до модельного дерева (1, 2, 3); c- положение относительно модельного дерева (ряд - R, междурядье - М), W- отпавшее на момент учета.)
Для расчета модели взаимовлияния использовалась программа множественного регрессионного анализа с процедурой выбора переменных с шагом вперед для управления вводом переменных в модель из пакета прикладных программ «Statistica 6.0». Процесс расчета начинается с нулевого числа переменных  в модели и предусматривает  добавление по одной переменной на каждом шаге по критерию «F-remove», при этом выбранные переменные сортируются на значимые и незначимые, последние исключаются из модели.  Для каждой переменной приводятся рассчитанные величины частных коэффициентов корреляции, которые будет иметь каждая переменная при вводе ее в модель. Система вводит в модель переменную для которой величина F-статистики является максимальной и для всех переменных просчитываются все статистики. После проведения корректировки модели, система рассчитывает окончательную модель взаимовлияния, используя алгоритм Грихима-Шмидта для получения оценок с максимально возможной точностью.
Модель множественной линейной регрессии будет иметь следующий вид:
V = a + b1*ХA1R  + b2*ХA2R  + ... + bp*Xp
где, V – диаметр модельного дерева, см;
Xp (ХA3R; ХA1M; ХB1R; ХB2R; ХC1R; ХE1R; ХW1R; ХW2R; ХW1M) – количество соседних существующих, различной степени развития и отпавших на момент учета деревьев.

Библиографический список

1. Емшанов Д.Г. Методы пространственной экологии в изучении лесных экосистем.-  Киев: Меркьюри Глоуб Юкрейн, 1999. – 220 с.
2. ЗОНАЛЬНЫЕ ТИПЫ БИОМОВ РОССИИ: Антропогенные нарушения и есте­ственные процессы восстановления экологического потенциала ландшафтов. Под редакцией К.М. Петрова. СПб, 2003. - 246 с.
3. Маслаков Е.Л. Формирование сосновых молодняков. М.: Лесная промышленность, 1984.- 168 с.