CC BY
9УДК 630*524.39+630*174.754
В.А.Усольцев, А.В. Борников, А.С. Жанабаева, А.В. Бачурина
(V.A. Usoltsev, A.V. Bornikov, A.S. Zhanabayeva, A.V. Bachurina) (Уральский государственный лесотехнический университет)
Усольцев Владимир Андреевич родился в 1940 г., окончил в 1963 г. Уральский лесотехнический институт, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Уральского государственного лесотехнического университета, Заслуженный лесовод России. Имеет около 450 печатных работ по проблемам оценки и моделирования биологической продуктивности лесов.
Борников Александр Вячеславович родился в 1987 г., окончил лесохозяйственный факультет Оренбургского государственного агроуниверситета в 2009 г. Имеет 7 печатных работ по проблемам оценки и моделирования биологической продуктивности лесов.
Жанабаева Асия Сиркбаевна родилась в 1987 г., окончила лесохозяйственный факультет Оренбургского государственного агроуниверситета в 2009 г. Имеет 7 печатных работ по проблемам оценки и моделирования биологической продуктивности лесов.
Бачурина Анна Владимировна родилась в 1983 г., окончила лесохозяйственный факультет Уральского государственного лесотехнического университета в 2005 г. Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры лесоводства УГЛТУ. Имеет 13 печатных работ по проблемам влияния промышленных поллютантов ЗАО «Карабаш-медь» на лесные насаждения.
ИЗМЕНЕНИЕ КВАЛИМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФИТОМАССЫ ДЕРЕВЬЕВ СОСНЫ И БЕРЕЗЫ ВБЛИЗИ КАРАБАШСКОГО МЕДЕПЛАВИЛЬНОГО
КОМБИНАТА
(CHANGE OF QUALIMETRICAL CHARACTERISTICS OF PINE AND BIRCH TREE BIOMASS NEAR KARABASH
COPPER PLANT)
Проанализировано изменение плотности и содержания сухого вещества в различных фракциях фитомассы деревьев сосны и березы в зависимости от диаметра ствола на высоте 1,3 м и удаления от Карабашского медеплавильного комбината.
Change of density and dry matter content in different fractions of pine and birch tree biomass in relation to diameter at breast height and distance from Karabash copper plant is studied.
В исследованиях биологической продуктивности лесов необходимо знание закономерностей изменения не только количественных, но и качественных характеристик, варьирующих с возрастом, экологическими и це-нотическими факторами (Усольцев, 1988). Это составляет предмет экологического древесиноведения, в котором выделяются два направления: техническое, включающее исследования анатомических и физико-механических свойств древесины как технологического сырья (Перелыгин, Уго-лев, 1971), и ресурсоведческое, располагающее сведениями о плотности и влажности всех фракций фитомассы как качественных характеристик биопродуктивности насаждений (Уткин, 1970; Поздняков, 1973; Полубоя-ринов, 1976).
В нашей работе предпринята попытка исследования «ресурсоведче-ских» качественных характеристик фитомассы сосны и березы в насаждениях, примыкающих к Карабашскому медеплавильному комбинату (КМК), который является на Урале источником наиболее интенсивных токсичных выбросов (главным образом это соединения серы и тяжелые металлы) в атмосферу и который вместе с окружающими территориями представляет один из наиболее загрязненных участков планеты.
Объекты и методы исследования. Исследования выполнены в подзоне южной тайги Урала в градиенте загрязнений сосновых и березовых естественных насаждений к северу от КМК. В основу нашего исследования положен метод пробных площадей, заложенных согласно требованиям ОСТ 56-60-83. Таксационная характеристика древостоев пробных площадей приведена в табл. 1.
Таблица 1
Таксационная характеристика сосновых и березовых древостоев в градиенте загрязнений от КМК
L*, Породный Воз- Класс Средняя Средний Число Площадь За-
км состав раст, бони- высота, диа- деревь- сечений, пас,
лет тета м метр, ев, м2/га м3/га
см экз./га
Сосновые древостои
4,2 7С3Б+Ос 80 III 20,6 26,9 392 16,0 158
6,6 8С1Б1Ос 80 III 19,8 28,4 440 26,3 255
8,3 8С1Б1Лц 80 III 19,5 23,8 560 25,6 240
9,5 7С3Б 70 II 18,6 28,4 434 27,2 266
13,8 10С+Б 80 II 20,6 27,7 591 32,5 310
32,0 8С2Б 80 II 20,3 28,5 600 35,0 339
Березовые древостои
3,8 10Б+С 50 IV 14,2 15,3 1072 19,4 151
4,8 9Б1С 45 III 13,7 14,1 1178 17,6 134
8,5 10Б+С+Е 40 III 15,0 14,9 1239 21,8 168
9,1 10Б+С 45 III 15,1 15,1 1217 21,6 166
13,1 10Б+С 50 II 19,5 21,5 740 26,6 233
17,5 7Б2С1Ос 50 III 17,8 21,0 796 25,6 225
31,0 10Б+Лп 40 III 16,0 17,9 856 22,2 187
* L - здесь и далее расстояние от источника загрязнений.
Наряду с традиционной таксацией древостоев на каждой пробной площади выполнены определения их фитомассы. Для этого взято по 7 модельных деревьев каждой древесной породы в пределах варьирования их диаметров на пробной площади по методике, изложенной ранее (Усоль-цев, 2007). Общее количество модельных деревьев сосны - 42 и березы -56. Для перевода показателей массы кроны из свежего в абсолютно сухое состояние и объема древесины и коры ствола в показатели массы в свежем и абсолютно сухом состоянии от каждого дерева взяты образцы: у сосны по одной навеске хвои и ветвей от каждой трети кроны по вертикальному профилю, а у березы - по одной навеске из средней части кроны без разделения ее на секции. У стволов деревьев взяты выпилы на относительных высотах 0,2; 0,5 и 0,8 от общей высоты дерева и выполнены у каждого замеры массы и объема древесины и коры. Определена плотность каждой фракции в свежем состоянии р (кг/м ), а также термовесовым способом содержание сухого вещества £ (%). Количество определений р и £ у древесины и коры стволов сосны - 126, березы - 168; а определений £ у ветвей и хвои (листвы) - соответственно 102 и 56.
Результаты и их анализ. Установлено, что как общий запас сосновых древостоев, так и их надземная фитомасса статистически значимо (;05) возрастают по мере удаления от источника загрязнений. Запас стволовой древесины березняков в градиенте загрязнений возрастает с 134-151 м/га на удалении 4-5 км до 225-233 м3/га на удалении 13-18 км и несколько ниже на контроле - 187 м /га. Объяснить последнее можно естественным варьированием морфоструктуры березняков на исследуемой территории, но не снижением уровня загрязнений на расстоянии 31 км от КМК. Аналогичная ситуация у березы с изменением ее надземной фитомассы.
Квалиметрические характеристики фракций фитомассы древостоев проанализированы методом многофакторного регрессионного моделирования. Принята следующая структура уравнений:
- для древесины и коры стволов сосны и березы
р и S = ao +aD + a2L +a3h; (1)
- для ветвей сосны и березы
S = ao +aD + a2L +a3 U; (2)
- для хвои сосны
S = ao +aD + a2L,
- для листвы березы
S = ao +a^ + a2^,
где D - диаметр ствола на высоте 1,3 м, см;
А - возраст дерева, лет;
h - относительная высота сечения ствола, в долях от общей высоты дерева;
U - порядковый номер каждой из трех секций кроны в направлении от вершины к основанию (статистически значим лишь для ветвей сосны).
Известно, что коэффициенты детерминации уравнений, описывающих зависимость квалиметрических показателей фракций фитомассы от определяющих факторов, всегда характеризуются более низкими значениями по сравнению с количественными показателями (Усольцев, 1988). С точки зрения статистики для нас наиболее важен уровень статистической значимости включаемых в уравнения переменных, поэтому в окончательную структуру уравнений (1)-(4) включены лишь переменные, значимые на уровне t05>2,0. При описании изменчивости показателя S хвои с помощью регрессионного уравнения у сосны статистически значимой переменной (наряду с L) оказался диаметр D (уравнение (3)), а в аналогичном уравнении для показателя S листвы березы - возраст дерева А (уравнение (4)).
Рассчитанные уравнения (1)-(4) протабулированы по задаваемым значениям независимых переменных, и получены соответствующие табл. 2-4.
Таблица 2
Изменение плотности и содержания сухого вещества в древесине и коре сосны в градиенте загрязнений от КМК (уравнение (1))
L, км h Плотность (кг/м3) при диаметре ствола D, см (уравнение (1)) Содержание сухого вещества (%) при диаметре ствола D, см (уравнение (1))
8 16 24 32 40 8 16 24 32 40
(3)
(4)
Древесина
5 0,2 693 714 734 754 774 63,1 61,1 59,2 57,2 55,2
0,5 751 771 792 812 832 56,4 54,4 52,4 50,5 48,5
0,8 809 829 849 869 890 49,7 47,7 45,7 43,8 41,8
10 0,2 686 706 726 746 767 62,8 60,8 58,8 56,9 54,9
0,5 743 764 784 804 824 56,0 54,1 52,1 50,1 48,2
0,8 801 821 841 862 882 49,3 47,4 45,4 43,4 41,4
30 0,2 655 676 696 716 736 61,4 59,5 57,5 55,5 53,6
0,5 713 733 753 774 794 54,7 52,7 50,8 48,8 46,8
0,8 771 791 811 831 851 48,0 46,0 44,0 42,1 40,1
Кора
5 0,2 723 691 659 627 595 43,1 44,7 46,2 47,7 49,3
0,5 909 877 845 813 781 47,8 49,3 50,8 52,4 53,9
0,8 1095 1063 1031 999 967 52,4 54,0 55,5 57,0 58,6
10 0,2 702 670 638 606 574 41,6 43,1 44,7 46,2 47,7
0,5 888 856 824 792 759 46,2 47,8 49,3 50,8 52,4
0,8 1074 1042 1009 977 945 50,9 52,4 54,0 55,5 57,0
30 0,2 616 584 552 520 488 35,4 37,0 38,5 40,0 41,6
0,5 802 770 738 706 674 40,1 41,6 43,2 44,7 46,2
0,8 988 956 924 892 860 44,7 46,3 47,8 49,3 50,9
Таблица 3
Изменение плотности и содержания сухого вещества в древесине и коре березы в градиенте загрязнений от КМК (уравнение (1))
А км h Плотность (кг/м3) при диаметре ствола D, см (уравнение (1)) Содержание сухого вещества (%) при диаметре ствола D, см (уравнение (1))
8 12 16 20 24 28 8 12 16 20 24 28
Древесина
5 0,2 848 856 865 873 881 889 61,3 60,9 60,5 60,1 59,7 59,4
0,5 895 904 912 920 929 937 56,2 55,8 55,4 55,0 54,6 54,2
0,8 943 951 959 968 976 984 51,0 50,6 50,3 49,9 49,5 49,1
10 0,2 828 836 845 853 861 869 62,2 61,9 61,5 61,1 60,7 60,3
0,5 875 884 892 900 908 917 57,1 56,7 56,4 56,0 55,6 55,2
0,8 923 931 939 948 956 964 52,0 51,6 51,2 50,8 50,5 50,1
30 0,2 748 756 764 773 781 789 66,1 65,7 65,3 65,0 64,6 64,2
0,5 795 803 812 820 828 837 61,0 60,6 60,2 59,8 59,5 59,1
0,8 843 851 859 867 876 884 55,9 55,5 55,1 54,7 54,3 53,9
Кора
5 0,2 959 927 894 861 828 795 35,1 34,9 34,8 34,7 34,6 34,5
0,5 1039 1006 973 940 907 874 36,0 35,9 35,8 35,7 35,5 35,4
0,8 1118 1085 1052 1019 986 953 36,9 36,8 36,7 36,6 36,5 36,4
10 0,2 941 908 875 842 809 776 34,8 34,7 34,6 34,5 34,3 34,2
0,5 1020 987 954 921 888 855 35,8 35,6 35,5 35,4 35,3 35,2
0,8 1099 1066 1033 1000 967 934 36,7 36,6 36,5 36,3 36,2 36,1
30 0,2 866 833 800 767 734 701 33,8 33,7 33,6 33,5 33,4 33,2
0,5 945 912 879 846 813 781 34,8 34,6 34,5 34,4 34,3 34,2
0,8 1024 991 958 925 893 860 35,7 35,6 35,5 35,4 35,2 35,1
Таблица 4
Изменение содержания сухого вещества в ветвях и хвое сосны и в ветвях и листве березы в градиенте загрязнений от КМК
А км и Содержание сухого вещества (%) в кроне сосны при диаметре ствола D, см (уравнения (2) и (3)) Содержание сухого вещества (%) в кроне березы при возрасте дерева А, лет (уравнения (2) и (4))
8 16 24 32 40 30 40 50 60 70 80 90
Ветви
5 1 48,2 47,5 46,7 46,0 45,2 54,3 53,5 52,8 52,0 51,3 50,5 49,7
2 49,3 48,6 47,8 47,1 46,3
3 50,4 49,7 48,9 48,2 47,4
10 1 47,6 46,9 46,1 45,4 44,6 54,6 53,8 53,1 52,3 51,5 50,8 50,0
2 49,9 48,0 47,2 46,5 45,7
3 51,0 49,1 48,4 47,6 46,9
30 1 45,3 44,5 43,8 43,0 42,3 55,7 54,9 54,2 53,4 52,7 51,9 51,2
2 49,9 45,6 44,9 44,1 43,4
3 51,0 46,7 46,0 45,2 44,5
Хвоя (листва)
5 - 46,8 47,6 48,4 49,2 50,1 39,5 39,2 38,8 38,5 38,2 37,9 37,5
10 - 46,2 47,0 47,9 48,7 49,5 39,1 38,8 38,5 38,1 37,8 37,5 37,2
30 - 44,0 44,9 45,7 46,5 47,4 37,7 37,3 37,0 36,7 36,3 36,0 35,7
Выводы
1. В свежем состоянии плотность как древесины, так и коры стволов у сосны ниже, чем у березы.
2. Содержание сухого вещества в коре ствола у сосны выше, чем у березы, а в древесине четкой закономерности по названному показателю не обнаружено.
3. В направлении от основания к вершине ствола плотность как его древесины, так и коры возрастает у сосны и березы; содержание сухого вещества в том же направлении в древесине и коре обеих пород снижается.
4. По мере удаления от КМК плотность как древесины ствола, так и его коры в свежем состоянии снижается у обеих пород. Содержание сухого вещества в том же направлении у сосны снижается как в древесине, так и в коре; у березы аналогичная закономерность наблюдается по коре, а по древесине закономерность противоположная.
5. У сосны по мере увеличения диаметра ствола содержание сухого вещества в ветвях снижается, а в хвое возрастает; у березы по мере увеличения возраста названный показатель уменьшается в обеих фракциях.
6. Содержание сухого вещества в ассимиляционном аппарате обеих пород снижается по мере удаления от КМК; по ветвям березы наблюдается противоположная закономерность, а по ветвям сосны четкой закономерно-
сти не выявлено, но происходит увеличение названного показателя в направлении от вершины к основанию кроны.
Библиографический список
Перелыгин А.М., Уголев Б.Н. Древесиноведение. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 318 с.
Поздняков Л.К. Лесное ресурсоведение. Новосибирск: Наука, 1973. 120 с.
Полубояринов О.И. Квалиметрия древесного сырья в процессе лесо-выращивания: автореф. дис. ...д-ра с.-х. наук. Л.: ЛЛТА, 1976. 46 с.
Усольцев В. А. Рост и структура фитомассы древостоев. Новосибирск: Наука, 1988. 253 с.
Усольцев В.А. Биологическая продуктивность лесов Северной Евразии: методы, база данных и ее приложения. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 636 с.
Уткин А.И. Исследования по первичной биологической продуктивности лесов в СССР // Лесоведение. 1970. № 3. С. 58-89.
