Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

METHOD OF ANALYSIS OF RELATIVE ESCAPE COMLEY BIRCH ON THE SLOPES OF RAVINES

Mazurkin P.M. 1 Algasova M.A. 1
1 Volga State University of Technology
Scientific and technical solution dendrometrii refers to the study of the relative run-out butt during the growth and development of trees, mainly birch. Technical result - enhanced functionality analysis of the relative run away the butt of trees on the slope of a hill or ravine, and increase accuracy of birch below the root collar, ranging from the standard height of the trunk at 1.3 m above the tree to the root neck surface slope gully. Birch has the remarkable property become woody plants for dendro-ecological monitoring of growth due to a disturbed man-land teaching stkah exposed to wind and water erosion, and pre-vents the development of gully network. The relationship between the perimeters of sections at different levels of height butt was shown by the greatest factor closeness between themselves and the diameter at 1.3 m.
birch
butt
relative runout
patterns

Научно-техническое решение относится к дендрометрии при изучении роста и развития комля деревьев, преимущественно берез, и может быть использовано при фитоиндикации территорий и разработке мероприятий по защите земельных участков от водной эрозии, экологических и климатических технологий, а также в дендроэкологическом мониторинге за развитием овражной сети и рационализации землепользования с учетом изменений формы комля растущих, в частности, березовых деревьев.

Известен способ анализа комля древесного ствола по патенту № 2254707 [4], включающий разметку ствола на секции кратной или некратной длины в зависимости от расположения неровностей ствола с измерением соответствующих расстояний от корневой шейки, секции некратной длины размечают на неровностях комлевой части ствола, по крайней мере, дважды в трех точках неровности, а измерения вдоль и поперек ствола по секциям выполняют гибкой мерной лентой, причем поперек ствола измеряют периметр сечения ствола.

Недостатком является то, что измерения выполняют у деревьев выше корневой шейки ствола. Поэтому известный способ не позволяет учитывать влияние периметров комля ниже корневой шейки деревьев. Причем березы могут произрастать на склоне оврага, сильно изменяя высоту корневой шейки от точки склона по середине ствола.

Известен также способ анализа комля растущего дерева для определения поперечного профиля оврага по патенту № 2416193 РФ [5], характеризующийся тем, что поперек оврага выбирают пробную полосу леса с расположенными вдоль нее деревьями, измеряют расстояния и общий угол склона в поперечном сечении оврага между серединами диаметров корневой шейки смежных вдоль пробной полосы деревьев.

Недостатком также является отсутствие измерений периметров комля дерева ниже корневой шейки, что не позволяет изучать влияние склона оврага или холма на комлевую часть, начиная на стволе от высоты 1,3 м над корневой шейкой до поверхности почвы на склоне. Кроме того, в дендрометрии до сих пор не выделены те лимитирующие факторы комля, которые влияют на параметры места произрастания дерева. Березы мало исследованы, хотя они являются великолепными растениями для климатических технологий.

Технический результат – расширение функциональных возможностей анализа формы комля деревьев, прежде всего берез, произрастающих на ровной местности или же на склоне оврага (холма), а также повышение точности измерений ниже корневой шейки, начиная от стандартной высоты ствола в 1,3 м над корневой шейкой дерева до поверхности почвы.

Сущность технического решения заключается в том, что наиболее часто на склонах оврагов в лесостепной зоне России произрастают березы естественного происхождения. Они закрепляют овраги от водной эрозии, и происходит симбиоз между березняком и почвой на склоне оврага: березы своими корнями защищают почву от смыва, а почва наращивает свою плодородие, позволяя расти березам продуктивно без потери питательных веществ.

Сущность технического решения заключается также в том, что факторный анализ множества измеренных параметров комля у берез показал наибольшую тесноту связи изменения формы комля по боковой линии от поперечного сечения комля на поверхности почвы до стандартной высоты 1,3 м. При этом форма комля характеризуется уравнением экспоненциальной гибели (спада) с постоянным членом, а значения параметров математической модели зависят в основном от максимальной высоты комля на нижней стороне склона оврага или холма. Такая модель выявлена впервые.

Положительный эффект достигается тем, что выявление среднестатистической (математической) закономерности боковой линии формы комля по множеству произрастания деревьев на пробной площади, заложенной на склоне оврага или холма, а также на ровной местности, в зависимости от максимальной высоты комля, начиная от корневой шейки до самой нижней точки комля на нижней стороне березы по склону, позволяет проводить экологический мониторинг за состоянием и развитием самого оврага на участке с изучаемым березняком. Это позволит следить за укреплением склонов оврагов и холмов от водной эрозии в ходе роста и развития посаженных, например, берез.

Такой мониторинг, по мере накопления опыта и данных измерений, дает возможность рекомендовать экологические и климатические технологии вначале на территориях лесостепной зоны России, а затем и в степной зоне. Это, по опыту США (с 1960 года) и Китая (с 1970 года) [1, 2] значительно повысит урожайность зерновых культур на полях около оврагов и холмов, а также повысит продуктивность травяного покрова пойменных лугов на склонах оврагов со ставшими полноводными ручейками на их дне, а также на склонах холмов с родниками и берегов малых рек и их притоков.

Кроме того, положительный эффект достигается тем, что знание закономерности формы комля позволит прогнозировать рост и развитие деревьев [3] на посадках при рекультивации земель на ровной или холмистой и овражистой местности. Модели формы комля позволят оценить густоту посадки деревьев саженцами или посева семенами при выполнении климатических и ландшафтно-экологических технологий.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые измерения проводят ниже корневой шейки ствола растущего дерева по форме боковой линии при переходе от ствола к корням, что позволит в будущем подойти к поиску научно-технических решений и по изучению изменений формы корневой части дерева, а также к изучению несимметричных форм комлей различных видов деревьев. Кроме того, научная новизна заключается в том, что впервые получена математическая закономерность влияния максимальной высоты комля берез и других параметров растущих деревьев.

На рис. 1-8 приведены схемы и графики примера реализации способа.

m1.tif

Рис. 1. Схема измерения параметров комля

m2.tif

Рис. 2. Схема измерения высоты кроны и дерева

m3.tif

Рис. 3. Часть пробной площади с березняка

m4.wmf

Рис. 4. График рейтингового распределения формы комля по убыванию коэффициента корреляции

m5.wmf

Рис. 5. График боковой линии комля учетной березы №3

m6.wmf m7.wmf

Рис. 6. Графики боковой линии комля учетных берез №11 и №13 с одинаковыми коэффициентами корреляции

m7a.wmf

Рис. 7. График боковой линии у предпоследнего в рейтинге учетного дерева березы № 2

m8.wmf

Рис. 8. График боковой линии последнего в рейтинге учетное дерево №7

На рис. 1 и рис. 2 приведены следующие условные обозначения:

j – угол местного склона в месте произрастания дерева березы, град; m001.wmf, m002.wmf – диаметр и периметр ствола березы на высоте 1,3 м от корневой шейки; Ркш – периметр сечения ствола на корневой шейке, см; 0,5P3 – половина периметра комля березы в сечении над точкой пересечения поверхности почвы с вертикальной осевой линией комля дерева, см; m003.wmf – высота комля березы от корневой шейки до почвы, см; m004.wmf – высота комля березы от корневой шейки до верхней точки пересечения поверхности почвы с боковой линией комля, см; m005.wmf – высота комля березы от корневой шейки до центральной точки пересечения поверхности почвы с вертикальной осевой линией комля, см; m006.wmf – максимальная высота комля березы от корневой шейки до нижней точки пересечения поверхности почвы с боковой линией комля, см; H, Hкр – высоты дерева и кроны, м.

Пример. Для снижения линейной эрозии почвы оврагами применяют растения. Цель исследования – изучение формы комля деревьев, растущих в овраге, для выявления закономерностей взаимодействия между древесными растениями и склоном.

Объектами исследования были выбраны березы на склоне лесного оврага около деревни Ямолино Горномарийского района Республики Марий Эл. Эксперименты были проведены летом 2011 года (табл. 1) на 30 березах.

Таблица 1

Периметры сечения комля на разных высотах, см

№ березы

1

2

3

4

5

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Угол j, град

20

18

15

15

15

20

30

20

15

15

20

20

20

15

Диаметр D1,3

20

20

15

18

20

20

25

20

35

20

24

20

20

27

Периметр сечения комля

P1,3

85

90

70

70

74

87

75

61

88

56

65

53

62

91

Pкш

87

95

75

80

79

90

85

71

110

72

67

81

75

110

Р1

92

81

74

85

80

105

89

75

120

77

76

88

80

128

Р2

106

120

80

104

85

96

98

79

125

84

80

90

85

135

Р3

140

162

180

140

120

114

116

90

140

102

86

102

98

150

Высота

сечения комля

h0

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

hкш

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

h1

–19

–27

–15

–8

–6

–12

–17

–17

–12

–13

–18

–11

–13

–15

h2

–40

–45

–24

–15

–10

–23

–30

–29

–20

–21

–28

–18

–20

–22

h3

–81

–64

–60

–35

–36

–40

–48

–36

–40

–40

–41

–35

–45

–38

Высота m007.wmf

–70

–66

–69

–50

–40

–70

–80

–90

–115

–120

–115

–120

–117

–130

№ березы

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Угол j, град

20

20

20

20

15

15

20

15

15

15

15

15

20

15

15

Диаметр D1,3

28

25

25

42

42

25

25

22

20

25

22

25

20

25

25

Периметр сечения комля

P1,3

85

69

76

122

114

88

90

77

75

88

75

80

90

75

76

Pкш

101

83

98

140

135

100

96

85

76

91

80

90

108

84

81

Р1

105

90

101

147

145

106

98

89

81

100

85

95

105

88

84

Р2

125

93

107

160

153

114

103

98

88

108

94

104

111

94

92

Р3

134

106

116

188

176

126

112

108

102

122

100

118

128

108

110

Высота

сечения комля

h0

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

130

hкш

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

h1

–16

–13

–15

–16

–17

–22

–16

–22

–22

–25

–22

–22

–24

–20

–25

h2

–31

–21

–28

–30

–30

–35

–28

–35

–40

–42

–38

–35

–40

–26

–38

h3

–45

–40

–45

–40

–43

–50

–51

–60

–65

–71

–65

–55

–70

–62

–63

Высота hmax

–115

–120

–105

–105

–107

–105

–104

–100

–100

–102

–103

–102

–103

–105

–103

Измерения формы комля (рис. 1) у дерева (рис. 2) в березняке (рис. 3) по боковой линии поверхности комля выполняется следующим образом.

Сначала определили участок оврага по методике, изложенной в патенте № 2416193 РФ по прототипу, на склоне которого растут деревья. Выбрали учетные деревья для измерений в количестве 30 штук. Для измерений применяли гибкую мерную ленту и транспортир с отвесом. В ходе моделирования идентификацией устойчивых законов было выявлено, что дерево № 6 имеет резко выделяющееся значение угла местного склона. В дальнейшем это наблюдение исключили из статистической выборки.

Данные из табл. 1 обрабатывали в программной среде CurveExpert-1.3 по модели

m008.wmf, (1)

где P – переменный периметр поперечного сечения комля в данном месте измерения на высотах от поверхности почвы до высоты 1,3 м, см; h – высота от поверхности почвы до корневой шейки (в табл. 1 отрицательные значения высоты), а далее до стандартной высоты 1,3 м, при этом корневая шейка получает значение высоты h = 0; a1, a2 и a3 – параметры статистической модели (1), причем: a1 – начальное значение периметра комля дерева (абсолютный выбег комля в сечении в точке О на рис. 1 пересечения продольной оси ствола с поверхностью почвы); a2 – активность спада (относительного сбега от крайних корней первого порядка до корневой шейки и дальше на стволе дерева до высоты 1,3 м) периметра поперечного сечения комля по боковой линии симметричной формы комля; a3 – постоянный периметр ствола (по условному цилиндру) на высотах от поверхности почвы до нуля на уровне корневой шейки и далее до 1,3 м.

В табл. 2 даны результаты идентификации модели (1).

Таблица 2

Параметры модели формы комля березы на склоне лесного оврага

п/п

Угол

j,

град

D1,3, см

P1,3, см

Высота, м

Параметры формы комля

Коэффициент

корреляции

h3

hmax

H

Hкр

а

b

c

1

20

20

85

0,81

0,70

25

20

6,69037

0,026546

83,04457

0,9932

2

18

20

90

0,64

0,66

24

15

1,51942

0,060980

87,94076

0,9609

3

15

15

70

0,60

0,69

19

13

1,57073

0,070650

71,08551

0,9995

4

15

18

70

0,35

0,50

24

17

14,29537

0,046288

68,62046

0,9876

5

15

20

74

0,36

0,40

25

19

5,36991

0,059820

73,78199

0,9984

7

20

20

87

0,35

0,70

20

10

5,53268

0,034759

86,94283

0,8826

8

30

25

75

0,40

0,80

16

12

8,65897

0,032264

75,13772

0,9985

9

20

20

61

0,48

0,90

20

14

7,58516

0,034666

61,50150

0,9790

10

15

35

88

0,36

1,15

25

9

26,87762

0,018077

85,23958

0,9973

11

15

20

56

0,40

1,20

18

8

15,87560

0,026839

55,55888

0,9992

12

20

24

65

0,40

1,15

15

10

5,53349

0,034409

64,18781

0,9792

13

20

20

53

0,41

1,20

20

15

34,54058

0,013320

46,87999

0,9992

14

20

20

62

0,35

1,17

19

10

15,16259

0,020174

60,74845

0,9974

15

15

27

91

0,45

1,30

18

7

25,34656

0,023777

89,19265

0,9904

16

20

28

85

0,38

1,15

15

9

16,49362

0,025320

84,09267

0,9868

17

20

25

69

0,45

1,20

15

8

15,78504

0,022036

68,02200

0,9989

18

20

25

76

0,40

1,05

14

6

26,46798

0,011879

70,43326

0,9985

19

20

42

122

0,45

1,05

16

6

12,17655

0,040653

123,6581

0,9896

20

15

42

114

0,40

1,07

15

8

19,26593

0,026577

113,9366

0,9951

21

15

25

88

0,43

1,05

15

8

11,23616

0,024368

87,74433

0,9987

22

20

25

90

0,50

1,04

16

6

6,09201

0,025528

89,73489

0,9972

23

15

22

77

0,51

1,00

16

7

9,34285

0,020768

76,09297

0,9907

24

15

20

75

0,60

1,00

15

6

3,46519

0,032258

74,12755

0,9947

25

15

25

88

0,65

1,02

16

8

7,55135

0,022099

86,50699

0,9888

26

15

22

75

0,71

1,03

17

8

8,46063

0,018145

73,55011

0,9758

27

15

25

80

0,65

1,02

20

8

9,66769

0,025103

79,68765

0,9978

28

20

20

90

0,55

1,03

20

10

13,74723

0,014425

88,89935

0,9669

29

15

25

75

0,70

1,05

20

9

10,96744

0,018477

73,79080

0,9920

30

15

25

76

0,62

1,03

20

9

4,20086

0,033223

76,03804

0,9967

Из табл.3 видно, что адекватность модели (1) боковой линии нейлоидной формы комля очень высокая и по коэффициенту корреляции равна не меньше 0,8826. Максимальная теснота факторной связи равна 0,9995.

По значениям коэффициента корреляции из данных таблицы 3 получим четыре группы распределения формы комлей всех измеренных из части учетных (рис. 3) берез: I – 0,99 – 1,00; II – 0,95 – 0,99; III – 0,90 – 0,95; IV – 0,7 – 0,9. В первую группу попали 19 деревьев или 65,52 %, во вторую группу – 9 деревьев или 31,03. В третьей группе нет ни одного дерева, а в четвертой группе оказалось только одно дерево или 3,45 % из общей численности 29 берез.

При этом в зависимости от рейтингового места i каждой березы из совокупности 29 деревьев коэффициент корреляции, по данным табл. 2, получило (рис. 4) ранговое распределение в виде формулы

m010.wmf

m011.wmf. (2)

Формула (2) характеризует влияние экспериментатора на статистическую выборку. Первая составляющая является естественной составляющей, то есть коэффициент корреляции от наилучшей особи березы снижается по закону экспоненциальной гибели. Конечно же, это закон зависит от отбора учетных берез в общей численности деревьев на пробной площади. Вторая составляющая, как правило, показывает антропогенное влияние. В данном примере оно характеризуется волновой закономерностью и график на рис. 4 показывает, что у последнего в рейтинге дерева комель резко отличается по своему качеству остальных. Тогда следует ожидать, что при сплошном перечете деревьев по комлям, формула (2) будет иметь более резкий спад по показателю тесноты факторной связи рангового распределения.

Береза № 3 имеет самую математически правильную форму комля (рис. 5) с максимальным коэффициентом корреляции 0,9995.

На рис. 6 показаны два дерева с одинаковым коэффициентом корреляции 0,9992. Как видно из сопоставления графиков, при этом форма комля по боковой линии различна.

Предпоследнее в рейтинге дерево березы № 2 с коэффициентом корреляции формы показано на рис. 7, где имеется волновое возмущение боковой линии, а последнее – дерево № 7 с коэффициентом корреляции 0,8826 на рис. 8. На последнем в рейтинге дереве березы еще четче видно колебательное возмущение боковой линии. Этот факт показывает, что этой особи пришлось труднее всех при колебательной адаптации комля к окружающей среде.