Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Ландшафтная архитектура понимается как искусство создавать гармоничное сочетание естественного ландшафта с освоенными человеком территориями, населенными пунктами, архитектурными комплексами и сооружениями. При этом естественный ландшафт формируется в основном лесами естественного происхождения.

Концепция типизации лесов была сформулирована А.К. Каяндером [1, с. 27–28] так: «…целью типов леса является исключительно только приведение классификации лесных мест произрастания к всеобщему объективному основанию». Но, к сожалению, возраст, климат и сомкнутость внутри древостоя, а также почву под ним он относил к случайным факторам: «…изменения их вызывают очень значительные перемены в общей растительности, но как явления случайного характера – в отношении типов леса – существенного значения не имеют» [1, с. 27–28].

Чуть позже оправдывается следующими словами [1, с. 33]: «Места произрастания не есть нечто неизменное. Их настоящее состояние только в относительном смысле устойчиво».

Цель статьи – показать возможность замены типов леса отдельными биохимическими показателями почвы в зависимости от прогнозируемой продуктивности древостоев по запасу стволовой древесины сосняков по возрастной динамике на примере таблицы хода роста.

Исходные данные. Они получены J. Ilvessalo [1] способом полос. Измерения по 240 пробным площадям в сосняках Финляндии и более 600 проб почвы, выполненные в 1916–1918 годах (табл. 1), были сгруппированы (почвы – в целом, а древостои – по типам леса).

Все изученные сосняки имеют естественное происхождение, образовались после ледникового периода, и их эволюционный возраст насчитывает более 10 000 лет. Однако по сравнению с сосняками Сибири с возрастом при рубке сосен до 464 лет [2] предельный возраст по таблице хода роста [1, с. 34–35] принят только до 120–150 лет.

Таким образом, биологический возраст сосен Финляндии малый, ненамного превышает технический возраст хозяйственных сосняков. Однако ценность данных по табл. 1 высока тем, что позволит сравнить по закономерностям с современными (измененными человеком ) сосняками Финляндии. Такие ежегодные данные с 1918 г. там существуют.

Таблица 1

Запас деловой древесины в коре в нормальных сосняках по данным [1, с. 34–35, 37 ], м3/га

На рис. 1 показаны пространственные графики влияния возраста и калия, а также возраста и кальция почвы на динамику запаса сосняков.

Влияние возраста и азота в почве

Влияние возраста и кальция в почве

Рис. 1. Изменение запаса древостоя от возраста, содержания азота и кальция в лесной почве

Остальные вещества (потери от прокаливания, общего содержания электролитов, содержания солей фосфорной кислоты, содержание оксида калия) дают сложные поверхности отклика (рис. 2). Тогда азот и кальций даже по отдельности могут стать биохимическими индикаторами качества лесного места произрастания и тем самым заменить типы леса.

Влияние возраста и прокаливания почвы

Влияние возраста и электролитов в почве

Далее покажем методику многофакторного моделирования изменения запаса V, м3/га. Для этого принимаем все 66 значений запаса стволовой древесины в коре по среднеарифметическим значениям показателя у 240 пробных площадей сосняков по типам леса [1].

Затем можно усложнить задачи и приступать к учету параметров других частей леса.

С возрастом концентрация азота и кальция в почве сосняков возрастает. На богатой азотом и кальцием почве с возрастом интенсивнее нарастает ход роста запаса древесины.

Причем повышение азота дает более крутой рост запаса стволовой древесины (склад питательных веществ деревьев). При малом содержании азота все же заметен ход роста сосняка, а при малой концентрации кальция почти до 100-летнего возраста запас даже снижается, то есть недостаток кальция приводит к флюктуации запаса древесины в стволах сосен.

Все четыре вещества дают два максимума хода роста запаса с возрастом.

В интервале потерь от прокаливания почвы от 1,0 до 1,2 единиц наблюдается резкое снижение продуктивности сосняков. По-видимому, наибольшая продуктивность по запасу древесины будет при условии Прок > 1,4 единиц. При содержании электролитов 300–500 единиц будет снижение запаса, максимум продуктивности сосняков есть при Элек > 600 единиц. Фосфор влияет на продуктивность древостоя сосны сложным образом. Он выполняет функции катализатора других биохимических реакций. Но в интервале 1,0–1,4 кг/га в чистом виде однофакторного влияния происходит какое-то аномальное поведение фосфора.

Еще сложнее поведение калия, который выполняет функции поддержки азоту и кальцию. Первый хребет поверхности отклика на рис. 2 показывает, что оптимум содержания калия находится в очень узком интервале, 440–445 кг/га. Затем наступает провал в продуктивности сосняков. Устойчивое влияние калия находится в интервале 485–525 кг/га.

от содержания в почве азота общего, кг/га

от возраста древостоя сосняка, лет

от произведения азота на возраст

от концентрации оксида калия

Рис. 3. Графики изменения запаса древесины в коре в сосняках от азота и калия, м3/га

Влияние азота и возраста. Вначале выявлено (рис. 3) влияние азота по формуле

. (1)

Стрессовое возбуждение сосняка по стволовой древесине наблюдается в интервале концентрации азота в 1,4–2,8 кг/га с максимумом продуктивности при Nopt = 2,1 кг/га.

Затем, по остаткам (абсолютной погрешности) от модели (1), получено уравнение

. (2)

Здесь коэффициент корреляции достигает 0,9272.

Очевидно, что общий азот меняется с возрастом, т.е. эти два параметра являются взаимно зависимыми, поэтому введем новый показатель – произведение NA азота на возраст.

После структурно-параметрической идентификации была получена закономерность

. (3)

Затем по остаткам от трехчленной модели была идентифицирована модель

(4)

небольшого влияния калия. Остальные четыре биохимических вещества не участвуют.

Сумма всех четырех составляющих дает общую модель влияния трех переменных.

от содержания в почве кальция, кг/га

от возраста древостоя сосняка, лет

от произведения кальция на возраст

от возмущения древостоев в динамике роста

Рис. 4. Графики изменения запаса древесины в коре в сосняках от кальция и возраста, м3/га

Влияние кальция и возраста. Отдельно влияние кальция (рис. 4) дается формулой

. (5)

Затем от влияния возраста сосняков получилось уравнение вида

. (6)

Как и с азотом, обособленное влияние возраста имеет наибольший коэффициент корреляции при сильнейшей тесноте факторной связи. Это указывает на то, что возраст популяции сосен в древостое является параметром, определяющим в конечном счете все эндогенные изменения во всех явлениях и процессах динамики компонент леса как экосистемы.

Совместное влияние кальция и возраста, как одного показателя, дает уравнение

. (7)

Анализ остатков после формулы (7) показал, что возраст дополнительно влияет при кальции с колебательным возмущением (рис. 4) по формуле

. (8)

И, наконец, было получено влияние калия (рис. 5) на запас древесины по формуле

. (9)

Рис. 5. График влияния оксида калия на запас

В отличие от азота для кальция как индикатора продуктивности сосняков общая модель получилась с пятью составляющими в виде суммы устойчивых биотехнических закономерностей.

Сравнение двух моделей. В среде Excel были просчитаны все 66 вариантов из данных табл. 1 по выявленным формулам (табл. 2) с погрешностью более 30 %.

Отрицательные значения продуктивности по табл. 2 показывают долг от древостоя.

Таблица 2

Индикационные параметры лесной почвы по азоту и кальцию совместно с калием

Абсолютная погрешность (остатки) ε вычислялась как разность между фактическими и расчетными VN и VCaO значениями запаса стволовой древесины сосняков. Тогда относительная погрешность ? моделей будет равна . Для экологических и сельскохозяйственных измерений принимается допустимый предел [?max] = 30 %. Из данных табл. 2 видно, что индикация азотом содержит 16 точек, превышающих 30 %, а кальцием – всего 11.

Тогда выбираем основным индикатором типов леса А.К. Каяндера оксид кальция.

Окончательный вид трехфакторной модели изменения запаса стволовой древесины у сосняков Южной Финляндии по состоянию на 1916–1918 гг. следующий:

, (10)

,

,

,

,

.

Из данных табл. 2 видно, что табл. 1 хода роста сосняков «подогнана» по высотам 10 и 20 лет, поэтому возник долг от древостоев как отрицательный запас древесины.

Это произошло из-за ручного выравнивания графиков хода роста на миллиметровой бумаге [1, c. 13, 35, 36]. На рисунках А.К. Каяндера четко видно волновое расположение точек фактических значений изучаемого показателя. Кроме того, при возрасте менее 30–40 лет нанесенные вручную графики расположены тесно друг к другу, а в некоторых случаях графики даны только пунктирными линиями. Поэтому данные табл. 1 по 10, 20 и даже 30 годам явно ненадежные. Они получатся автоматически при моделировании без группировки.

Как показали наши исследования динамики запаса по каждому типу леса, до 30-летнего возраста у сосняков наблюдается колебательное возмущение с сильной турбулентностью поведения древостоя и почвы под ним.

Поэтому для естественных молодняков нужны специальные измерения и модели.

Заключение

Поиск лучшего биохимического индикатора типа леса показал, что наилучшим из шести параметров лесной почвы Южной Финляндии по состоянию на 1916–1918 годы является оксид кальция, а затем общий азот лесной почвы.

Этот вывод частично совпадает с коэффициентами корреляции J. Ilvessalo [1, с. 11]: «для азота 0,736 ± 0,056; извести 0,612 ± 0,069; калия 0,214 ± 0,091; фосфорной кислоты – нет корреляции». Но нужно иметь в виду, что эти данные относятся только к линейным моделям. Наши нелинейные модели, имеющие по параметрам четкий физический смысл, дают коэффициент корреляции выше 0,9 по всем шести учтенным в [1] показателям лесной почвы.

Высокоадекватные трехфакторные модели показали возможность замены существующей умозрительной типизации лесов прямыми показателями качества почвы. Этому помогло естественное распределение сосняков Южной Финляндии (по состоянию на 1916–1918 гг.) по параметрам местопроизрастания и древостоя, в частности по отдельным питательным веществам лесной почвы и запасу стволовой древесины в коре.