Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

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.

Рис. 1. Схема измерения параметров комля

Рис. 2. Схема измерения высоты кроны и дерева

Рис. 3. Часть пробной площади с березняка

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

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

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

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

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; , – 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; – высота комля березы от корневой шейки до почвы, см; – высота комля березы от корневой шейки до верхней точки пересечения поверхности почвы с боковой линией комля, см; – высота комля березы от корневой шейки до центральной точки пересечения поверхности почвы с вертикальной осевой линией комля, см; – 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

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

, (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

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

. (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.