Из словаря архитектурно-строительных терминов известно, что ландшафтная архитектура – это «вид искусства, целью которого является организация пространственной среды с помощью природного материала, приводящего к гармонии пластические особенности существующего рельефа». В этом определении нужно поменять акценты: на первое место поставить природный материал, на второе – существующий рельеф, и только на третье место определить искусственные объекты. Это и будет биотехническим подходом в строительстве.
Тогда важнейшим природным материалом становится лесной массив как органичное динамичное единство свойств и параметров почвы и древостоев на ней.
Цель статьи – доказать влияние почвы на древостой выявлением закономерностей изменения запаса стволовой древесины в коре у сосняков от свойств почвы, по данным [3].
Академик И.С. Мелехов указывал [1, с. 7], что Г.Ф. Морозов в своем учении о лесе требовал от лесоводов, кроме древостоя, принимать во внимание и другие свойства – почву и климат, прямое и косвенное вмешательство человека в жизнь леса.
Приспевающие и спелые сосняки также меняют тип леса, т.е. свойства лесной почвы, которые были в период развития и роста молодняка, существенно меняются. Поэтому динамическая типология количественно по взаимным связям между древостоем и почвой характерна не только для молодняков [4], но и спелых нормальных сосняков по статической типологии Ilvessalo и А.К. Каяндера [3]. Лесная почва и древостой имеют гомеостаз.
Тогда получается, что коды типов леса можно заменить значениями концентрации веществ лесной почвы. Для этого нужно бы объединить в одну таблицу таксационные измерения 240 пробных площадей сосняков (и столько же модельных сосен господствующего класса высоты) с данными агрохимического анализа (более 600 почвенных проб из Южной Финляндии по состоянию на 1916–1918 гг.). Это позволило бы исключить фактор «прямое и косвенное вмешательство человека в жизнь леса»: в те годы финские леса были естественными, а через 100 лет они изменены человеком. Их теперь можно сравнить с данными [3].
Исходные данные. J. Ilvessalo и А.К. Каяндер [3] ввели символьные коды, и для этих же типов леса привели концентрации в лесной почве биохимических веществ. Тогда можно переходить на натуральные шкалы по концентрации питательных веществ почвы.
Возрастная структура сосняков Южной Финляндии по состоянию на 1916–1918 гг. в книге [3] определена с разными правыми границами 150, 130 и 120 лет. При этом период возраста 50–120 лет – это хозяйственный лес и по терминологии Г.Ф. Морозова. Из-за малого количества типов (менее пяти после возраста 120 лет) в табл. 1 даны запасы только в интервале 10–120 лет. Вначале дадим модели по годам, а затем по всему периоду 10–120 лет.
Изменение запаса по годам. Влияние каждого из шести почвенных веществ на изменение запаса по таблице хода роста сосняков дано коэффициентом корреляции в табл. 2.
Сумма химических веществ оказывает почти однозначное влияние, но её вычисление требует сложных измерений по биохимическим ингредиентам. Таким образом, далее на продуктивность древостоя влияют по рейтингу вещества: 2 – кальций; 3 – азот; 4 – калий.
Влияние кальция. Общее уравнение для всех возрастов сосняков (табл. 3) имеет вид
, (1)
в фактическом интервале изменения объясняющей переменной 
= 0,464…1,478 кг/га.
Таблица 1
Показатели почвы и сосняков разного возраста по пяти типам леса
|
Тип леса |
На 1 аре |
На 1 га, кг |
Запас V в возрасте A нормального сосняка, м3/га |
||||||||||||||||
|
прок. |
электр. |
N |
P2O5 |
K2O |
CaO |
CB |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
|
|
OMT |
1,448 |
794 |
3,315 |
0,492 |
486 |
1,478 |
491,29 |
19 |
70 |
140 |
208 |
279 |
344 |
405 |
458 |
500 |
535 |
560 |
576 |
|
MT |
1,237 |
497 |
2,428 |
0,910 |
446 |
1,257 |
450,60 |
13 |
60 |
135 |
200 |
260 |
313 |
363 |
407 |
443 |
472 |
492 |
503 |
|
VT |
1,029 |
271 |
1,726 |
1,479 |
449 |
0,996 |
453,20 |
10 |
44 |
87 |
134 |
177 |
219 |
262 |
299 |
328 |
351 |
366 |
375 |
|
CT |
1,085 |
418 |
1,547 |
1,080 |
429 |
0,680 |
432,31 |
7 |
24 |
47 |
75 |
104 |
128 |
153 |
178 |
203 |
222 |
240 |
254 |
|
CIT |
0,601 |
220 |
0,860 |
1,471 |
531 |
0,464 |
533,80 |
– |
3 |
10 |
17 |
31 |
46 |
62 |
80 |
98 |
114 |
132 |
148 |
Примечание. Сумма питательных веществ почвы CB = N + P2O5 + K2O + CaO.
Таблица 2
Влияние почвы на древостои
|
A, лет |
Коэффициент корреляции по веществам |
CB |
|||||
|
прок. |
элек. |
N |
P2O5 |
K2O |
CaO |
||
|
10 |
0,9437 |
0,8558 |
0,9875 |
0,8904 |
1,0000 |
0,9979 |
1 |
|
20 |
0,9217 |
0,8068 |
0,9850 |
0,7634 |
0,9502 |
0,9942 |
1 |
|
30 |
0,8988 |
0,7964 |
0,9906 |
0,7530 |
0,9075 |
0,9955 |
1 |
|
40 |
0,9026 |
0,7937 |
0,9901 |
0,7465 |
0,8228 |
0,9949 |
1 |
|
50 |
0,9144 |
0,8063 |
0,9901 |
0,7623 |
0,9164 |
0,9957 |
1 |
|
60 |
0,9172 |
0,8068 |
0,9873 |
0,7655 |
0,9228 |
0,9976 |
1 |
|
70 |
0,9177 |
0,8043 |
0,9846 |
0,7638 |
0,9319 |
0,9988 |
1 |
|
80 |
0,9193 |
0,8057 |
0,9831 |
0,7660 |
0,9371 |
0,9992 |
1 |
|
90 |
0,9729 |
0,8111 |
0,9835 |
0,7716 |
0,9399 |
0,9991 |
1 |
|
100 |
0,9247 |
0,8153 |
0,9831 |
0,7767 |
0,9410 |
0,9992 |
1 |
|
110 |
0,9277 |
0,8232 |
0,9835 |
0,7862 |
0,9336 |
0,9991 |
1 |
|
120 |
0,9303 |
0,8312 |
0,9839 |
0,7959 |
0,9388 |
0,9991 |
1 |
|
Σ |
11,091 |
9,7566 |
11,8323 |
9,3413 |
11,142 |
11,9703 |
12 |
|
I |
5 |
6 |
3 |
7 |
4 |
2 |
1 |
По табл. 3 оптимальное значение концентрации оксида кальция должно быть в пределах 1,4–3,0 кг/га. Тогда обеспечивается максимум продуктивности сосняка. Удельная потребность кальция в разные возрасты определится как разница между оптимумом (рис. 1) и фактическим содержанием кальция в почве. Эту разницу нужно дополнять удобрением в почву.
Динамика оптимума кальция определится (рис. 1) двухчленным уравнением
.(2)
Из графиков (рис. 1) видно, что до 40 лет потребность в оксиде кальция снижается, а в интервале 40–110 лет потребуется наибольшее потребление кальция сосняками в 90–100 лет (репродуктивный возраст).
С увеличением возраста кризисно снижается амплитуда колебательного возмущения потребности сосняков в кальции.
Поэтому общий график показывает трехчленную формулу вида
, (3)
, 
,
, 
,
,
где А – амплитуда (половина) колебания, кг/га, Р – полупериод возмущения, лет.
Тренд динамики оптимального содержания в почве
Общий график оптимума оксида кальция
Рис. 1. Динамика оптимума концентрации кальция
Таблица 3
Влияние кальция (кг) на запас (м3)
|
A, лет |
Параметры закономерности (1) |
Оптимум |
||||
|
a1 |
a2 |
a3 |
a4 |
Саopt |
Vmax |
|
|
10 |
10,39608 |
1,41204 |
0 |
0 |
– |
– |
|
20 |
483,9799 |
4,02179 |
2,37832 |
1 |
1,69 |
71,74 |
|
30 |
91,96433 |
2,17318 |
0,018868 |
7,99137 |
1,40 |
144,75 |
|
40 |
157,6321 |
2,29965 |
0,10989 |
4,42035 |
1,42 |
210,38 |
|
50 |
209,1188 |
2,10395 |
0,11341 |
3,94656 |
1,48 |
280,03 |
|
60 |
1002,501 |
3,03831 |
1,46870 |
1,09088 |
1,80 |
367,75 |
|
70 |
59742,33 |
4,19503 |
5,39073 |
0,52842 |
2,08 |
460,34 |
|
80 |
19969,11 |
3,58481 |
4,16998 |
0,55059 |
2,25 |
540,26 |
|
90 |
132499,2 |
3,69505 |
5,96974 |
0,41421 |
2,64 |
637,04 |
|
100 |
25883,16 |
3,07976 |
4,27016 |
0,44316 |
3,00 |
732,46 |
|
110 |
372,3198 |
1,26544 |
0,000678 |
12,3995 |
1,50 |
560,83 |
|
120 |
383,1334 |
1,17936 |
2,833e-6 |
25,1785 |
1,47 |
576,26 |
При посадке саженцев сосны А = 0 нужен кальций: 3,36147 – 0,48275 ≈ 2,9 кг/га.
Удобрение лесной почвы до оптимальной концентрации оксида кальция позволяет достичь максимума (рис. 2) объема стволовой древесины по формуле
, (4)
,
,
,
.
Сосняки после 100-летнего возраста входят в «ступор», т.е. в сильное колебание по запасу. Это означает [5, 6], что сосняки запоздали с возрождением новых поколений сосен.
Этот биотехнический эффект хорошо заметен на рис. 3 по динамике удельной продуктивности древесины на единицу концентрации кальция 
по формуле
, (5)
, 
,
, 
,
, 
,
.
Тренд продуктивности сосняка по запасу древесины
Общий график динамики запаса по модели (4)
Рис. 2. Динамика максимума запаса сосняка по древесине при оптимальном содержании кальция в почве
Тренд и вторая волна срыва запаса древесины
Первая кризисная волна запаса стволовой древесины
Рис. 3. Динамика отношения максимума запаса сосняка к оптимальному содержанию кальция в почве
Уравнение (5) позволяет утверждать о влиянии кальциевой революции Вселенной [5, с. 60–63] на поведение сосняков Южной Финляндии по состоянию на 1916–1918 гг.
Нами выдвигается гипотеза о том, что первая составляющая модели (5) отражает последствия влияния кальциевой революции на сосняки. Поэтому этот экспоненциальный закон роста задан соснам на генетическом уровне. Кризисная (отрицательный знак) вторая составляющая показывает влияние фенотипа, то есть в сосняках естественного происхождения происходит кризисная колебательная адаптация генотипа сосны к фенотипу, т.е. к условиям места произрастания. В момент прорастания семени сосны период колебания генетически задан в 2×101,6942 ≈ 203,4 года. Однако известно [9, 10], что отдельные особи растения генетически неоднородны. Поэтому запрограммированная продолжительность активной жизнедеятельности в среднем 203,4 года для всей популяции сосен древостоя корректируется условиями произрастания, прежде всего, химическими веществами почвы, у каждой сосны.
Третья составляющая модели (5) позволяет обособленно рассматривать совместное влияние генотипа и фенотипа для 240 сосняков. Она показывает, что амплитуда колебательного возмущения двух энергий (генотипа и фенотипа) с возрастом сосняков быстро нарастает, а период колебания снижается, начиная от 40 лет в момент проростков сосны. В итоге поведение сосняков аналогично аварии двигателя внутреннего сгорания (двигатель идет в разнос), но только гораздо медленнее и десятилетиями, а не секундами. Но содержательно в лесах и двигателях происходят одинаковые по смыслу разрушительные процессы.
Влияние азота. Общее уравнение (табл. 4) дается уравнением (
= 0,860...3,315 кг/га)
, (6)
где показатель Vmax дается при условии N = Nopt.
Гипотеза: древостой формирует почву с высоким содержанием азота, и только затем в естественных условиях появляются всходы новых особей. До достижения сосняка биологически зрелого возраста слой опада и гумуса толстый и поэтому задерживает появление новых всходов. И только после переработки опада микроорганизмами и грибами появляется возможность новых древесных растений.
Эта гипотеза подтверждается (рис. 4) несколькими уравнениями, по данным табл. 4:
; (7)
. (8)
Таблица 4
Влияние азота (кг) на запас (м3)
|
A, лет |
Параметры формулы (6) |
Оптимум |
|||
|
a1 |
a2 |
a3 |
Nopt |
Vmax |
|
|
10 |
4,87186 |
1,30054 |
0,060645 |
21,45 |
71,50 |
|
20 |
40,31789 |
4,77255 |
1,56218 |
3,06 |
70,40 |
|
30 |
105,9987 |
6,00419 |
2,08778 |
2,88 |
148,68 |
|
40 |
158,6516 |
5,55359 |
1,92713 |
2,88 |
219,45 |
|
50 |
187,5432 |
4,80209 |
1,61648 |
2,97 |
287,27 |
|
60 |
211,1322 |
4,26279 |
1,39357 |
3,06 |
349,23 |
|
70 |
235,9488 |
3,80980 |
1,21379 |
3,14 |
408,13 |
|
80 |
256,0094 |
3,39443 |
1,05066 |
3,23 |
460,07 |
|
90 |
272,3131 |
3,03207 |
0,91130 |
3,33 |
502,61 |
|
100 |
282,8193 |
2,76404 |
0,80499 |
3,43 |
539,44 |
|
110 |
285,4030 |
2,43609 |
0,67485 |
3,61 |
569,59 |
|
120 |
283,1437 |
2,14005 |
0,55656 |
3,85 |
594,75 |
По формуле (7) для всходов вне древостоя нужно громадное содержание азота. Для 10-летних сосенок нужен азот 21,45 кг/га. И только к 20-летнему возрасту общий азот составляет 3,06 кг/га. А из уравнения (8) следует, что для всходов сосны нужна лесная среда с запасом не менее 51,6 м3/га. Тогда, по таблице хода роста [3], получены значения возраста сосняка для появления подроста: тип леса ОМТ – 17; МТ – 19; VT – 22; СТ – 33; CIT – 64 года.
Биотехнический эффект колебательного возмущения на рис. 4 хорошо заметен по динамике удельной продуктивности древесины на единицу азота 
по формуле
, (9)
, 
,
, 
.
Со 110 лет намечается снижение продуктивности, но позитивная колебательная адаптация на азот возрастает (амплитуда), а волна успокаивается (период от 14,2 лет и выше).
Влияние калия. В интервале 
запас изменяется (табл. 5) по формуле
. (10)
Видно: действуют две силы – экспоненциальный рост и показательный кризис запаса.
Динамика оптимума калия и максимума запаса дается (рис. 5) закономерностями:
,
, 
; (11)
,
, 
. (12)
Таблица 5
Влияние оксида калия на динамику запаса стволовой древесины сосняков
|
Возраст A, лет |
Параметры закономерности (10) |
Оптимум оксида калия |
|||||
|
a1 |
a2 |
a3 |
a4 |
K2Oopt, кг/га |
Vmax, м3/га |
|
|
|
10 |
6,92531e-7 |
0,040015 |
1,25863e-55 |
21,26881 |
497 |
19,46 |
0,0392 |
|
20 |
6,94713e-6 |
0,038116 |
8,16407e-53 |
20,44686 |
499 |
64,83 |
0,1299 |
|
30 |
4,16007e-5 |
0,035729 |
1,76090e-49 |
19,30657 |
485 |
142,64 |
0,2941 |
|
40 |
0,21725 |
0,016589 |
1,91107e-28 |
11,32903 |
473 |
171,26 |
0,3621 |
|
50 |
0,0023989 |
0,027273 |
9,76638e-42 |
16,39461 |
490 |
283,55 |
0,5787 |
|
60 |
0,0012037 |
0,029564 |
3,30008e-43 |
17,01860 |
490 |
350,37 |
0,7150 |
|
70 |
0,00022690 |
0,034200 |
2,70839e-47 |
18,64468 |
486 |
407,06 |
0,8376 |
|
80 |
0,00012721 |
0,035930 |
4,66453e-49 |
19,34619 |
485 |
466,06 |
0,9609 |
|
90 |
0,00012481 |
0,036234 |
2,81308e-49 |
19,44939 |
484 |
510,73 |
1,0552 |
|
100 |
0,00012967 |
0,036320 |
2,59366e-49 |
19,47566 |
484 |
547,87 |
1,1320 |
|
110 |
0,0083317 |
0,025976 |
4,70246e-40 |
15,86427 |
492 |
570,01 |
1,1586 |
|
120 |
0,00086144 |
0,031944 |
1,93913e-44 |
17,61807 |
487 |
578,32 |
1,1875 |
, м3/кг
Динамика оптимальной концентрации азота
Динамика максимума запаса стволовой древесины
Динамика возмущения удельной продуктивности
Динамика удельного запаса на 1 кг азота
Рис. 4. Динамика оптимума азота, запаса и удельной продуктивности сосняка на 1 кг азота в почве
Динамика оптимальной концентрации калия
Динамика максимума запаса стволовой древесины
Кризисное возмущение удельной продуктивности
Динамика удельного запаса на 1 кг оксида калия
Рис. 5. Динамика оптимума калия, запаса и удельной продуктивности сосняка на 1 кг калия в почве
При условии А = 0 для всходов вне древостоя калия необходимо более в 8 раз. В возрасте 20–50 лет происходит резкий волновой спад потребления калия. Этот импульс мало сказывается на динамике запаса. Период 30–40 лет есть наиболее продуктивный для появления подроста. В разновозрастном сосняке вполне имеются материнские сосны. После 50 лет в сосняке происходит усиление конкуренции у взрослых особей с молодняком. Сосенки получают при оптимальной концентрации калия период жизни в 2×361,7 = 723,4 года. По запасу, наоборот, подрост получает старт 2×0,6 = 1,2 года, если не будет съеден по верхушке.
Удельный запас сосняка на 1 кг оксида калия 
дается уравнением
, (13)
, 
,
, 
.
Удельная продуктивность имеет кризисное возмущение в период 10–80 лет. Далее калий влияет на сосняки спокойно, так как период колебания с 20,2 лет, по (13), нарастает.
Заключение
Технологический форсайт [1] в ландшафтном строительстве может быть реализован только на основе знаний о закономерностях поведения, в частности, по влиянию почвы на древостои. Энергетический импульс научно-технологических инноваций [7] будет возникать только на основе научно обоснованного управления земельным фондом [8], на котором должны быть рационально распределены лесные земельные участки.
А для выявления таких биотехнических закономерностей нужны данные измерений без их группировок, по соответствию проб почвы параметрам древостоя. Лучше всего брать пробы почвы и замерять параметры лесных деревьев одновременно. Тогда каждый древостой со своей почвой измеряется общим множеством таксационных и биохимических параметров, получается, что вещество почвы может заменить типизацию.
Сумма веществ почвы, по данным табл. 2, показывает, что все три представленных биохимических вещества (кальций, азот и калий) должны быть в конкретном сосняке не меньше, чем это показано в таблицах и формулах биотехнических закономерностях. И тогда можно ожидать высокого запаса древостоя.