Продуктивність рівнинних букових лісів та особливості організації сталого господарства в них

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ

І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

УДК [630*64: 630*176.322.2] (477)

ПРОДУКТИВНІСТЬ РІВНИННИХ БУКОВИХ ЛІСІВ ТА ОСОБЛИВОСТІ ОРГАНІЗАЦІЇ СТАЛОГО ГОСПОДАРСТВА В НИХ

06.03.02 - лісовпорядкування та лісова таксація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора сільськогосподарських наук

Миклуш Степан Іванович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі лісової таксації та лісовпорядкування Національного лісотехнічного університету України Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “13” лютого 2009 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.09 у Національному університеті біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041 м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28

Автореферат розісланий “9” січня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.Г. Лащенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Лісове господарство України переходить до сталого управління лісами на засадах неперервного, багатофункціонального, раціонального використання лісових ресурсів. Одним із головних його завдань є збереження лісів та їхнього біорізноманіття, примноження та раціональне використання усіх функцій лісів. Опрацювання та реалізація положень багатоцільового використання лісових ресурсів, сталого ведення лісового господарства, планування та управління лісовим господарством повинні базуватись на досконалій системі обліку лісових ресурсів, їх оцінці та прогнозі розвитку.

Сучасне лісовпорядкування неможливе без використання комп'ютерної техніки та застосування новітніх інформаційних технологій. Їхнє впровадження спричинило суттєві зміни в організаційній структурі, технології та методичних підходах до оброблення даних лісотаксаційної інформації, яку зібрано наземними та дистанційними засобами. Матеріали дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) відкривають нові перспективи для лісовпорядкування, лісоінвентаризації, оскільки є менш часо- та ресурсозатратними, однак ефективне використання космічних знімків для класифікації лісових ділянок та їхнього лісотаксаційного дешифрування потребує вдосконалення теоретичних та практичних засад, опрацювання нових підходів та методик. Ефективність лісовпорядкування зростає, якщо поєднувати наземну та дистанційну інформацію. Створення сучасної інформаційно-картографічної системи управління лісовими ресурсами потребує застосування автоматизованої обробки даних для обліку лісів та біометричних і математико-статистичних методів аналізу взаємозв'язків між різними показниками досліджуваних об'єктів.

Рівнинні букові деревостани поширені на значній території України, мають вагоме економічне, екологічне та соціальне значення. Опрацювання лісогосподарських заходів, що враховують багатофункціональне значення букових лісів, забезпечують раціональне їх використання та відтворення, збереження біорізноманіття, базується на об'єктивній інформації про їх поширення, особливості росту та стану, багаточисельні біогеоценотичні взаємозв'язки. Моделі взаємозв'язків мають об'єктивно відображати різні аспекти розвитку букових насаджень і характер їх росту під впливом природних та антропогенних факторів, оскільки більшість рівнинних букових лісостанів унаслідок господарської діяльності формуються за зниженої повноти.

Поглиблене вивчення закономірностей росту модальних букових лісостанів має особливе значення для здійснення неперервного лісовпорядкування та організації багатофункціонального господарства на засадах сталого розвитку, оскільки враховує не тільки сучасний стан насаджень, але і їхню динаміку. Важливою складовою оцінки існуючого стану насаджень є створення нормативів продуктивності модальних букових деревостанів, головними із яких є таблиці ходу росту модальних деревостанів та біологічної продуктивності.

Системний підхід до ефективного вирішення поставленої проблеми у рівнинних букових лісах вимагає розроблення математичних моделей основних таксаційних ознак лісостанів, опрацювання нових підходів дистанційної оцінки лісових ділянок та букових деревостанів, врахування економічних, екологічних та соціальних функцій букових лісів під час організації господарства в них. Тому розроблення таксаційних нормативів обліку та оцінки рівнинних букових лісів, методичних підходів їх дешифрування за матеріалами космічних знімків, опрацювання основних напрямів організації багатоцільового використання лісових ресурсів рівнинних букових лісів та сталого господарства в них є важливою та актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження здійснено поетапно в рамках таких науково-дослідних тем: „Розробити принципи регіонального лісотипологічного моніторингу з інформаційною базою на основі наземних та дистанційних даних” (1991-1993 рр., № держреєстрації 0193U033946); „Опрацювання нормативів для обліку лісових ресурсів та оцінки їх стану” (1992-1994 рр., № держреєстрації 0194U023595); „Розробка комплексної оцінки лісових ресурсів та основ організації багатоцільового господарства (на прикладі лісів заходу України)” (1995-1997 рр., № держреєстрації 0195U007031); „Багатомірна оцінка структури і динаміки фітомаси деревостанів для вдосконалення інвентаризації лісових ресурсів (на прикладі лісів заходу України)” (1998-2000 рр., № держреєстрації 0198U002977); „Наукові засади оцінювання стану лісів для організації неперервного лісокористування в зоні інтенсивного ведення лісового господарства” (2001-2003 рр., № держреєстрації 0101U001749); „Наукові засади створення карти лісів заходу України за матеріалами дистанційного зондування” (2007-2008 рр., № держреєстрації 0106U012594), до виконання яких дисертант залучався як відповідальний виконавець та виконавець розділів.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - розробити теоретичні та методичні основи моделювання росту і продуктивності рівнинних букових деревостанів, засади дешифрування їх зображення на сканерних космічних знімках та напрями організації багатоцільового використання лісових ресурсів і сталого господарства у рівнинних букових лісах України. Завдання досліджень передбачали:

- розроблення теоретичних і методичних основ та алгоритму моделювання росту і продуктивності модальних букових деревостанів;

- опрацювання нормативів росту та продуктивності рівнинних модальних букових деревостанів з урахуванням типів лісу;

- формулювання методичних засад дешифрування лісових ділянок та букових насаджень рівнинної частини;

- аналіз функцій рівнинних букових лісів;

- обґрунтування напрямів організації багатоцільового використання лісових ресурсів та сталого господарства в рівнинних букових лісах.

Об'єкт дослідження - процеси росту в букових деревостанах та формування їх зображень на сканерних космічних знімках.

Предмет дослідження - закономірності зміни з віком таксаційних показників і продуктивності рівнинних модальних деревостанів бука європейського (Fagus sylvatica L.), особливості відображення на сканерних космічних знімках букових насаджень та організація сталого господарства в них.

Методи дослідження. Теоретичні та методичні дослідження здійснювали із застосуванням системного підходу з використанням сучасної комп'ютерної техніки. Використано різноманітні лісівничі, таксаційні, біометричні методи досліджень, зокрема - перелікової таксації, порівняльної екології, математичної статистики та математичного моделювання, а також лісотаксаційного дешифрування матеріалів космічних знімків.

Наукова новизна одержаних результатів. На засадах системного підходу вперше опрацьовані теоретико-методологічні основи та розроблено алгоритм практичної реалізації оцінки, прогнозу росту та продуктивності модальних букових деревостанів рівнинної частини України. Доповнено методичні засади побудови таблиць ходу росту модальних насаджень на типологічній основі з використанням повидільної бази даних. Встановлено, що в межах типу лісу особливості росту рівнинних букових деревостанів визначаються їх походженням та характером лісогосподарських заходів. Природні насіннєві букові деревостани характеризуються звичайним, а штучні букові насадження - уповільненим у молодому віці типами росту у висоту. Побудовано таблиці ходу росту й фітомаси модальних рівнинних букових насаджень у найпоширеніших типах лісу.

Доповнено наукові засади дешифрування зображень лісових ділянок за космічними знімками рівнинної частини України. Вони базуються на визначеній найінформативнішій комбінації каналів космічних знімків Landsat і Spot та використанні доцільного параметричного правила здійснення контрольованої класифікації для дешифрування насаджень - максимальної правдоподібності.

Вперше опрацьовано класифікацію функцій рівнинних букових лісів. Кожна із 52 виділених функцій має важливе екологічне, економічне та соціальне значення, а їх пріоритетність визначається особливостями регіону, площею і станом насаджень та призначенням лісів. Запропоновано напрями організації сталого багатоцільового господарства в рівнинних букових лісах:

- охорона та збереження маргінальних популяцій бука європейського;

- природне відновлення рівнинних букових лісів;

- організація наближеного до природи ведення лісового господарства;

- формування полідомінантних букових насаджень відповідно до типів лісу;

- інформаційне забезпечення про стан та продуктивність насаджень;

- застосування критеріїв та індикаторів сталого лісового господарства;

- сертифікація лісів;

- організація лісовпорядкування;

- моніторинг лісових ресурсів;

- заготівля деревини.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені нормативи та засади організації багатоцільового лісового господарства в рівнинних букових лісах застосовують Львівська державна лісовпорядна експедиція виробничого об'єднання «Укрдержліспроект» та державні лісогосподарські підприємства Львівського та Тернопільського обласних управлінь лісового та мисливського господарства.

Для практичного використання рекомендовано:

- алгоритм обчислення та комплекс математичних моделей динаміки основних таксаційних показників модальних рівнинних букових насаджень за типами лісу;

- алгоритм дешифрування зображень лісових ділянок для інвентаризації рівнинних лісів та букових насаджень;

- класифікацію функцій рівнинних букових лісів;

- організаційні основи лісового господарства в рівнинних букових лісах на засадах багатоцільового використання їх ресурсів залежно від основних виконуваних лісами функцій.

Отримані результати досліджень застосовують у навчальних дисциплінах: „Біометрія”, „Лісова таксація”, „Аерокосмічні методи в лісовому господарстві”, „Лісовпорядкування” та „ГІС в лісовому господарстві” для підготовки бакалаврів за напрямом «Лісове та садово-паркове господарство» та спеціалістів і магістрів за спеціальністю „Лісове господарство”.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом багаторічних лісівничих та лісотаксаційних досліджень дисертанта. Автору належить постановка проблеми, визначення мети та завдань досліджень, розроблення теоретико-методичних засад побудови таблиць ходу росту залежно від типів лісу за матеріалами повидільної бази даних, моделей росту та фітомаси рівнинних модальних букових насаджень, методичних положень дешифрування лісових ділянок та букових насаджень за матеріалами сканерних космічних знімків, класифікація функцій рівнинних букових лісів та формулювання напрямів організації сталого багатоцільового лісового господарства в них. Автор здійснив узагальнення теоретичних і практичних положень, написав та оформив текст дисертації, обґрунтував висновки за результатами досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати досліджень та висновки дисертаційної роботи апробовано на 9 наукових конференціях, семінарах, симпозіумах, читаннях, зокрема: на 6-ти міжнародних (Львів, 1995, 1997, 1999; Мінськ, 1998; Чернівці, 2003; Харків, 2005), 3-х вузівських (Львів, 1994; Київ, 2006, 2007).

Публікації. Результати досліджень висвітлені у 38 наукових працях. У збірниках наукових праць опубліковано 26 статей, з них 24 статті у наукових фахових виданнях та 10 публікацій у матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, рекомендацій виробництву, додатків, списку використаних джерел. Бібліографічний список містить 512 джерел, з них 80 іноземною мовою. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 349 сторінках машинопису, зокрема основний текст - на 268 сторінках. Робота містить 40 таблиць і 41 рисунок. Обсяг додатків - 20 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Рівнинні букові ліси в контексті сталого ведення господарства. Зважаючи на багатофункціональність лісів необхідно здійснювати ефективне лісоуправління та застосовувати такі способи ведення лісового господарства, які забезпечували б їхнє біологічне різноманіття, життєздатність, продуктивність, здатність до відновлення і потенційну можливість виконання корисних для людини функцій. Стале управління лісами передбачає багатоцільове, неперервне та невиснажливе використання лісових ресурсів, функцій та корисностей лісів, які мають ринкову вартість (деревина, інша продукція рослинного світу в лісах), а також тих ресурсів і корисностей, які не достатньо оцінені (рекреаційні, санітарно-гігієнічні, водоохоронні, ґрунтозахисні функції тощо). На необхідність системного підходу оцінки та використання лісових ресурсів наголошують Ю.Ю. Туниця (1976), А.З. Швиденко (1981), В.І. Парпан (1994), П.І. Лакида (2002), Я.В. Коваль та ін. (2002), В.Ю. Юхновський (2003), Г.Т. Криницький та ін. (2004), інші дослідники.

Сучасні погляди на роль лісів не лише як на джерело деревини та лісової продукції, але і як на вагомий середовищетвірний, захисний та природоохоронний чинник, потребують перегляду існуючих та розроблення нових стратегічних підходів щодо організації та ведення лісового господарства. Важлива роль у вирішенні цих проблем належить рівнинним буковим лісам.

Особливості поширення лісів з участю бука європейського в Україні та їх екологічне значення детально проаналізовано у роботах М.Є. Ткаченка (1939), Г.Ф. Морозова (1949), М.Н. Косця (1947), С.С. П'ятницького (1960), В.І. Білоуса (1962, 1995), П.С. Погребняка (1963), К.К. Смаглюка (1964), С.В. Шевченка (1964), П.І. Молоткова (1966, 1972), О.І. Бутейко (1975), Ю.Р. Шеляг-Сосонко та Я.П. Дідуха (1978), С.В. Мальцева (1980), Г.Л. Тишкевич (1984), В.К. М'якушка та Х. Ахмада (1993), В.І. Парпана (1994), В.І. Парпана та С.М. Стойка (1995), І.М. Сопушинського (2001), І.М. Попадинця (2002), І.С. Ільківа (2004), Р.М. Вітра (2004), Г.Т. Криниць-кого та ін. (2004), О.М. Корінько (2004), В.М. Куриляка (2007). Автори наголошують, що у рівнинних умовах формуються високопродуктивні букові деревостани, а східна межа поширення бука зумовлюється його біологічними особливостями, антропогенними та кліматичними факторами. Рівнинні букові ліси різнобічно вливають на охоплену площу та навколишню територію. Вони затримують опади, регулюють стік води, скріплюють ґрунт та поліпшують його структуру, формують краєвид та клімат середовища тощо.

Зважаючи на цінність букових насаджень, їхнє господарське значення, роль у біосфері та поширення, необхідно опрацювати нормативи оцінки площ та запасів букових насаджень наземними та дистанційними методами, заходи щодо їхнього раціонального використання, збереження біорізноманіття, охорони та забезпечити стале ведення господарства в букових лісах.

Розділ 2. Методологічні та методичні аспекти збору та опрацювання експериментальних даних. Системний підхід передбачає необхідність комплексного вивчення букових насаджень та забезпечує вирішення дисертаційних проблем.

Не вникаючи в понад столітню дискусію наукових лісівничих та лісотаксаційних шкіл про переваги й недоліки типологічної та бонітетної основ оцінки та моделювання росту насаджень, у межах цієї роботи за методологічну основу досліджень взято твердження, що ріст і продуктивність насаджень, нагромадження фітомаси, захисні, охоронні, киснепродукувальні, вуглецедепонувальні та інші функції визначаються лісорослинними умовами.

Зважаючи на географічне поширення насаджень з участю бука у межах рівнинної частини України та завдання роботи, дослідження здійснено на основі матеріалів повидільної бази даних „Лісовий фонд України", тимчасових та стаціонарних пробних площ, моніторингових площадок, літературних джерел опису букових насаджень різними дослідниками.

Постійні та тимчасові пробні площі закладено за загальноприйнятою методикою (Н.П. Анучин, 1982; ОСТ 56-69-83). Лабораторні дослідження над зрізами зі стовбурів і гілок крони та таксацію компонентів фітомаси насаджень виконано за методикою П.І. Лакиди (2002).

Для успішної інвентаризації лісів на основі космічних знімків поєднано матеріали дистанційних методів з наземними дослідженнями. Сканерні космічні знімки Landsat-7 та Spot використано для дослідження букових насаджень рівнинної частини України.

Для дешифрування космічних знімків застосовано кілька методик: класифікація на основі тестових даних, класифікація на основі бази знань, сегментація або кластерний аналіз та ін.

Матеріали дистанційних методів спостережень дають змогу штучно створити додаткові канали. Це важливо для роботи зі сканерними знімками системи SPOT, де через невелику кількість зон знімання (3 зони) виникає потреба у використанні додаткової інформації, яку створюють шляхом алгебраїчних комбінацій каналів зображення. Найпоширенішим і найпридатнішим для диференціації рослинного вкриття є використання вегетаційного коефіцієнта NDVI, додаткового каналу, створеного на підставі червоної та інфрачервоної зон спектра. Створення додаткового каналу для підвищення інформативності зображення є важливим і необхідним етапом попередньої підготовки зображення для подальшого його опрацювання. Він дає змогу посилити корисні ознаки і цим значно підвищити точність автоматизованої цифрової класифікації.

Для отримання тематичної карти („лісової маски”) на першому етапі досліджень відокремили лісові ділянки, вкриті лісовою рослинністю, від невкритих шляхом класифікації зображення на основі бази знань, яка поєднує візуальне дешифрування з тестовими даними (рис. 1).

Виділення „лісової маски” можна виконувати з попередньою сегментацією космічного знімка. Для класифікації лісових ділянок без попередньої сегментації користувач формує алгоритм рішення, яким визначає гіпотезу, правило та умови, за яких буде справджуватися гіпотеза.

Перевірку результатів дешифрування лісових ділянок здійснено за топографічними картами масштабу 1:100000.

На основі створеної „лісової маски”, після її відображення на космічному зображенні, виконано автоматизовану інтерпретацію зображення двома методами: контрольованої та неконтрольованої класифікації.

Для дешифрування космічних знімків методом контрольованої класифікації здійснено попередню оцінку представлення типів земної поверхні на зображенні за створеними класовими ознаками, які сформовано на основі наземних даних, картографічних матеріалів, фотоінтерпретації тощо. Класові ознаки призначені для визначення спектральних властивостей об'єктів кожного класу і є в основі дешифрування зображення. Залежно від розмірів космічного знімка, який аналізується, тренувальні дані мають становити до 5% всіх пікселів.

Програмний продукт ERDAS Imagine дає змогу оцінити створені класові ознаки різними способами, а найуживанішими є способи на основі спектральної відстані між класами (Евклідова відстань, просте чи трансформоване відхилення, відстань Дженіфер-Матушица тощо) та випадкової матриці. Чим більше абсолютне значення відстані між класами, тим краще вони класифікуються.

Оцінювати точність виконаної класифікації можна на основі наявних картографічних матеріалів. Результати перевірки представляють у вигляді матриці помилок, яка порівнює дані картографічних матеріалів лісовпорядкування та проведеної класифікації. Матрицю помилок використано для обчислення показників точності 1 і 2, які визначають відсоток правильно дешифрованих пікселів ознаки серед однорідних та неоднорідних ознак та повної точності класифікації.

Під час iєрархiчної класифікації зображень крупніші категорії розділено на дрібніші за схемою: лісовий фонд - землі лісогосподарського призначення - вкриті лісовою рослинністю лісові ділянки - насадження за групами порід - насадження за групами віку.

Для виконання досліджень використано програмні засоби, призначені для опрацювання зображень на персональних комп'ютерах: Erdas Imagine з основними модулями (Erdas OrthoBase, Virtual GIS та ін.) та програмне забезпечення ARC/Info, ARC/VIEW, ARC/GIS.

Розділ 3. Лісівничо-таксаційна характеристика експериментальних даних. Досліджено насадження рівнинної частини України з участю бука європейського, що ростуть у Вінницькій, Волинській, Житомирській, Закарпатській, Івано-Франківській, Київській, Львівській, Рівненській, Сумській, Тернопільській, Хмельницькій, Черкаській та Чернівецькій областях. Дослідженнями охоплені природні і штучні, корінні та похідні букові насадження, що ростуть на східній межі природного поширення бука європейського та острівні місцезнаходження.

Дослідження базуються на 26840 таксаційних описах насаджень із повидільної бази даних „Лісовий фонд України", 8 постійних та 46 тимчасових пробних площ, на яких зрубано та обміряно 196 модельних дерев. Для виділення вкритих лісовою рослинністю лісових ділянок використано матеріали 120 моніторингових пробних площадок, у яких відстань між сусідніми площадками (растр) становить близько 8Ч8 км.

За даними обліку лісового фонду станом на 1 січня 1996 року, площа рівнинних насаджень з участю бука європейського дорівнює 165905,7 За винятком площ заповідних, міжгосподарських та військових підприємств. га (табл. 1). Переважають природні насіннєві насадження, частка яких за площею становить 79,2% рівнинних насаджень з участю бука європейського, а площа лісових культур з участю бука становить 17,3%. Площа насаджень, де бук переважає у складі, становить 104816,7 га, з них понад 73,6% - насадження природного насіннєвого походження. У рівнинних умовах на значних площах ростуть насадження з невеликою часткою бука європейського в складі, зокрема 18,2% площ становлять деревостани з однією одиницею бука в складі (рис. 2). Майже удвічі меншу площу охоплюють чисті букові насадження. Понад 57,5% насаджень мають у складі 5 та більше одиниць бука.

Таблиця 1

Таксаційні показники насаджень з участю бука європейського

На відміну від природних букових насаджень, у складі яких беруть участь як домішка декілька порід (переважно - дуб звичайний, граб звичайний, береза повисла, осика), у лісових культурах разом з буком ростуть хвойні та листяні породи (у складі окремих насаджень до десяти порід), аборигени та екзоти. Частка бука в складі насаджень збільшується зі зростанням їх віку не залежно від походження. У бучинах з віком формуються чисті букняки. Значна частка букових культур створена в дубових типах лісу.

Розподіл площ та запасів рівнинних букових насаджень за класами та групами віку нерівномірний, має свої особливості залежно від походження насаджень. Молодняки переважають у лісових культурах (77,9%), а середньовікові деревостани - у природних букняках. Насіннєві насадження залежно від лісорослинних умов, лісогосподарських заходів, взаємовпливу порід, що формують насадження, характеризуються переважно Іb...ІІІ класами бонітету за Орловим, а вегетативні букняки зростають за ІІ та ІІІ класами бонітету. Серед насіннєвих деревостанів переважають букняки І класу бонітету (майже 70%).

Розподіл площ рівнинних букових насаджень різного походження за відносною повнотою вказує на значне переважання середньоповнотних насаджень та невелику частку високоповнотних (рис. 3). Майже 60% букових культур та половина природних насіннєвих насаджень (49,3%) росте за відносної повноти 0,7.

Бук поширений у свіжих, вологих і сирих гігротопах та, зазвичай, у сугрудових і грудових трофотопах. Однак у невеликій кількості трапляється також у сугрудуватих суборах та сухих дібровах. Майже 85,4% рівнинних насаджень з участю бука росте в грудових типах лісу та 14,5% - у сугрудових. Понад 56% насаджень з переважанням бука формується у багатих грудових типах і тільки 6,7% - у бідніших сугрудових типах лісу. Переважають насадження з участю бука у свіжих гігротопах. У них росте більше половини (50,4%) насаджень з участю бука та формується третина букових насаджень.

Природні насіннєві насадження з участю бука ростуть у 44 типах лісу, лісові культури за його участі створені в 41 типі лісу, а порослеві деревостани - у 33 типах лісу. Природні букові деревостани формуються у 38 типах лісу, букові культури створені у 37 типах лісу, а порослеві букняки переважають лише у 12 типах лісу.

У досліджуваному регіоні бук європейський формує 16 типів лісу: свіжі та вологі грабові субучини, свіжі та вологі дубово-грабові субучини, свіжі та вологі грабово-соснові субучини, свіжі та вологі ялицеві субучини, вологі ялиново-ялицеві субучини, свіжі та вологі грабові бучини, свіжі та вологі дубово-грабові бучини, свіжі та вологі ялицеві бучини, вологі грабово-ялицеві бучини. Найпоширенішими типами лісу є свіжі та вологі дубово- грабові бучини.

Середні площі таксаційних виділів змінюються в межах 4,3-7,9 га. Поступове зменшення площ виділів свідчить про їх подрібнення. Водночас, наведені дані свідчать про можливість підбору однорідних репрезентативних

ділянок для закладання пробних площ та достовірну оцінку таксаційних показників деревостанів.

Природні насадження характеризуються найвищим середнім віком - 70 років. Середній вік порослевих букових лісостанів - 51 рік, а лісових культур - лише 28 років. Досліджуваним насадженням властиві близькі середні значення відносної повноти, яка перебуває в межах 0,67-0,73 та характеризується незначною мінливістю.

Розділ 4. Динаміка росту та продуктивності модальних букових деревостанів. Велике різноманіття лісорослинних умов, де бук європейський росте та формує високопродуктивні деревостани, потребує опрацювання достовірних таксаційних нормативів та відповідних лісогосподарських заходів ведення господарства на типологічній основі. Існуючі таблиці ходу росту букових насаджень України, в основному, побудовані на бонітетній основі та відображають ріст і продуктивність нормальних деревостанів (М.В. Давидов, 1949; К.К. Смаглюк, 1964; И.П. Дмитриев, 1967; А.О. Тшук, М.С. Грицюк, 1974; Я.О. Сабан, О.О. Фелів, 1977; А.З. Швиденко и др., 1987; В.М. Куриляк, 2007).

Інтенсивні лісогосподарські заходи у рівнинних букових насадженнях позначились на формуванні їх повноти, характері росту у висоту, за діаметром та запасах. Букові деревостани формуються за середньої відносної повноти, які мають тенденцію до її зниження зі зростанням віку. Крім того, рівнинні букові насадження, в основному, мішані, а опрацьовані нормативи відображають хід росту чистих букових деревостанів. Цим зумовлена необхідність опрацювання нормативів найпоширеніших середньоповнотних (модальних) букових насаджень за типами лісу, таблиці ходу росту яких відсутні.

Встановлено, що особливості росту букових насаджень різних типів лісу за основними таксаційними ознаками визначаються їх походженням, складом та повнотою насаджень. Кореляція між таксаційними ознаками насаджень різного походження за повидільною базою даних свідчить, що для моделювання повноти лісостанів доцільно використати множинну залежність її від віку та середніх висоти і діаметра, а моделювання росту за іншими ознаками виконувати з урахуванням типів лісу.

На 5%-му рівні значимості не виявлено достовірної різниці в рості модальних рівнинних букових насаджень за основними таксаційними показниками свіжих дубово-грабових та грабових бучин, вологих грабових та дубово-грабових бучин, свіжих буково-грабових та букових дібров та підтверджено відмінності в рості природних насіннєвих та штучних насаджень найпоширеніших типів лісу.

Підходи системного аналізу (К.К. Буш, 1975; С.А. Дыренков, 1975; И.Я. Лиепа, 1971; А.З. Швиденко, 1981, 1983), окремі положення з оцінки росту та складання таблиць ходу росту насаджень (А.В. Тюрин, 1913; Н.Н. Орлов, 1925; М.В. Третьяков, 1937; К.Е. Никитин, 1966; Н.Н. Свалов, 1979; Н.П. Анучин, 1982; В.В. Загреев, 1978; М.В. Давидов, 1987; В.С. Моисеев, А.Г. Мошкалев, И.А. Нахабцев, 1968) використано для вивчення рівнинних букових насаджень.

Матеріали повидільної бази даних застосовано для складання таблиць ходу росту насаджень за типами лісу. Процес опрацювання матеріалів суттєво спрощує використання програмного забезпечення SPSS. Пропонуємо такий алгоритм побудови нормативів:

- відібрати з повидільної бази даних лісовпорядкування таксаційні описи деревостанів досліджуваного регіону за породами та типами лісу;

- виокремити корінні (похідні) деревостани в межах досліджуваного типу лісу;

- верифікувати достовірні матеріали таксаційних описів на підставі коректних взаємозв'язків між таксаційними показниками деревостанів;

- встановити середні значення, основні помилки та точність визначення основних таксаційних показників насаджень досліджуваного типу лісу;

- зі врахуванням площ, що зайняті насадженнями різного складу, встановити динаміку складу насаджень;

- на підставі матеріалів повидільної бази даних, постійних або тимчасових пробних площ встановити такі таксаційні ознаки:

- з використанням ростових функцій за матеріалами постійних пробних площ чи модельних дерев тимчасових пробних площ моделювати динаміку середньої висоти деревостанів;

- за взаємозв'язком між середньою висотою та таксаційними показниками деревостанів встановити математичні залежності динаміки середнього діаметра, відносної повноти та видового числа;

- з використанням регіональних таблиць ходу росту через відносну повноту встановити абсолютну повноту досліджуваних насаджень;

- кількість стовбурів на 1 га, запас, середню та поточну зміну запасу деревостану визначити за відомими таксаційними залежностями;

- за матеріалами пробних площ встановити середні таксаційні показники (діаметр, висота, об'єм дерев та запас) відпаду;

- визначити загальну продуктивність як суму запасу деревостану та відпаду у кожному десятиріччі.

Розроблені математичні моделі можна подати як в аналітичній, так і в табличній формі. Точність встановлених таксаційних показників насаджень у таблицях ходу росту визначається чисельністю вибірки.

Математичне моделювання основних показників росту букових насаджень базується на загальних положеннях регресійного аналізу (Н. Дрейпер, Г. Смит, 1973) зі врахуванням особливостей використання ЕОМ для моделювання росту насаджень (К.Е. Никитин, 1972; В.В. Антанайтис, 1977; А.З. Швиденко, 1977, 1981, 1983; А.А. Строчинський, 1992; П.І. Лаки-да, 2002; В.Ю. Юхновський, 2003; В.М. Володимиренко, 2006 та інші).

Доцільні математичні моделі динаміки таксаційних показників рівнинних букових деревостанів встановлено після детального аналізу різних функцій (логістичних, Річардса (F.J. Richards, 1969), Гомпенртза (В. Gompenrtz, 1825), Корфа (V. Korf, 1972), Леваковіча (A. Levakovic, 1935) та інших). Рекомендовано для моделювання динаміки росту рівнинних модальних букових деревостанів у висоту використовувати функцію Чапмана-Річардса У російськомовній літературі відома як функція Дракіна-Вуєвського. (Сhapman-Richards), яка базується на моделях Мітчерліха (G. Mitscherlich, 1948) та Міхайлова (I. Michailoff, 1943). Ця модель дає змогу охопити широкий спектр кривих росту, а коефіцієнти функції мають біологічний зміст.

Широкий спектр умов росту та походження букових деревостанів зумовлює певні особливості їх розвитку та росту за основними таксаційними показниками. Різниця у середніх висотах модельних дерев насіннєвих природних та штучних деревостанів у 20 років зростає до 3-3,5 м та залишається значною до 30-40-річного віку. Після 40-річного віку завдяки високій енергії росту букових культур відмінності у рості насіннєвих природних та штучних насаджень згладжуються, що приводить до поступового зближення висот їхніх середніх модельних дерев та середніх висот деревостанів за повидільною базою даних. До 100-120-річного віку різниця у середніх висотах насіннєвих насаджень природного та штучного походження в одному типі лісу зменшується до 1-1,5 м (рис. 4). Наведені дані свідчать про певні особливості росту у висоту букняків різного походження, що необхідно враховувати під час створення та формування букових насаджень та їхньої оцінки.

Наведені дані підтверджують думку А.В. Тюріна (1913) про те, що незалежно від району зростання, спостерігаються загальні тенденції в рості насаджень, різниця полягає лише в їх походженні. Ідею виділення типів росту було розвинено у працях М.В. Третьякова (1937), К.Є. Нікітіна (1966) та М.В. Давидова (1977, 1987). Аналіз росту рівнинних букових деревостанів підтверджує, що їх походження значною мірою впливає на особливості росту у висоту, природні букові деревостани у молодому віці характеризуються звичайним, а штучні - уповільненим типами росту.

Порівняння росту у висоту досліджуваних модальних деревостанів з опублікованими даними свідчить про подібність особливостей росту природних насіннєвих нормальних та модальних букових деревостанів лише у молодому віці. На стадії формування букових насаджень та до 30-40 років, коли вони зростають за відносно високої повноти, закономірності приросту у висоту визначаються походженням деревостанів та лісорослинними умовами, а у старшому віці ще й інтенсивністю лісогосподарських заходів.

В основу вибору математичних моделей зв'язку між таксаційними показниками насаджень покладено тісноту зв'язку між ними, яку досліджено за матеріалами повидільної бази даних рівнинних букових насаджень з використанням програмного забезпечення SPSS. Основні таксаційні показники, такі як вік A, середній діаметр D, середня висота H, запас на 1 га M та сума площ поперечних перерізів на 1 га G характеризуються високою або дуже високою тіснотою зв'язку. Виняток становлять лише повнота та видове число, які перебувають у слабкій, а іноді й у дуже слабкій кореляційній залежності від інших таксаційних показників. Групування дослідного матеріалу виконано за типами лісу, які разом з походженням та характером господарської діяльності значною мірою визначають особливості росту букових насаджень.

Вибираючи функцію для моделювання відносної повноти букових деревостанів, було проаналізовано різні типи моделей і застосовано незалежні фактори: вік, середні діаметр та висоту деревостанів. Поєднання віку та висоти, що пояснює зміну більше половини значень відносної повноти, підвищило точність моделі та значимість її параметрів. Середній діаметр деревостану знаходиться у тісній кореляційній залежності з віком та висотою насаджень, але, крім того, істотний вплив на форування товщини дерев має відносна повнота, що важливо для моделювання середнього діаметра модальних насаджень. Унаслідок багатоваріантного пошуку адекватних моделей росту для моделювання динаміки середнього діаметра D модальних деревостанів використано аллометричну функцію. Оскільки як фактори функції використовували вік А, середню висоту Н та відносну повноту Р, то ця модель придатна для моделювання динаміки середнього діаметра будь-якого типу лісу. Під час моделювання росту за сумою площ поперечних перерізів модальних насаджень необхідно враховувати поступове зменшення відносної повноти з віком у насадженнях незалежно від їхнього походження та типу лісу. Детальний аналіз моделей видових чисел стовбурів бука показав доцільність використання для моделювання динаміки видового числа функції, яка містить їхні середні висоту та діаметр (Ю. Полляншютц (J. Pollanschьtz, 1974), Ю. Нагел (J. Nagel, 2001), Д. Бергел (D. Bergel, 1973)). Інші таксаційні показники обчислені за відомими лісотаксаційними залежностями.

Моделі росту рівнинних модальних букових насаджень покладено в основу опрацювання таблиць ходу росту. Як приклад, у табл. 2 наведено хід росту природних модальних рівнинних лісостанів бука європейського у свіжій дубово-грабовій бучині, а в дисертаційній роботі представлено також нормативи ходу росту модальних рівнинних природних лісостанів бука європейського у вологій дубово-грабовій бучині та штучних - у свіжій дубово-грабовій бучині і свіжій грабовій діброві. Розроблені нормативи дають змогу оцінити стан букових деревостанів, що формуються під впливом інтенсивної лісогосподарської діяльності та можливість розробити заходи з формування насаджень доцільної структури і складу.

Порівняння росту за основними таксаційними показниками модальних букових насаджень з даними різних дослідників підтверджує вплив умов зростання, характеру лісогосподарських заходів та походження насаджень на інтенсивність їх росту. Модальні молодняки штучного походження до 20 років мають на 15-20% нижчі значення середніх висот, ніж природні. Середні висоти модальних букових насаджень нижчі, ніж у високоповнотних на 10-12%. У 20-річному віці модальні природні букові деревостани мають на 44% менші діаметри, ніж природні бучини Іа класу бонітету у Карпатах. До

50-річного віку різниця між середніми діаметрами високоповнотних та модальних деревостанів зменшується до 12-29% та зберігається значною до 120-річного віку.

Суттєва відмінність у зміні абсолютної повноти високоповнотних та модальних насаджень спостерігається з 30-річного віку. Зниження повноти деревостанів сприяє інтенсивному росту гілок крони, а не стовбурової маси. Тому необхідно формувати повноту букових насаджень таким чином, щоб забезпечити сприятливі умови росту, належний санітарний стан, природне відновлення корінних лісостанів та формування доцільної товарної структури. Запаси 20-річних природних модальних букових деревостанів у свіжій дубово-грабовій бучині нижчі від запасів високоповнотних насаджень на 8-24%, а штучні деревостани мають ще нижчі запаси (рис. 5).

У 120-річному віці модальні штучні букняки у свіжій дубово-грабовій бучині мають на 43% нижчі запаси деревини, ніж високоповнотні природні цього типу лісу та на 73% нижчі, ніж високоповнотні букові деревостани Іа бонітету західної частини України, за даними І.П. Дмитрієва (1967). Загальна продуктивність рівнинних модальних букових лісостанів нижча, ніж високоповнотних букняків. Продуктивність 100-річних рівнинних модальних природних деревостанів дорівнює 523-685 м3•га-1, букових культур - 499-640 м3•га-1, а високоповнотних природних лісостанів залежно від регіону та лісорослинних умов - 800-1228 м3•га-1, тобто є вищими в 1,5-2 рази.

Таблиця 2

Хід росту природних модальних рівнинних лісостанів бука європейського у свіжій дубово-грабовій бучині (фрагмент)

Оцінка функцій лісу буде повнішою зі врахуванням їх біологічної продуктивності, яку в Україні вивчають тривалий час (П.С. Погребняк, 1928, Г.Л. Тишкевич, 1962; В.І. Комендар 1966; В.К. Мякушко 1972, 1978; З.П. Білоус та ін., 1975; С.А. Генсірук, 1975; Л.А. Козирацкий, 1975; Д.А. Телишевский, 1974, 1986; М.А. Голубець, Л.І. Половников, 1975; М.А. Голубець, 1978; М.В. Чернявський, 1979; С.Н. Козьяков, 1984; С.Н. Козьяков и др., 1980, 1984; В.С. Бондар, Д.А. Телишевский, 1985; А.В. Грищенко и др., 1985; А.П. Андрущенко и др., 1989; В.К. Тіунчик, 1992; М.М. Гром, 1994; П.І. Лакида, 2002; П.І. Лакида, Л.М. Матушевич, 2006; П.І. Лакида, А.Г. Лащенко, М.М. Лащенко, 2006 та інші). Нормативи біологічної продуктивності насаджень необхідні для розроблення системи екологічного моніторингу лісів, довгострокових екологічних та кліматичних прогнозів, використання для лісовпорядкування.

Фітомасу рівнинних букових деревостанів досліджено за методикою П.І. Лакиди (2002) зі врахуванням особливостей таксаційної будови букняків. Фітомаса деревини стовбурів модальних букняків зростає до 199-250 т•га-1 залежно від типу лісу та походження насаджень.

Найвищою інтенсивністю наростання стовбурної фітомаси характери-зуються насадження у свіжій дубово-грабовій бучині. Характерною є динаміка фітомаси листя, яка інтенсивно зростає в деревостанах до 3 т у 30 років, а потім поступово спадає до 2,26-2,33 т•га-1. Маса гілля зростає від 2-4,6 т•га-1 у 10_річному віці до 65,6-75,8 т•га-1 у 120-річному віці. Встановлено, що характер нагромадження надземної фітомаси досліджуваних букняків змінюється подібно до динаміки фітомаси стовбурової деревини, яка, за винятком 10-річного віку, переважає у надземній фітомасі (рис. 6).

Розроблено таблиці динаміки фітомаси модальних природних та штучних букових деревостанів. Динаміка компонентів фітомаси модальних природних букових деревостанів у свіжій дубово-грабовій бучині наведена у табл. 3. Порівняння фітомаси букових рівнинних природних модальних

Таблиця 3

Динаміка компонентів фітомаси рівнинних модальних природних букових деревостанів (D2-д-гБк)

деревостанів та оптимальних деревостанів бука в Карпатах свідчить про інтенсивніший ріст запасів деревини та фітомаси карпатських букняків.

Нормативи надземної фітомаси букових деревостанів та перевідні коефіцієнти, що запозичені з роботи Матзевса (G. Matthews, 1993), дали змогу розрахувати вміст депонованого вуглецю у рівнинних букняках. У надземних частинах природних 10-річних букових молодняків свіжої дубово-грабової бучини депонується 5,4 т•га-1, а штучних - 3,8 т•га-1 вуглецю загалом (табл. 4).

Таблиця 4

Динаміка депонованого вуглецю у надземній частині рівнинних модальних букових деревостанів (т·га-1)

Найбільше вуглецю депонують природні букові деревостани у свіжій дубово-грабовій бучині, які за 120 років нагромаджують 168,7 т•га-1, а найменше - штучні букняки у свіжій грабовій діброві - 137,6 т•га-1. Здатність букових насаджень депонувати значну частину вуглецю має важливе екологічне значення і сприяє вирішенню проблеми стоку вуглецю в атмосфері.

Розділ 5. Дистанційна оцінка рівнинних букових насаджень. У процесі інвент...